2022届高三生物二轮复习课件：实验设计原则

这是一份2022届高三生物二轮复习课件：实验设计原则，共42页。PPT课件主要包含了例题分析，生物学科核心素养，设计原则，实验设计的基本原则，科学性原则，单一变量原则，变量之间的关系，自变量的处理方法，控制无关变量的方法，对照性原则等内容，欢迎下载使用。

例：（2022届武汉2月调考，节选）肿瘤细胞的一种免疫逃逸机制如下图所示，回答下列问题：
（1）该机制中，肿瘤细胞会大量表达PD-L1蛋白，PD-L1与T细胞表面的PD-1结合，从而抑制T细胞的活化，主要抑制了 （填“体液免疫”或“细胞免疫”）过程，使肿瘤细胞得以逃逸。（2）虽然上述抗体疗法广受好评，但只对部分肿瘤有效。最近，科学家发现了一种全新的、存在于多种肿瘤中的免疫抑制分子Siglec-15。研究还发现，肿瘤细胞表面的PD-L1和Siglec-15的表达是互斥的，据此可将肿瘤大体分为两类：I类，PD-L1高表达，Siglec-15无表达；II类，Siglec-15高表达，PD-L1无表达。推测使用Siglec-15的抗体对治疗 （填“I”或“II”）类肿瘤更为有效。（3）为探究免疫抑制分子Siglec-15的受体是否也为PD-1，请以健康小鼠、抗PD-1的抗体、 （填“I”或“II”）类肿瘤细胞、生理盐水等为主要材料，以小鼠体内肿瘤是否生长为观测指标设计实验，写出实验思路，并预期实验结果及结论。
实验思路：将II 类肿瘤细胞移植到健康小鼠体内，使小鼠患II类肿瘤（1 分），再将小鼠均分为甲、乙两组，向甲组小鼠注射适量的抗PD-1 抗体溶液，乙组注射等量的生理盐水（1 分），观察两组小鼠体内肿瘤的生长情况（1 分）预期实验结果及结论：若两组小鼠体内的肿瘤都能继续生长，则免疫抑制分子Siglec-15的受体不是PD-1（2 分）；若甲组小鼠体内肿瘤不生长，乙组小鼠体内肿瘤继续生长，则免疫抑制分子Siglec-15 的受体是PD-1（2 分）
（3）为探究免疫抑制分子Siglec-15的受体是否也为PD-1，请以健康小鼠、抗PD-1的抗体、II类肿瘤细胞、生理盐水等为主要材料，以小鼠体内肿瘤是否生长为观测指标设计实验，写出实验思路，并预期实验结果及结论。
以小鼠体内肿瘤是否生长为观测指标设计实验
请以健康小鼠、抗PD-1的抗体、 II类肿瘤细胞、生理盐水等为主要材料
将II 类肿瘤细胞移植到健康小鼠体内，使小鼠患II类肿瘤
为探究免疫抑制分子Siglec-15的受体是否也为PD-1
向甲组小鼠注射适量的抗PD-1 抗体溶液
实验思路：将II 类肿瘤细胞移植到健康小鼠体内，使小鼠患II类肿瘤，再将小鼠均分为甲、乙两组，向甲组小鼠注射适量的抗PD-1 抗体溶液，乙组注射等量的生理盐水，观察两组小鼠体内肿瘤的生长情况
预期实验结果及结论：若两组小鼠体内的肿瘤都能继续生长，则免疫抑制分子Siglec-15的受体不是PD-1；若甲组小鼠体内肿瘤不生长，乙组小鼠体内肿瘤继续生长，则免疫抑制分子Siglec-15 的受体是PD-1
关键能力是指即将进入高等学校的学习者在面对与学科相关的生活实践或学习探索问题情境时，高质量地认识问题、分析问题、解决问题所必须具备的能力。它是使学习者适应时代要求并支撑其终身发展的能力，是培育核心价值、发展学科素养所必须具备的能力基础，是高水平人才素质的重要组成部分。
四层——高考考查内容——关键能力
关键能力是高考考查中的重点内容
对于语言类学科而言，语言解码能力和阅读理解能力是知识获取能力群中的考查重点；对于自然科学类学科而言，实验设计能力、动手操作能力则是实践操作能力群中的考查重点。
——《中国高考评价体系》，人民教育出版社（ 2019年12月第1版）
“科学探究”是指能够发现现实世界中的生物学问题，针对特定的进行观察、提问、实验设计、方案实施以及对结果的交流与讨论的能力。学生应在探究过生物学现象，程中，逐步增强对自然现象的好奇心和求知欲，掌握科学探究的基本思路和方法，提高实践能力；在探究中，乐于并善于团队合作，勇于创新。 
——普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）
（3）为探究免疫抑制分子Siglec-15的受体是否也为PD-1，请以健康小鼠、抗PD-1的抗体、_______（填“I”或“II”）类肿瘤细胞、生理盐水等为主要材料，以小鼠体内肿瘤是否生长为观测指标设计实验，写出实验思路，并预期实验结果及结论。
指实验目的要明确，实验原理要正确，实验材料和实验手段的选择要恰当，整个设计思路和实验方法的确定都不能偏离生物学基本知识和基本原理以及其他学科领域的基本原则。如：用双缩脲试剂检测还原糖。
抗原——抗体特异性结合
变量：实验中可以变化的因素。自变量：因变量：无关变量：
随自变量变化而变化的变量，必须是可测量或可观察的指标。
指实验中除实验变量以外的影响实验现象或结果的因素或条件。
通常，自变量是原因，因变量是结果，二者具有因果关系。实验的目的在于获得和解释这种前因后果。
a.“加”或“减”：例如验证甲状腺激素的生理作用——“减”即手术切除甲状腺法，“加”即口服或注射该激素。b.“换”：如探究温度对酶活性的影响实验，对自变量温度无法“加”或“减”，就用“换”的方法。
观察和测量因变量的方法
因变量类型：　1、观察特异颜色变化、沉淀反应　2、观察形态结构、生理特征变化　3、测量生长发育速度　4、测量生化反应速度方法: 　根据实验原理和实验条件确定观察和测量的指标及方法。
观察两组小鼠体内肿瘤的生长情况
1、排除因实验对象个体差异带来的影响。 ------生长状况一致、随机分组2、设法创造稳定的、维持不变的相同条件进行对照，以抵消或排除这些条件对实验对象 的干扰。　　　 -------设置对照组3、设法提供适宜条件，以排除不利环境条件对实验对象的影响。4、重复实验，排除偶然性，减少实验误差。
乙组注射等量的生理盐水
即所用生物材料的数量、质量、长度、体积、来源和生理状况等方面特点要尽量相同或至少大致相同。
实验中要做到“单一变量” ，应注意等量的原则
即试管、烧杯、水槽、广口瓶等器具的大小、型号、洁净度等要完全一样。
即试剂的成分、浓度、体积要相同。尤其要注意体积上等量的问题
保温或冷却：光照或黑暗；搅拌或振荡都要一致。
再将小鼠均分为甲、乙两组
向甲组小鼠注射适量的抗PD-1 抗体溶液，乙组注射等量的生理盐水
实验组，是接受实验变量处理的对象组。对照组，对实验假设而言，是不接受实验变量处理的对象组。
①空白对照：指不做任何实验处理的对象组。教材实例： “探究影响淀粉酶活性的条件”实验中，1号试管加1ml蒸馏水，2、3好试管分别加等量的NaOH、HCl溶液，1号试管即为空白对照。
②自身对照：实验组和对照组都在同一研究对象上进行，不另外设对照组。 教材实例： a.德国科学家萨克斯证明光合作用需要光的实验中，对实验组给以光照、对照组进行遮光都是在同一叶片进行。 b.“观察植物细胞质壁分离和复原”实验：实验前的细胞状况为对照组，处理后的细胞变化为实验组。自身对照，方法简便，关键是要看清楚实验处理前后现象变化的差异，实验处理前的对象状况为对照组，实验处理后的对象变化则为实验组。
③条件对照：指虽给对象施以某种实验处理，但这种处理是作为对照意义的，或者说这种处理不是实验假设所给定的实验变量意义的。（条件对照：给实验组某种处理，给对照组另一条件的处理。）例如：“动物激素饲喂小动物”的实习实验，采用等组实验法，其实验设计方案是：甲组：饲喂甲状腺激素（实验组）；乙组：饲喂甲状腺抑制剂（条件对照组）；丙组：不饲喂药剂（空白对照组）。虽然，乙组为条件对照。该实验即设置了条件对照，又设置了空白对照，通过比较、对照、更能充分说明实验变量——甲状腺激素有促进动物的生长发育。
④相互对照：不单独设置对照组，而是几个实验组相互对照。教材实例：a.“验证温度对唾液淀粉酶活性的影响”实验中，60℃、0℃、37℃之间的对照；b. 达尔文植物向光性的四组实验，也可认为是相互对照。
5、简约性和可行性原则
明确：（1）实验名称是关于一个什么内容的实验。（2） 实验目的——要探究或者验证的某一事实。（3）实验对象——进行实验的主要对象。
思考：（1）实验原理——进行实验依据的科学道理。（2）实验目的——要探究或者验证的某一事实。（3）实验条件根据实验原理确定仪器和设备；要细心思考实验的全过程。（4）实验方法与步骤实验采用的方法及必需（最佳）操作程序。每一步骤都必须是科学的；能及时对仪器、步骤进行有效矫正。
审“实验目的”找四要素
①探究2、4-D对插枝生根的作用②探究环境因素对植物光合作用的影响③验证生物制剂W对动物不同细胞的分裂具有促进作用
（2019年全国卷I，T29，节选）将生长在水分正常土壤中的某植物通过减少浇水进行干旱处理，该植物根细胞中溶质浓度增大，叶片中的脱落酸(ABA)含量增高，叶片气孔开度减小，回答下列问题。（3）有研究表明：干旱条件下气孔开度减小不是由缺水直接引起的，而是由ABA引起的。请以该种植物的ABA缺失突变体(不能合成ABA)植株为材料，设计实验来验证这一结论。要求简要写出实验思路和预期结果。
取ABA缺失突变体植株在正常条件下测定气孔开度，经干旱处理后，再测定气孔开度，预期结果是干旱处理前后气孔开度不变。将上述干旱处理的ABA缺失突变体植株分成两组，在干旱条件下，一组进行ABA处理，另一组作为对照组，一段时间后，分别测定两组的气孔开度，预期结果是ABA处理组气孔开度减小，对照组气孔开度不变。
例：（2017新课标1，T29，10分）根据遗传物质的化学组成，可将病毒分为RNA病毒和DNA病毒两种类型。有些病毒对人类健康会造成很大危害。通常，一种新病毒出现后需要确定该病毒的类型。假设在宿主细胞内不发生碱基之间的相互转换，请利用放射性同位素标记的方法，以体外培养的宿主细胞等为材料，设计实验以确定一种新病毒的类型。简要写出（1）实验思路，（2）预期实验结果及结论即可。（要求：实验包含可相互印证的甲、乙两个组）
设计实验以确定一种新病毒的类型。
实验包含可相互印证的甲、乙两个组
用放射线同位素标记特征性碱基
（1）思路甲组：将宿主细胞培养在含有放射性标记尿嘧啶的培养基中，之后接种新病毒。培养一段时间后收集病毒并监测其放射性。乙组：将宿主细胞培养在含有放射性标记胸腺嘧啶的培养基中，之后接种新病毒。培养一段时间后收集病毒并监测其放射性。（2）结果及结论若甲组收集的病毒有放射性，乙组无，即为RNA病毒；反之为DNA病毒。
例：（2020年山东卷T22，节选）科研人员在转入光敏蛋白基因的小鼠下丘脑中埋置光纤，通过特定的光刺激下丘脑CRH神经元，在脾神经纤维上记录到相应的电信号，从而发现下丘脑CRH神经元与脾脏之间存在神经联系，即脑-脾神经通路。该脑-脾神经通路可调节体液免疫，调节过程如图1所示，图2为该小鼠CRH神经元细胞膜相关结构示意图。
（4）已知切断脾神经可以破坏脑-脾神经通路，请利用以下实验材料及用具，设计实验验证破坏脑-脾神经通路可降低小鼠的体液免疫能力。简要写出实验设计思路并预期实验结果。实验材料及用具：生理状态相同的小鼠若干只，N抗原，注射器，抗体定量检测仪器等。实验设计思路：________________。预期实验结果：________________。
⑴审题、明确实验目的，是探究性实验还是验证性实验（直接关系到实验预期和结论），区分自变量和因变量⑵分析实验材料、仪器、试剂，明确不做要求的操作，思考所提供材料、仪器、试剂的用途、使用方法；⑶根据预期结果确定实验组和对照组，确定是否需要条件对照；⑷施加自变量，即实验组和对照组处理的差异，这种差异是唯一的。通常如果只需一个实验组的，考虑用“加法“或”减法”，（如激素相关实验中的注射法 、饲喂法、手术切除法等方法），如果需要多个实验组的，考虑高中低的设置，或（浓度、温度、pH、CO2浓度、光照强度等）梯度设置、或不同种类设置。
设计实验验证破坏脑-脾神经通路可降低小鼠的体液免疫能力
生理状态相同的小鼠若干只，N抗原，注射器，抗体定量检测仪器
⑸书写实验步骤的关键词 （化繁为简、应对有序）第一步：取材、材料是否需要预处理、分组、编号等第二步：实验组和对照组施加变量，控制变量第三步：观察实验现象、进行测量、记录、数据处理和表达（实验结果的呈现一般是文字叙述、坐标曲线和设计表格三种类型，另柱形图），注意校正数据、取平均值等减小实验误差第四步：实验预期，得出结论：如果是验证性实验：预期是肯定，结论是对假设的肯定或否定；如果是探究性实验：预期是不确定的，有多种可能，一般有肯定、否定和中间预期，结论也是不确定的，一般使用“如果…，则…”或“若…，则…”句式
取生理状态相同的小鼠若干只，随机均分为两组
将其中一组小鼠的脾神经切断作为实验组，另一组作为对照组
分别给两组小鼠注射相同剂量的N抗原
3.产生因变量的观测指标
一段时间后检测两组小鼠抗N抗体的产生量
4.观察培养并检测因变量的指标
实验设计思路：取生理状态相同的小鼠若干只，随机均分为两组，将其中一组小鼠的脾神经切断作为实验组，另一组作为对照组；分别给两组小鼠注射相同剂量的N抗原；一段时间后，检测两组小鼠抗N抗体的产生量预期实验结果：实验组小鼠的抗N抗体产生量低于对照组的产生量
①取材、编号 动物材料：要说明“健康的、体重、年龄（月龄、日龄）、性别、生长发育状况（生理状况）相同”植物材料：要说明“长势相同、生理状况相同”溶液：“大小相同的试管（或其他器具）”“加入等量适宜浓度的某溶液（或已知浓度）” 实验中涉及到两组或两组以上，所用器材需用1、2、3… 或A、B、C……或甲、乙、丙……等加以编号便于区分
②注意材料是否需要预处理。如验证植物在光下进行光合作用实验中，植物的“饥饿处理”，叶片的“酒精煮沸处理”等，注意编号，减少文字量。③消除控制平衡无关变量的影响：“等量、适量、随机分组、分成数量相等、适宜的条件”等④在量上难以做到准确的量化描述，应尽可能用“定性”的语言表达。
如：“一段时间”、“适宜的温度”、“适量的”、“一定量的”等。
⑤叙说中尽量要用规范的实验术语，不能用含糊的口语。如： “等量的”不宜说成“一样多的”；“振荡”不宜说成“晃动”“摇动”等等。“不变蓝”不等于“无色”或“没有颜色变化”，“褪色”说成“无色”，另外“不变”也不能说成“无现象”等等。 ⑥ 注意避免“词不达意”
如图：“分别在甲、乙两试管中加入A、B物质”是否正确？
例（2021年山东卷T23，节选）：过度紧张、焦虑等刺激不仅会导致毛囊细胞数量减少引起脱发，也会导致黑色素细胞减少引起头发变白。利用黑色小鼠进行研究得出的相关调节机制如图所示。
（3）已知长期束缚会引起小鼠过度紧张、焦虑。请设计实验验证上述调节机制中长期束缚及肾上腺对黑毛小鼠体毛的影响。实验思路：________。实验现象：________。
实验性质：验证实验自变量：中长期束缚及肾上腺因变量：黑毛小鼠体毛的影响
⑵分析实验材料、仪器、试剂，明确不做要求的操作，思考所提供材料、仪器、试剂的用途、使用方法；
⑶根据预期结果确定实验组和对照组，确定是否需要条件对照；对照组：实验组：⑷施加自变量，注意等量原则
实验思路：取生理状况相同的黑色小鼠若干只，随机平均分为A、B、C、D四组，A组不作处理，B组切除肾上腺，C组束缚，D组切除肾上腺并束缚，其他条件相同且适宜，饲养一段时间后，观察并记录小鼠体毛数量（生长情况）和颜色的变化。 预期结果：A组小鼠的体毛无变化，B组小鼠的体毛增多，不变白，C组小鼠脱毛且变白，D组小鼠毛发增多（生长旺盛），变白
（3）已知长期束缚会引起小鼠过度紧张、焦虑。请设计实验验证上述调节机制中长期束缚及肾上腺对黑毛小鼠体毛的影响。实验思路：_________________________________________________________________。实验现象：_________________________________________________________________。
审“实验目的” 思“对照类型” 多变量实验
①取材料分组并编号；②根据对照性原则处理材料；③观察结果、记录数据
①自变量的操纵；②观测指标的检测；③得出结论的依据
（2022届湖北省新高考协作体2月统考）甲状腺激素在人体内有极为重要的作用。甲状腺疾病高发与人类生活中的甲状腺激素干扰物（一类通过影响甲状腺激素的合成、运输、分解等。从而改变甲状腺激素的功能和稳态的化学物质）密切相关。I、为验证甲状腺激素对细胞代谢的影响，某生物兴趣小组设计了如下实验。请补充实验内容：（1）实验原理：_______________________________________________。将施用甲状腺激素制剂的动物放入密闭容器时。实验动物对缺氧敏感性提高，容易因缺氧窒息面死亡。材料和用具：小白鼠若干只，灌胃管，1000 mL。广口瓶，甲状腺激素制剂，生理盐水。（2）方法步骤：①将健康小白鼠按性别体重随机分为对照组和实验组，每组10只。②给实验组小白鼠灌胃甲状腺激素制剂，每天5 mg。连续用药两周。给对照组小白鼠灌胃_______________________________。其他饲养条件相同且适宜。③将每只小白鼠分别放在1000 ml的广口瓶中，把瓶口密封后，立即观察其活动，并记录其存活时间。最后汇总全组动物的实验结果，计算平均存活时间，并将实验组与对照组进行比较。（3）预测实验结果及结论：___________________________________________________________________。
甲状腺激素能提高细胞代谢速率，使机体耗氧量增多
等量的生理盐水，连续用药两周
实验组的平均存活时间小于对照组的，说明甲状腺激素能提高细胞代谢速率