专题研究1 实验设计专题
类型一 实验设计遵循的原则
科学性 原则 (1)选材科学性：如鉴定还原糖的实验中不能以西瓜汁为实验材料，因为西瓜汁的红色会干扰颜色反应 (2)实验方法科学性：如使用双缩脲试剂时应先加入A液(质量浓度为0.1 g/mL的NaOH溶液)，再加入B液(质量浓度为0.01 g/mL的CuSO4溶液)
单一变量 原则和等 量原则 二者是完全统一的，只不过强调的侧重点不同，前者强调的是自变量的单一性，即实验组和对照组相比只能有一个变量；而后者强调的是除了自变量之外的一切对实验结果有影响的无关变量，必须严格控制在适宜且等量条件下，以平衡和消除无关变量对实验结果的影响
平行重复 原则 为减少实验误差应进行多次实验，如探究培养液中酵母菌种群数量动态变化的实验中，每次计数都要重复至少3次
对照原则 (为使实验 结果更有 可信度， 需设置对 照组) (1)空白对照：即对照组不做任何变量处理。如探究胰岛素的生理作用实验中，对小鼠进行饥饿处理后，注射胰岛素的为实验组，注射等量生理盐水的为对照组 (2)自身对照：即对照组和实验组在同一实验对象上进行，不再设置新的对照组，如观察植物细胞质壁分离和复原的实验中，质壁分离状态与自然状态形成对照 (3)条件对照：即给对照组施加变量处理，但这种处理不是实验假设所定的。如探究甲状腺激素的生理作用实验中，实验组为饲喂甲状腺激素，空白对照为饲喂等量生理盐水，可以再增加一组对照组，饲喂甲状腺激素抑制剂，即条件对照，这样可以增加实验的说服力 (4)相互对照：即不单独设置对照组，而是几个实验组之间相互进行对照。如探究温度、pH对酶活性影响的实验中，各组既是实验组，又是其他组的对照组
类型二 实验设计中的变量分析
自变量 又称实验变量，是研究者主动操纵的，即实验所探究的条件和因子，是作用于实验对象的刺激变量，坐标中横轴标识一般为自变量
因变量 又称反应变量，是随自变量变化而产生反应或发生变化的变量，应具有可测性和客观性，坐标中纵轴标识一般为因变量
无关 变量 无关变量又称干扰变量、控制变量，是指与研究目标无关，但却影响研究结果的变量，实验时一般需控制无关变量适宜且相同
提醒 自变量的处理方法
(1)对照实验要注意自变量的唯一性，因变量的可测性，无关变量的一致性。
(2)“加”或“减”：例如验证甲状腺激素的生理作用——“加”即口服或注射该激素；“减”即手术切除甲状腺。
(3)“换”：例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。
[应用1](2025·福建厦门质检)为探究“影响胶原蛋白酶活性的因素”，某生物兴趣小组设计了一个实验方案，如表所示。回答下列问题：
试管 底物和试剂 实验条件
1 蛋白质X＋4 mL蒸馏水 37 ℃水浴；pH＝7
2 蛋白质X＋4 mL胶原蛋白酶 37 ℃水浴；pH＝7
3 蛋白质X＋4 mL胶原蛋白酶 ① ；pH＝3
4 蛋白质X＋4 mL胶原蛋白酶 0 ℃水浴；pH＝ ②
(1)实验方案中①②处分别为 37 ℃水浴 、 7 。
(2)本实验的自变量是 温度、pH ，无关变量有 胶原蛋白酶的用量或浓度、蛋白质X的用量、保温时间(答出任意两点即可) (至少答出两点)。
(3)用双缩脲试剂检测上述4组实验后的溶液，溶液呈现紫色的试管有 1、2、3、4 。
(4)为便于观察记录实验现象，需对蛋白质X进行特殊处理，使其 凝固成块状(答出“呈现块状”即可) ，
实验就可以通过观察 单位时间或相同时间内蛋白块大小的变化情况(或记录蛋白块消失所需的时间，必须有“时间”这一关键词) 推断酶活性的大小。
类型三 实验设计的基本程序
实验设计程序：明确实验目的→选择实验原理→确定实验思路→设计实验步骤→预期实验结果→得出实验结论。
1.实验目的
(1)验证性实验：寻找题干信息，一般写有“验证……”，即为该实验的实验目的。
(2)探究性实验：首先分析实验的自变量和因变量。此类实验的实验目的一般书写为“探究自变量对因变量的影响”“探究自变量与因变量的关系”“探究自变量的作用”等。
[应用2](2025·山东济南摸底节选)某生物兴趣小组对粳稻、籼稻和杂交稻三种水稻品种中的H2O2酶活性进行了实验研究，实验结果如下表所示。请回答下列问题：
重金属离子及浓度H2O2酶活性(U·g－1·FW－1)水稻品种 Cd2＋ (mmol·L－1) Cu2＋ (mmol·L－1)
0 0.5 1.0 1.5 0 0.5 1.0 1.5
粳稻 80 40 38 25 80 30 25 10
籼稻 80 35 30 20 80 20 10 8
杂交稻 85 30 20 10 85 10 8 1
本实验的目的是探究 不同浓度的Cd2＋和Cu2＋对不同水稻品种中H2O2酶活性的影响 。
2.实验原理
实验原理的确认与书写：实验原理就是进行实验的理论依据，书写基本套路概括为“已知条件找变量→根据目的提结论→依据材料判结果→结论结果巧联系→组织语言写原理”。
[应用3]某科研机构发现了一种新型病毒，并对该病毒的遗传物质进行研究。请回答下列问题。
(1)可用化学分析的方法对该病毒的遗传物质种类进行研究，原理是 DNA含有的五碳糖是脱氧核糖且含碱基T，RNA含有的五碳糖是核糖且含碱基U，可以通过化学分析的方法，分析这种新型病毒遗传物质中五碳糖或含氮碱基的种类，据此判断该病毒的遗传物质是DNA还是RNA 。
(2)可以用同位素标记法研究该病毒遗传物质种类，将宿主细胞放在含某种有放射性标记的核苷酸的培养基中培养，再用该病毒侵染被标记的宿主细胞，一段时间后收集子代病毒并检测其放射性。培养基中的各种核苷酸 不是 (填“是”或“不是”)都需要标记，理由是 若对各种核苷酸都进行放射性标记，则无论该新型病毒是DNA病毒还是RNA病毒，在子代病毒中均能检测到放射性 。
3.实验假设
假设是指被用来说明某种现象，但未经证实的论题，是对课题涉及的主要变量之间相互关系的设想，是研究者对研究结果预先赋予的答案，是一种可能的解释和说明。提出的假设可能正确，也可能错误，但必须能解释题目现象或与题干相符。一般情况下，若是实验中要求写出你的假设，我们应根据自己平常积累的知识，写出认为最可能的一种假设即可。
[应用4]某校生物实验小组要对“动物细胞是否也能通过渗透作用吸水和失水”进行实验探究，假如你是其中的一员，请分析回答下列问题：
(1)实验假设是 动物细胞能通过渗透作用吸水或失水 。
(2)请你说出作出该假设的依据： 动物细胞具有发生渗透作用的条件(或细胞膜有选择透过性，当细胞与外界溶液接触时，膜两侧具有浓度差) 。
4.实验思路
思路是“想法”，是较为粗线条的思考过程，其要求“言简意赅”。比如：用某种方法处理某种材料，观察其对某方面的影响效果。一般需体现“对照思想”，显示自变量和因变量，对无关变量表述时，应注意体现“相同且适宜”。
[应用5](2021·江苏卷节选)线粒体对维持旺盛的光合作用至关重要。下图表示叶肉细胞中部分代谢途径，虚线框内表示“草酰乙酸/苹果酸穿梭”。请据图回答下列问题：
为研究线粒体对光合作用的影响，用寡霉素(电子传递链抑制剂)处理大麦，实验方法是：取培养10～14 d大麦苗，将其茎浸入添加了不同浓度寡霉素的水中，通过蒸腾作用使药物进入叶片。光照培养后，测定、计算光合放氧速率(单位为μmol O2·mg－1chl·h－1，chl为叶绿素)。请完成下表。
实验步骤的目的 简要操作过程
配制不同浓度的寡霉素丙酮溶液 寡霉素难溶于水，需先溶于丙酮，配制高浓度母液，并用丙酮稀释成不同药物浓度，用于加入水中
设置寡霉素为单一变量的对照组 ① 在水中加入相同体积的不含寡霉素的丙酮
② 减少叶片差异造成的误差 对照组和各实验组均测定多个大麦叶片
光合放氧测定 用氧电极测定叶片放氧
③ 叶绿素定量测定(或测定叶绿素的含量) 称重叶片，加乙醇研磨，定容，离心，取上清液测定
解析：设计实验要遵循单一变量原则、对照原则、等量原则等。①对照组为在水中加入相同体积的不含寡霉素的丙酮溶液。②对照组和各实验组均测定多个大麦叶片的目的是减少叶片差异造成的误差。③称重叶片，加乙醇研磨，定容，离心，取上清液测定其中叶绿素的含量。
5.实验步骤
步骤是“做法”，是更为“细节化”的操作流程，其要求“精确细致”。必须体现“自变量”如何设置，“因变量”如何获得，“无关变量”如何保证相同且适宜。实验步骤设计的一般程序：
第一步 取材、分组、编号：取材时要注意数量和生理及发育状态相同，用具要相同等，即无关变量相同且适宜，不影响实验结果
第二步 变量处理：根据单一变量原则和对照原则，对不同组分别进行变量处理，通过不同的实验结果来达到实验目的
第三步 根据需要可进一步进行相同处理：其他因素相同且在最适条件下继续处理
第四步 检测、观察、统计、比较：必须找出具体的观察和记录对象，观察、记录、统计、比较实验数据和现象
6.实验结果和结论
实验结果是通过观察或测量得到的实验现象，是实验实际出现的情况。实验结论是根据实验现象，对实验因变量与自变量关系进行分析，得出的具有普遍意义的理论性结论。实验结论的得出必须依据实验结果。归纳实验结论的一般方法：
(1)通过实验目的、实验的对照组设置或步骤，根据单一因素不同，找出实验自变量。
(2)由果找因，分析实验结果(因变量)与实验控制的单一因素(自变量)之间的逻辑关系，得出正确结论。
(3)在有些实验中，还要根据各对照组中得出的“分结论”，综合为“全面结论(总)”。
(4)在验证性实验中，因为要验证的事实是正确的，实验结果只有一种，实验结论即是实验要验证的事实。在探究性实验中，因为实验结果是未知的，可能出现的实验结果有多种，因此对应的实验结论也有多种，不同的结果对应不同的结论。
类型四 实验方案评价与修订
一看对照 ①有无对照实验 ②如果有对照，看对照设计是否合理
二看器材 ①生物学材料选择是否得当 ②实验器材选择是否合理 ③药剂选择、使用、用量是否准确
三看条件 ①是否需要搅拌、加热等 ②实验所需的温度、光照等条件是否合理
四看步骤 ①步骤的顺序是否合理 ②步骤是否完整 ③具体操作有无违反生物学基本原理
五看结果 ①实验目的是否与实验结果、结论对应 ②探究性实验结果和结论是否讨论全面 ③是否先写结果后写结论
[应用6](2025·江西抚州临川区调研)下表是某小组为探究“过氧化氢酶的活性是否受pH的影响”而设计的实验操作步骤(猪肝中含有过氧化氢酶)，请回答下列问题：
操作 步骤 操作方法 试管甲 试管乙
1 加体积分数为3％的H2O2溶液 2 mL 2 mL
2 加质量分数为5％的盐酸溶液 1 mL —
3 加质量分数为5％的氢氧化钠溶液 — 1 mL
4 加质量分数为20％的猪肝研磨液 2滴 2滴
5 观察相同时间内试管中产生的气泡数量
(1)上述操作步骤中存在明显的缺陷，请写出改进方案：
① 操作步骤1、4互换 ，
② 增加丙试管，在加入盐酸或氢氧化钠的步骤中换为加入1 mL蒸馏水，其他步骤与修正后的步骤相同 。
(2)在完成改进方案后，若实验结果为 甲、乙两试管中产生的气泡数量少，丙试管中产生大量的气泡 ，则说明过氧化氢酶的活性受pH的影响。
(3)如果本实验用出现一定气泡数量所需要的时间来表示酶的活性，那么所需的时间越长，酶的活性越 低(或弱) 。
(4)如果将本实验的自变量换成温度来探究“过氧化氢酶的活性是否受温度的影响”，你认为是否合适？ 不合适 ，原因是 过氧化氢会随温度升高分解速度加快，从而对实验结果造成干扰 。
21世纪教育网(www.21cnjy.com)(共22张PPT)
第二单元 细胞的能量供应和利用
专题研究1 实验设计专题
类型一 实验设计遵循的原则
科学性
原则 (1)选材科学性：如鉴定还原糖的实验中不能以西瓜汁为实验材料，因为 西瓜汁的红色会干扰颜色反应
(2)实验方法科学性：如使用双缩脲试剂时应先加入A液(质量浓度为0.1 g/mL的NaOH溶液)，再加入B液(质量浓度为0.01 g/mL的CuSO4溶液)
单一变量
原则和等
量原则 二者是完全统一的，只不过强调的侧重点不同，前者强调的是自变量的 单一性，即实验组和对照组相比只能有一个变量；而后者强调的是除了 自变量之外的一切对实验结果有影响的无关变量，必须严格控制在适宜 且等量条件下，以平衡和消除无关变量对实验结果的影响
平行重复
原则 为减少实验误差应进行多次实验，如探究培养液中酵母菌种群数量动态 变化的实验中，每次计数都要重复至少3次
对照原则
(为使实验
结果更有
可信度，
需设置对
照组) (1)空白对照：即对照组不做任何变量处理。如探究胰岛素的生理作用实 验中，对小鼠进行饥饿处理后，注射胰岛素的为实验组，注射等量生理 盐水的为对照组
(2)自身对照：即对照组和实验组在同一实验对象上进行，不再设置新的 对照组，如观察植物细胞质壁分离和复原的实验中，质壁分离状态与自 然状态形成对照
(3)条件对照：即给对照组施加变量处理，但这种处理不是实验假设所定 的。如探究甲状腺激素的生理作用实验中，实验组为饲喂甲状腺激素， 空白对照为饲喂等量生理盐水，可以再增加一组对照组，饲喂甲状腺激 素抑制剂，即条件对照，这样可以增加实验的说服力
对照原则
(为使实验
结果更有
可信度，
需设置对
照组) (4)相互对照：即不单独设置对照组，而是几个实验组之间相互进行对 照。如探究温度、pH对酶活性影响的实验中，各组既是实验组，又是其 他组的对照组
类型二 实验设计中的变量分析
自变量 又称实验变量，是研究者主动操纵的，即实验所探究的条件和因子，是作用于实验对象的刺激变量，坐标中横轴标识一般为自变量
因变量 又称反应变量，是随自变量变化而产生反应或发生变化的变量，应具有可测性和客观性，坐标中纵轴标识一般为因变量
无关
变量 无关变量又称干扰变量、控制变量，是指与研究目标无关，但却影响研究结果的变量，实验时一般需控制无关变量适宜且相同
提醒 自变量的处理方法
(1)对照实验要注意自变量的唯一性，因变量的可测性，无关变量的一致性。
(2)“加”或“减”：例如验证甲状腺激素的生理作用——“加”即口服或注射该激 素；“减”即手术切除甲状腺。
(3)“换”：例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。
[应用1](2025·福建厦门质检)为探究“影响胶原蛋白酶活性的因素”，某生物兴趣小组 设计了一个实验方案，如表所示。回答下列问题：
试管 底物和试剂 实验条件
1 蛋白质X＋4 mL蒸馏水 37 ℃水浴；pH＝7
2 蛋白质X＋4 mL胶原蛋白酶 37 ℃水浴；pH＝7
3 蛋白质X＋4 mL胶原蛋白酶 ① ；pH＝3
4 蛋白质X＋4 mL胶原蛋白酶 0 ℃水浴；pH＝ ②
①
②
37 ℃水浴
7
温度、pH
胶原蛋白酶的用量或浓度、蛋白质
X的用量、保温时间(答出任意两点即可)
1、2、3、
4
凝固成块状(答出
“呈现块状”即可)
单位时间或相同时间内蛋白块大小的变化情况(或记录蛋白块消
失所需的时间，必须有“时间”这一关键词)
类型三 实验设计的基本程序
实验设计程序：明确实验目的→选择实验原理→确定实验思路→设计实验步骤→预期 实验结果→得出实验结论。
1. 实验目的
(1)验证性实验：寻找题干信息，一般写有“验证……”，即为该实验的实验目的。
(2)探究性实验：首先分析实验的自变量和因变量。此类实验的实验目的一般书写为 “探究自变量对因变量的影响”“探究自变量与因变量的关系”“探究自变量的作 用”等。
[应用2](2025·山东济南摸底节选)某生物兴趣小组对粳稻、籼稻和杂交稻三种水稻品种 中的H2O2酶活性进行了实验研究，实验结果如下表所示。请回答下列问题：
重金属离子及浓度H2O2酶活性(U·g－ 1·FW－1)水稻品种 Cd2＋
(mmol·L－1) Cu2＋
(mmol·L－1)
0 0.5 1.0 1.5 0 0.5 1.0 1.5
粳稻 80 40 38 25 80 30 25 10
籼稻 80 35 30 20 80 20 10 8
杂交稻 85 30 20 10 85 10 8 1
不同浓度的Cd2＋和Cu2＋对不同水稻品种中H2O2酶活性的影
响
2. 实验原理
实验原理的确认与书写：实验原理就是进行实验的理论依据，书写基本套路概括为 “已知条件找变量→根据目的提结论→依据材料判结果→结论结果巧联系→组织语言 写原理”。
[应用3]某科研机构发现了一种新型病毒，并对该病毒的遗传物质进行研究。请回答下 列问题。
DNA含有的五碳
糖是脱氧核糖且含碱基T，RNA含有的五碳糖是核糖且含碱基U，可以通过化学分析的
方法，分析这种新型病毒遗传物质中五碳糖或含氮碱基的种类，据此判断该病毒的遗
传物质是DNA还是RNA
不是
若对各种核苷酸都进行放射性标记，则无论该新型病毒是DNA病毒
还是RNA病毒，在子代病毒中均能检测到放射性
动物细胞能通过渗透作用吸水或失水
动物细胞具有发生渗透作用的条件(或细胞膜有选择
透过性，当细胞与外界溶液接触时，膜两侧具有浓度差)
4. 实验思路
思路是“想法”，是较为粗线条的思考过程，其要求“言简意赅”。比如：用某种方 法处理某种材料，观察其对某方面的影响效果。一般需体现“对照思想”，显示自变 量和因变量，对无关变量表述时，应注意体现“相同且适宜”。
[应用5](2021·江苏卷节选)线粒体对维持旺盛的光合作用至关重要。下图表示叶肉细胞 中部分代谢途径，虚线框内表示“草酰乙酸/苹果酸穿梭”。请据图回答下列问题：
为研究线粒体对光合作用的影响，用寡霉素(电子传递链抑制剂)处理大麦，实验方法 是：取培养10～14 d大麦苗，将其茎浸入添加了不同浓度寡霉素的水中，通过蒸腾作 用使药物进入叶片。光照培养后，测定、计算光合放氧速率(单位为μmol O2·mg－ 1chl·h－1，chl为叶绿素)。请完成下表。
实验步骤的目的 简要操作过程
配制不同浓度的寡霉素丙 酮溶液 寡霉素难溶于水，需先溶于丙酮，配制高浓度母液，并用 丙酮稀释成不同药物浓度，用于加入水中
设置寡霉素为单一变量的 对照组 ① 在水中加入相同体积的不含寡霉素的丙酮
在水中加入相同体积的不含寡霉素的丙酮
实验步骤的目的 简要操作过程
② 减少叶片差异造成的 误差 对照组和各实验组均测定多个大麦叶片
光合放氧测定 用氧电极测定叶片放氧
③ 叶绿素定量测定(或 测定叶绿素的含量) 称重叶片，加乙醇研磨，定容，离心，取上清液测定
减少叶片差异造成的
误差
叶绿素定量测定(或
测定叶绿素的含量)
解析：设计实验要遵循单一变量原则、对照原则、等量原则等。①对照组为在水中加 入相同体积的不含寡霉素的丙酮溶液。②对照组和各实验组均测定多个大麦叶片的目 的是减少叶片差异造成的误差。③称重叶片，加乙醇研磨，定容，离心，取上清液测 定其中叶绿素的含量。
5. 实验步骤
步骤是“做法”，是更为“细节化”的操作流程，其要求“精确细致”。必须体现 “自变量”如何设置，“因变量”如何获得，“无关变量”如何保证相同且适宜。实 验步骤设计的一般程序：
第一步 取材、分组、编号：取材时要注意数量和生理及发育状态相同，用具要相同 等，即无关变量相同且适宜，不影响实验结果
第二步 变量处理：根据单一变量原则和对照原则，对不同组分别进行变量处理，通 过不同的实验结果来达到实验目的
第三步 根据需要可进一步进行相同处理：其他因素相同且在最适条件下继续处理
第四步 检测、观察、统计、比较：必须找出具体的观察和记录对象，观察、记录、 统计、比较实验数据和现象
6. 实验结果和结论
实验结果是通过观察或测量得到的实验现象，是实验实际出现的情况。实验结论是根 据实验现象，对实验因变量与自变量关系进行分析，得出的具有普遍意义的理论性结 论。实验结论的得出必须依据实验结果。归纳实验结论的一般方法：
(1)通过实验目的、实验的对照组设置或步骤，根据单一因素不同，找出实验自变量。
(2)由果找因，分析实验结果(因变量)与实验控制的单一因素(自变量)之间的逻辑关系， 得出正确结论。
(3)在有些实验中，还要根据各对照组中得出的“分结论”，综合为“全面结论 (总)”。
(4)在验证性实验中，因为要验证的事实是正确的，实验结果只有一种，实验结论即是 实验要验证的事实。在探究性实验中，因为实验结果是未知的，可能出现的实验结果 有多种，因此对应的实验结论也有多种，不同的结果对应不同的结论。
类型四 实验方案评价与修订
一看对照
二看器材 ①生物学材料选择是否得当
②实验器材选择是否合理
③药剂选择、使用、用量是否准确
三看条件 ①是否需要搅拌、加热等
②实验所需的温度、光照等条件是否合理
四看步骤 ①步骤的顺序是否合理
②步骤是否完整
③具体操作有无违反生物学基本原理
五看结果 ①实验目的是否与实验结果、结论对应
②探究性实验结果和结论是否讨论全面
③是否先写结果后写结论
[应用6](2025·江西抚州临川区调研)下表是某小组为探究“过氧化氢酶的活性是否受pH 的影响”而设计的实验操作步骤(猪肝中含有过氧化氢酶)，请回答下列问题：
操作步骤 操作方法 试管甲 试管乙
1 加体积分数为3％的H2O2溶液 2 mL 2 mL
2 加质量分数为5％的盐酸溶液 1 mL —
3 加质量分数为5％的氢氧化钠溶液 — 1 mL
4 加质量分数为20％的猪肝研磨液 2滴 2滴
5 观察相同时间内试管中产生的气泡数量
操作步骤1、4互换
增加丙试管，在加入盐酸或氢氧化钠的步骤中换为加入1 mL蒸馏水，其他步骤与
修正后的步骤相同
(1)上述操作步骤中存在明显的缺陷，请写出改进方案：
甲、乙两试管中产生的气泡数量少，丙试管中
产生大量的气泡
低(或弱)
不合适
过氧化氢会随温度升高分解速度加快，从而
对实验结果造成干扰
