第2单元 实验技能课(01)——实验设计的基本原则和方法（word教参）-【导学教程】2025年生物新编高考大一轮总复习（人教版 单选）

实验设计是高中生物学的一个重要内容，既是考查运用所学生物学知识解决实际问题的能力，又能考查创新思维能力。现简要归纳一下实验的基本原则和方法。 一、实验设计的基本原则 1．对照性原则 在实验设计中，一般都要设置对照组。通过干预或控制对象以消除或减少实验误差，鉴别实验中的处理因素与非处理因素的差异。通常采用空白对照的原则，即不给对照组以任何处理因素。但是要注意，不给对照组以任何处理因素是相对实验组而言的，实际上对照组也要做一定的处理，只是不加实验组的处理因素而已。 2．随机性原则 实验设计中的随机性原则是指被研究的样本是从总体中任意抽取的。这样做可以： (1)消除或减少系统误差，使显著性测验有意义。 (2)平衡各种条件，避免实验结果中的偏差。 3．平行重复原则 平行重复原则，在同样条件下重复实验，观察其对实验结果的影响程度。任何实验都必须能够重复，这是具有科学性的标志。 4．单一变量原则 单一变量原则，即控制其他因素不变，只改变其中某一变量，观察其对实验结果的影响。整个实验过程中“变”的是自变量，无关变量相同且最适。。 二、实验设计的基本方法 1．了解题目要求 看清题意是要求设计实验方案、步骤还是分析实验结果。 2．明确实验目的原理 明确实验到底要解决什么问题，要用到生物学上的什么原理。 3．确定实验思路 根据原理对实验作出假设，并对可能产生的现象作出预测。充分利用所有材料设计实验思路。 4．设计实验步骤 根据上述实验目的、原理和思路，设计出合理的实验装置和实验步骤。要思考题目中所给出的实验材料和试剂分别起什么作用，怎样运用，并且还要注意以下两点：一是题目中给出的实验试剂和材料一般应充分利用；二是非题目条件允许，否则不能自己随意增加实验试剂和材料。 5．记录实验现象和数据 在实验中，将观察到的现象如实、准确地记录下来。除了用文字进行记录外，还可以用数据或符号进行记录。 6．分析得出结论 根据观察的实验现象和记录的数据，通过分析、计算、图表、推理等处理，归纳出一般概括性判断，并用文字、图表、绘图等方法作一个简明的总结。 1．(2021·广东卷)人体缺乏尿酸氧化酶，导致体内嘌呤分解代谢的终产物是尿酸(存在形式为尿酸盐)。尿酸盐经肾小球过滤后，部分被肾小管细胞膜上具有尿酸盐转运功能的蛋白URAT1和GLUT9重吸收，最终回到血液。尿酸盐重吸收过量会导致高尿酸血症或痛风。目前，E是针对上述蛋白治疗高尿酸血症或痛风的常用临床药物。为研发新的药物，研究人员对天然化合物F的降尿酸作用进行了研究。给正常实验大鼠(有尿酸氧化酶)灌服尿酸氧化酶抑制剂，获得了若干只高尿酸血症大鼠，并将其随机分成数量相等的两组，一组设为模型组，另一组灌服F设为治疗组，一段时间后检测相关指标，结果见图。 回答下列问题： (1)与分泌蛋白相似，URAT1和GLUT9在细胞内的合成、加工和转运过程需要__________________________及线粒体等细胞器(答出两种即可)共同参与。肾小管细胞通过上述蛋白重吸收尿酸盐，体现了细胞膜具有________的功能特性。原尿中还有许多物质也需借助载体蛋白通过肾小管的细胞膜，这类跨膜运输的具体方式有________________________________________________________________________。 (2)URAT1分布于肾小管细胞刷状缘(下图示意图)，该结构有利于尿酸盐的重吸收，原因是______________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (3)与空白对照组(灌服生理盐水的正常实验大鼠)相比，模型组的自变量是__________。与其他两组比较，设置模型组的目的是____________________________________________ ______________________________________________________________________________。 (4)根据尿酸盐转运蛋白检测结果，推测F降低治疗组大鼠血清尿酸盐含量的原因可能是______________________________________________，减少尿酸盐重吸收，为进一步评价F的作用效果，本实验需要增设对照组，具体为_____________________________________。 解析　(1)分泌蛋白在细胞内的合成、加工和转运过程需要核糖体、内质网、高尔基体及线粒体等细胞器共同参与，由于URAT1和GLUT9与分泌蛋白相似，因此URAT1和GLUT9在细胞内的合成、加工和转运过程需要核糖体、内质网、高尔基体及线粒体等细胞器共同参与。肾小管细胞通过URAT1和GLUT9蛋白重吸收尿酸盐，体现了细胞膜的选择透过性。借助载体蛋白的跨膜运输的方式有协助扩散和主动运输。(2)由图可知，肾小管细胞刷状缘形成很多突起，增大吸收面积，有利于尿酸盐的重吸收。(3)模型组灌服尿酸氧化酶抑制剂，与空白对照组灌服生理盐水的正常实验大鼠(有尿酸氧化酶)相比，模型组的自变量是尿酸氧化酶活性低，与空白对照组和灌服F的治疗组比较，设置模型组的目的是排除血清尿酸盐含量降低的原因是由于大鼠体内尿酸氧化酶的作用(确保血清尿酸盐含量降低是F作用的结果)。(4)根据尿酸盐转运蛋白检测结果，模型组灌服尿酸氧化酶抑制剂后转运蛋白增加，灌服F的治疗组转运蛋白和空白组相同，可推测F降低治疗组大鼠血清尿酸盐含量的原因可能是F可能抑制转运蛋白URAT1和GLUT9基因的表达，减少尿酸盐重吸收。为进一步评价F的作用效果，本实验需要增设对照组，将高尿酸血症大鼠灌服E与F进行对比，得出两者降尿酸的作用效果。 答案　(1)核糖体、内质网、高尔基体　选择透过性　协助扩散、主动运输　(2)肾小管细胞刷状缘形成很多突起，增大吸收面积　(3)尿酸氧化酶活性低　排除血清尿酸盐含量降低的原因是由于大鼠体内尿酸氧化酶的作用(确保血清尿酸盐含量降低是F作用的结果)　(4)F抑制转运蛋白URAT1和GLUT9基因的表达　高尿酸血症大鼠灌服E 2．为探究玉米籽粒发芽过程中一些有机物含量的变化，研究小组利用下列供选材料用具进行了实验。材料用具：玉米籽粒，斐林试剂，双缩脲试剂，碘液，缓冲液，淀粉，淀粉酶等；研钵，水浴锅，天平，试管，滴管，量筒，容量瓶，显微镜，玻片，酒精灯等。请回答下列问题： (1)为了检测玉米籽粒发芽过程中蛋白质(肽类)含量变化，在不同发芽阶段玉米提取液中，分别加入________试剂，比较颜色变化。该实验需要选用的器具有________(填序号)。 ①试管　②滴管　③量筒　④酒精灯　⑤显微镜 (2)为了检测玉米籽粒发芽过程中淀粉含量变化，将不同发芽阶段的玉米籽粒纵切，滴加________，进行观察。结果显示，胚乳呈蓝色块状，且随着发芽时间的延长，蓝色块状物变小。由此可得出的结论是_____________________________________________________。 (3)为了验证上述蓝色块状物变小是淀粉酶作用的结果，设计了如下实验：在1～4号试管中分别加入相应的提取液和溶液(如下图所示)，40 ℃温育30 min后，分别加入斐林试剂并60 ℃水浴加热，观察试管内颜色变化。 请继续以下分析： ①设置试管1作为对照，其主要目的是___________________________________________ ________________________________________________________________________。 ②试管2中应加入的X是________的提取液。 ③预测试管3中的颜色变化是____________。若试管4未出现预期结果(其他试管中结果符合预期)，则最可能的原因是____________。 解析　(1)根据分析可知，检测蛋白质或多肽应该用双缩脲试剂；该实验需要用量筒量一定量的蛋白质溶液、双缩脲试剂A液，需要用滴管滴加双缩脲试剂B液，但是该实验不需要加热，也不需要显微镜观察，故选①②③。(2)检测淀粉应该用碘液，胚乳呈现蓝色块状，说明胚乳含有大量的淀粉，而随着时间的延长，蓝色块状变小了，说明玉米发芽的过程中胚乳的淀粉逐渐减少了。(3)①该实验的目的是验证上述蓝色块状物变小是淀粉酶的作用，在淀粉酶的作用下淀粉水解产生了还原糖，还原糖用斐林试剂检测会出现砖红色沉淀。1号试管加的是缓冲液和淀粉，作为对照试验，其可以排除用于实验的淀粉溶液中含有还原糖。②根据单一变量原则，1号试管加的是缓冲液作为对照，3号、4号实验组分别加了发芽玉米提取液、淀粉酶溶液，则2号试管加的X溶液应该是发芽前玉米提取液。③3号试管发芽玉米提取液中含有淀粉酶，催化淀粉水解产生了还原糖，因此其颜色由蓝色变成了砖红色；如4号试管的颜色没有从蓝色变成砖红色，可能是因为淀粉酶已失活，不能催化淀粉水解。 答案　(1)双缩脲　①②③　(2)碘液　玉米发芽过程中胚乳的淀粉逐渐减少　(3)①排除用于实验的淀粉溶液中含有还原性糖　②发芽前玉米　③蓝色→砖红色　淀粉酶已失活 3．(2023·葫芦岛月考)小麦的穗发芽影响其产量和品质。某地引种的红粒小麦的穗发芽率明显低于当地白粒小麦。为探究淀粉酶活性与穗发芽率的关系，进行了如下实验。 取穗发芽时间相同、质量相等的红、白粒小麦种子，分别加蒸馏水研磨、制成提取液(去淀粉)，并在适宜条件下进行实验。实验分组、步骤及结果如下： 分组 步骤 红粒管 白粒管 对照管 ① 加样 0.5 mL提取液 0.5 mL提取液 C ② 加缓冲液/mL 1 1 1 ③ 加淀粉溶液/mL 1 1 1 ④ 37 ℃保温适当时间终止酶促反应，冷却至常温，加适量碘液显色 显色结果 ＋＋＋ ＋ ＋＋＋＋ (1)步骤①中加入的C是________，步骤②中加缓冲液的目的是________。显色结果表明：淀粉酶活性较低的品种是______________；据此推测：淀粉酶活性越低，穗发芽率越_____________。若步骤③中的淀粉溶液浓度适当减小，为保持显色结果不变，则保温时间应_____________。 (2)小麦淀粉酶包括α­淀粉酶和β­淀粉酶，为进一步探究其活性在穗发芽率差异中的作用，设计了如下实验方案： X处理的作用是________。若Ⅰ中两管显色结果无明显差异，且Ⅱ中的显色结果为红粒管颜色显著________白粒管(填“深于”或“浅于”)，则表明α­淀粉酶活性是引起这两种小麦穗发芽率差异的主要原因。 解析　(1)步骤①中加入C后，淀粉遇碘蓝色最强，说明加入的C是0.5 mL蒸馏水，其中的淀粉没有被分解。步骤②中加缓冲液的目的是控制试管内溶液的pH。显色结果表明：淀粉酶活性较低的品种是红粒小麦，该试管内比白粒管内的蓝色深，淀粉分解少。若步骤③中的淀粉溶液浓度适当减小，为保持显色结果不变(剩余淀粉量不变)，则保温时间应缩短，使分解量减少。(2)据题图分析可知，X处理的目的是使β­淀粉酶失活。若Ⅰ中显色结果为红粒管颜色与白粒管的颜色无明显差异，且Ⅱ中的显色结果为红粒管颜色深于白粒管，则表明α­淀粉酶活性是引起这两种小麦穗发芽率差异的主要原因。 答案　(1)0.5 mL蒸馏水　控制试管内溶液的pH 红粒小麦　 低　 缩短　(2)使β­淀粉酶失活　 深于 4．(2023·德州月考)为研究藜麦的耐盐机制，科学家发现了参与藜麦Na＋、K＋平衡的关键转运载体和离子通道，其作用机制如下图所示。请回答下列问题： (1)H＋出入表皮细胞的运输方式分别是________________。 (2)据图分析，藜麦的耐盐作用机制：___________________________________________ ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。 (3)为探究盐胁迫对保卫细胞气孔开闭的影响，科研人员以相同面积的“陇藜1号”“陇藜3号”叶片为材料，设置了以下几组实验(其他影响实验的因素忽略不计)。实验结果如下(表中数值为相对值，以A组为100%)： 组别 处理 气孔完全开放/% 气孔半开放/% 陇藜1号 陇藜3号 陇藜1号 陇藜3号 A 0 mmol/L NaCl溶液＋黑暗处理 100 100 0 0 B 100 mmol/L NaCl溶液＋黑暗处理 90 80 10 8 C 200 mmol/L NaCl溶液＋黑暗处理 77 53 15 9 D 300 mmol/L NaCl溶液＋黑暗处理 60 30 21 11 ①该实验中的自变量是____________________。推测该实验中，与气孔的开闭调节过程有关的细胞器是________________(写出两个即可)；较为耐盐的藜麦品种是________。 ②根据实验结果分析，该实验的结论是_________________________________________ ________________________________________________________________________。 解析　(1)由题图可知，H＋出入表皮细胞需要消耗能量，需要载体蛋白的协助属于主动运输，H＋通过SOS1进入表皮细胞不消耗能量，属于协助扩散。(2)藜麦的耐盐作用机制是在高盐胁迫下，当盐浸入到根周围的环境时， Na＋借助通道蛋白 NSCC 以协助扩散方式大量进入根部细胞的细胞质中，细胞质中的 Na＋通过 NHX(液泡膜 Na＋/H＋运转载体)以主动运输的方式进入根部细胞的液泡中，细胞液的渗透压增大，使根细胞的吸水能力加强，由此耐盐碱能力增强。同时将多余的Na＋运送到木质部导管，进而送至植物体其他部位。(3)①本实验目的是探究不同浓度的NaCl浓度对不同品种的陇藜保卫细胞气孔开闭的影响，所以实验的自变量是藜麦品种，NaCl浓度。据题图可知，Na＋主要通过主动运输进入液泡中，细胞液的浓度增大，抵抗盐胁迫，所以与气孔的开闭调节过程有关的细胞器是液泡、线粒体。据题表可知，在盐胁迫下，陇藜1号气孔完全开放率大于陇藜3号，所以陇藜1号较为耐盐。②根据实验结果分析，该实验的结论是一定范围内，随外界NaCl浓度的升高，不同品种藜麦保卫细胞气孔开放程度逐渐降低，外界NaCl浓度相同条件下，陇藜1号比陇藜3号气孔开放程度高。 答案　(1)主动运输和协助扩散　 (2)在高盐胁迫下，当盐浸入到根周围的环境时， Na＋借助通道蛋白 NSCC 以协助扩散方式大量进入根部细胞的细胞质中，细胞质中的 Na＋通过 NHX(液泡膜 Na＋/H＋运转载体)以主动运输的方式进入根部细胞的液泡中，细胞液的渗透压增大，使根细胞的吸水能力加强，由此耐盐碱能力增强。同时将多余的Na＋运送到木质部导管，进而送至植物体其他部位　(3)①藜麦品种，NaCl浓度　液泡、线粒体　陇藜1号　②一定范围内，随外界NaCl浓度的升高，不同品种藜麦保卫细胞气孔开放程度逐渐降低，外界NaCl浓度相同条件下，陇藜1号比陇藜3号气孔开放程度高 学科网（北京）股份有限公司 $$