生物實驗設(shè)計學(xué)習(xí)反思探討

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【摘要】本文簡要論述生物實驗的實驗題目，實驗原理，實驗設(shè)計的基本步驟，實驗設(shè)計的原則，實驗的結(jié)果及結(jié)論五個方面。

【關(guān)鍵詞】變量；基本步驟；科學(xué)性原則；平行復(fù)重原則；對照性原則；單因子變量原則

和等量性原則我一直對生物學(xué)科有濃厚興趣，尤其是實驗課，準(zhǔn)備實驗材料，配制藥品，準(zhǔn)備同學(xué)們的分組實驗，我總是樂在其中。現(xiàn)就將我對實驗設(shè)計中實驗題目，實驗原理，實驗設(shè)計的基本步驟，實驗設(shè)計的原則，實驗的結(jié)果及結(jié)論五個方面的學(xué)習(xí)與反思和大家一起分享。

一、實驗題目

實驗題目一般涵蓋了實驗性質(zhì)、實驗對象和實驗?zāi)康?，是對實驗最基本的描述。我們擬實驗題目和分析實驗題目可以從這幾個方面來看，例如，探究影響酶活性的因素，實驗性質(zhì)是探究實驗，實驗對象是酶，實驗?zāi)康氖怯绊懨富钚缘囊蛩?。再如，探究培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的變化：實驗性質(zhì)是探究實驗，實驗對象是酵母菌，實驗?zāi)康氖欠N群數(shù)量變化。

二、實驗原理

實驗原理包括取材的原理、操作的原理、由操作得現(xiàn)象的原理、由現(xiàn)象得結(jié)論的原理。例：檢測生物組織中的糖類脂肪和蛋白質(zhì)。實驗原理：某些化學(xué)試劑能夠使生物組織中的有關(guān)有機物產(chǎn)生特定的顏色反應(yīng)，糖類中的還原糖（如葡萄糖、果糖）與斐林試劑發(fā)生作用，生成磚紅色沉淀；脂肪可以被蘇丹Ⅲ染成橘黃色（或被蘇丹Ⅳ染成紅色）；淀粉遇碘變成藍色；蛋白質(zhì)與雙縮脲試劑發(fā)生作用，產(chǎn)生紫色反應(yīng)。這里包含著操作的原理，由現(xiàn)象得結(jié)論的原理。例：用高倍鏡觀察葉綠體和線粒體。實驗原理：葉肉細胞中的葉綠體散布于細胞質(zhì)中，呈綠色、扁平的橢球形或球形。線粒體普遍存在于植物細胞和動物細胞中，線粒體的形態(tài)多樣，有短棒狀、圓球狀、線形、啞鈴形。其中，包括了取材的原理，操作中觀察的原理。我們寫實驗原理也要包括這幾個方面。

三、實驗設(shè)計的基本步驟

高中階段設(shè)計對照性實驗較多，我將對照性實驗操作的基本步驟歸納為三步：1.取材分組編號（也有的需要進行預(yù)處理）；2.引入變量；3.相同且適宜條件下培養(yǎng)觀察記錄。例：蘿卜的生長發(fā)育過程受多種激素的共同調(diào)節(jié)，其中細胞分裂素起著重要作用。①細胞分裂素主要存在于正在進行細胞分裂的部位，其主要生理功能是促進_________和_____________。②研究還發(fā)現(xiàn)，氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)可以向細胞分裂素濃度高的部位移動。為驗證這一結(jié)論，有人設(shè)計了下列實驗方案。請根據(jù)提供的實驗材料和用具，將實驗步驟補充完整并預(yù)測實驗結(jié)果。材料用具：生長狀況相同的蘿卜成熟葉片若干，適宜濃度的細胞分裂素溶液，含14C標(biāo)記氨基酸的溶液（氨基酸可被葉片吸收并在葉片內(nèi)移動），蒸餾水，棉簽，檢測放射性強度的設(shè)備等。實驗步驟：第一步：取生長狀況相同的蘿卜成熟葉片若干，在葉片左半葉某一部位涂抹含14C標(biāo)記氨基酸的溶液（如圖所示）。將葉片均分為兩組，編號為a、b。第二步：在a組葉片右半葉某一部位涂抹_______。在b組葉片的相應(yīng)部位涂抹_______，作對照組。第三步：在相同條件下放置一段時間后，檢測兩組葉片的放射性強度。實驗結(jié)果：a組葉片涂抹細胞分裂素部位的放射性強度________（“低于”或“高于”或“等于”）b組葉片涂抹蒸餾水部位的放射性強度。參考答案①細胞分裂組織分化②適宜濃度的細胞分裂素（2分）等量的蒸餾水（不寫“等量”得0分）高于上例屬于典型的實驗設(shè)計題目，考查學(xué)生的實驗設(shè)計與探究能力，題干中的信息對于解題非常關(guān)鍵，學(xué)會尋找變量，設(shè)置對照，這個題目中的變量就是細胞分裂素；氨基酸等物質(zhì)可以向細胞分裂素濃度高的地方移動，因此對照中的兩組分別為：一組為適宜濃度的細胞分裂素溶液，另一組為蒸餾水，一段時間后，再用設(shè)備檢測放射性的高低，這樣就可驗證這一假設(shè)。因此步驟就在頭腦中形成了一個大致的模式，即：第一步取材等量處理，分組編號，第二步“在a組葉片右半葉某一部位涂抹_____________________。在b組葉片的相應(yīng)部位涂抹__________________，作對照組。”為引入變量，第三步相同且適宜條件下培養(yǎng)觀察記錄。同時答案中“等量的蒸餾水（不寫‘等量’得0分）”提醒我們填寫實驗步驟時要注意實驗設(shè)計的原則“等量原則”。下面歸納一下實驗設(shè)計的原則。

四、實驗設(shè)計的原則

1.科學(xué)性原則：所謂科學(xué)性，是指實驗?zāi)康囊鞔_，實驗原理要正確，實驗材料和實驗手段的選擇要恰當(dāng)，整個設(shè)計思路和實驗方法的確定都不能偏離生物學(xué)基本知識和基本原理以及其他學(xué)科領(lǐng)域的基本原則。分析問題、設(shè)計實驗的全面性和科學(xué)性體現(xiàn)了邏輯思維的嚴密性?？茖W(xué)性原則：包括實驗原理的科學(xué)性、實驗材料選擇的科學(xué)性、實驗方法的科學(xué)性、實驗結(jié)果處理的科學(xué)性。2.平行復(fù)重原則：即控制某種因素的變化幅度，在同樣條件下重復(fù)實驗，觀察其對實驗結(jié)果影響的程度。任何實驗都必須能夠重復(fù)，這是具有科學(xué)性的標(biāo)志。任何實驗必須有足夠?qū)嶒灤螖?shù)，才能避免結(jié)果的偶然性，使得出的結(jié)論準(zhǔn)確、科學(xué)。平衡重復(fù)原則要求控制某種因素的變化強度，在同樣條件下重復(fù)實驗，觀察其對實驗結(jié)果的影響程度。由以上實驗設(shè)計的特點來看，采用了平行重復(fù)的原則來進行，消除了無關(guān)變量與額外變量的干擾，可多次重復(fù)該實驗，使得實驗結(jié)果更加客觀、科學(xué)。3.對照性原則：科學(xué)、合理的設(shè)置對照可以使實驗方案簡潔、明了，且使實驗結(jié)論更有說服力。實驗中的無關(guān)變量很多（同一種實驗結(jié)果可能會被多種不同的實驗因素所引起），必須嚴格控制，要平衡和消除無關(guān)變量對實驗結(jié)果的影響，對照實驗的設(shè)計是消除無關(guān)變量影響的有效方法。設(shè)置對照組有4種方法：白對照：即不給對照組做任何處理。例：在“唾液淀粉酶催化淀粉水解”的實驗中，實驗組滴加了唾液淀粉酶液，而對照組只加了等量的蒸餾水，起空白對照。②條件對照：即雖給對照組施以部分實驗因素，但不是所研究的實驗處理因素。這種對照方法是指不論實驗組還是對照組的對象都作不同條件的處理，目的是通過得出兩種相對立的結(jié)論，以驗證實驗結(jié)論的正確性。例：艾佛里的肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗中，用DNA酶處理從S型肺炎雙球提取的DNA，加入到培養(yǎng)了R型肺炎雙球菌的培養(yǎng)基中，這組處理就是條件對照。③自身對照：指對照組和實驗組都在同一研究對象上進行，不再另外設(shè)置對照組。例：“質(zhì)壁分離與復(fù)原”實驗。自身對照簡便，但關(guān)鍵要看清楚實驗處理前后的現(xiàn)象及變化差異。④相互對照（對比）：不單獨設(shè)置對照組，而是幾個實驗相互為對照。即實驗與對照在同一對象上進行。這種方法常用于對比實驗中。例：“植物向光性”實驗中，利用若干組燕麥胚芽的不同條件處理的實驗組之間的對照，說明了生長素與植物生長彎曲的關(guān)系?！疤骄拷湍妇毎暮粑绞健睂嶒炛校醒鹾蜔o氧條件就是相互對照。4.單因子變量原則和等量性原則。所謂單因子變量原則，強調(diào)的是實驗組和對照組相比只能有一個變量，只有這樣當(dāng)實驗組和對照組出現(xiàn)不同結(jié)果時，才能確定造成這種不同結(jié)果的原因肯定是這個變量造成的，從而證明實驗組所給實驗因素的作用，因此在設(shè)計對照組實驗時首先要確定變量并加以正確設(shè)置，所要驗證的中心條件即為變量。例：驗證光合作用需要光則應(yīng)將光作為變量；要驗證光合作用需二氧化碳則把二氧化碳作為變量等等。等量性原則與單因子變量原則是完全統(tǒng)一的。只不過強調(diào)的側(cè)面不同，單因子變量原則強調(diào)的是實驗變量的單一性，而等量性原則強調(diào)的是除了實驗變量之外的一切對實驗結(jié)果有影響的無關(guān)變量必須嚴格控制等量即相同，以平衡和消除無關(guān)變量對結(jié)果的影響，需要強調(diào)的是這些無關(guān)變量在進行嚴格控制時，不但要等量，而且是在適宜條件下的等量，常態(tài)條件下的等量。例：探索PH對酶活性影響的實驗中，單一變量是PH，除PH之外的其他一切對酶活性有影響的無關(guān)變量不但要嚴格控制等量，而且要適宜的量，如對溫度的控制不但要相同，而且要適宜，即要給予酶活性所需的適宜的溫度，而不能控制在低溫或高溫條件下的等量。五、實驗結(jié)果及結(jié)論1.語言描述。如果是探究性實驗，則應(yīng)是如果出現(xiàn)何現(xiàn)象，那么結(jié)果是什么，我們用如果……那么說明……的句式描述。例：“魯賓和卡門探究氧氣來自水還是二氧化碳”用同位素標(biāo)記法探究，A組向植物提供H2O18和CO2，B組向植物提供H2O和CO218。結(jié)果可以表述為；如果A組產(chǎn)生的O2有放射性，B組產(chǎn)生的O2沒有放射性，那么說明O2只來自H2O；如果A組產(chǎn)生的O2沒有放射性，B組產(chǎn)生的O2有放射性，那么說明O2只來自CO2；如果A組產(chǎn)生的O2有放射性，B組產(chǎn)生的O2也有放射性，那么說明O2來自CO2和H2O。用曲線表示需注意，要有標(biāo)題，橫縱坐標(biāo)的數(shù)值，自變量及因變量，還要有單位，如果有多條曲線還要有圖例。這是在學(xué)習(xí)過程中理解的實驗設(shè)計相關(guān)知識，學(xué)完后學(xué)生們注意反思總結(jié)歸納，所學(xué)知識就得到了內(nèi)化和提升。一定會有不完善的和值得商榷的地方，再繼續(xù)學(xué)習(xí)。

【參考文獻】

[1]普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書【生物-分子與細胞】人民教育出版社

[2]普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書【生物-遺傳與進化】人民教育出版社

[3]普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書【生物-穩(wěn)態(tài)】人民教育出版社

[4]河北衡水中學(xué)生物自助餐.衡水中學(xué)生物教研室.

作者:孫與涵 單位:河北省衡水中學(xué)