中学实验设计的原则和基本方法.doc

中学实验设计的原则和基本方法1、实验设计的原则（1）对照性原则：只有比较才能看出差异，只有通过对照才能验证我们的推论，因此，在实验设计中，一般都要设置对照组。设置对照的目的通常有两种情况，一种是为了说明问题，验证推论；另一种是为了消除或减少实验误差。通过干预或控制研究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。设置对照组有3种方法：空白对照：即不给对照组做任何处理，或虽给对照组施以部分实验因素，但不是所研究的实验处理因素；如要验证甲状腺激素的作用，则对照组动物不做任何处理，让其自然生长，而对照组饲喂甲状腺激素制剂或甲状腺抑制剂，以观察甲状腺激素的作用；自身对照：指实验组和对照组都在同一实验对象上进行。如观察植物细胞的质壁分离和复原实验中，对照组即正常的洋葱表皮细胞和实验组即质壁分离和复原的细胞是同一组细胞，是典型的自身对照实验。相互对照：不单独设置对照组，而是几个实验相互为对照。如“比较过氧化氢酶和Fe3+催化效率”实验中，分别用过氧化氢酶和Fe3+去催化过氧化氢分解，进行相互对照，以得出酶的高效性结论等。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。如探索光对种子萌发的影响中，实验组不给光照，对照组给予光照，其他的如空气、水分、温度都要适宜且相同。（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。这样做是由于：可以消除或减少系统误差，使显著性测验有意义；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，即控制某种因素的变化幅度，在同样条件下重复实验，观察其对实验结果影响的程度。任何实验都必须能够重复，这是具有科学性的标志。如果重复实验结果不一样，则不能得出结论，只能是偶然的结果。（4）单因子变量原则：单因子变量原则上指实验组和对照组的处理只能有一项条件不同，其他条件都应相同。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。除了整个实验过程中欲处理的实验因素外，其他实验条件要求做到前后一致。例如：在验证酶是催化剂的实验中，A试管加入淀粉酶，在对照试管（B试管）中应加入等量的清水；观察温度对酶的影响时，各组其他条件一样，只有温度不同。观察pH对酶的影响时，各试管只能是pH不同，其他如温度、酶、反应物的量等必须相同。（5）平衡和消除额外变量原则例如：BTB溶液在中性条件下呈绿色，酸性条件下呈黄色，碱性条件下呈蓝色。现有水草、试管、绿色BTB溶液、黑纸等实验材料和用具，试设计实验证明光合作用需要光。（6）科学性原则例如：以CO2为指标，设计并测定植物呼吸速率的实验（1）为什么要遮光？消除绿色植物光合作用吸收CO2对实验的干扰。（2）Ca（OH）2溶液的应用：前者是检验空气中CO2是否完全被NaOH吸收；后者是检验植物是否进行了呼吸作用，并可对生成物作干燥处理后进行定量分析。（7）可行性原则设计步骤简单方便，材料易获取，条件易控制，又能说明问题。例如：验证酶专一性的实验中，用唾液淀粉酶（或商店售的淀粉酶），而不用胰淀粉酶或肠淀粉酶（不易获得）（8）要注意实验材料的理化特性实验材料选择不当，将直接干扰实验结果。例如：探索“温度对酶活性影响”的实验，可选用淀粉做实验材料，因高温和低温对淀粉这种实验材料影响较小，而对唾液淀粉酶的影响较大，所以该实验可验证温度对酶活性的影响。如果该为H2O2做实验材料，则温度对其分解影响很大，温度变化既可直接干扰实验结果，也可通过酶影响实验结果。（9）实验设计应注意严整性设计对照实验要便于实验前后对比或组间对比，得出明确可信的结论。例如：在“验证钙离子在血液凝固中的作用”的实验中，需作两次对照才能得出确切结论：第一次：现象：A不凝固，B凝固原因：A中草酸钙溶液能与血液中的Ca2+发生反应，形成草酸钙沉淀，起抗凝作用。初步结论：A管血液不凝固是由于血液中缺Ca2+第二次：在A、B两试管中加等量的CaCl2溶液现象：A凝固，B凝固原因：加入了Ca2+确切结论：血液凝固必须有Ca2+参加。2、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，要用到生物学上什么原理。（3）确定实验思路：就是根据原理对实验做出假设，并对可能产生的现象做出预测，并充分利用实验材料设计实验思路。（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；二是除非题目条件允许，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：根据实验观察的现象和记录的数据，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。综合性、设计性实验教学大纲实验教学改革是教学改革的重要组成部分，综合性、设计性实验是优化和整合实验教学内容的重要途径。为进一步深化实验教学改革，提高实验教学质量，增强学生综合分析能力、实验动手能力、数据处理及查阅资料能力，培养学生的创新能力、团队协作能力、组织管理能力，促进综合性、设计性实验的开设，特制定该教学大纲。一、综合性、设计性实验的界定1、综合性实验综合性实验是指实验内容涉及本课程的综合知识或与本课程相关的课程知识的实验。一般而言，综合性实验的综合特征应体现在以下几个方面：（1）实验内容的复合性：实验内容的复合性是综合性实验的重要特征，旨在培养学生知识的综合能力和综合知识的应用能力。对基础课而言，实验内容一般为涉及本课程的知识综合或系列课程知识综合，而专业课则常常涉及相关课程或多门课程的综合知识。具体能将一门课程中二个及以上的知识点有机结合，或者属于二门及以上课程的知识点有机结合的实验被认作综合性实验。（2）实验方法的多元性：即综合运用两种或两种以上的基本实验方法完成同一个实验，培养学生运用不同的思维方式和不同的实验原理综合分析问题、解决问题、掌握不同的实验方法，这样的实验即综合性实验。（3）实验手段的多样性：综合运用两种或两种以上的实验手段完成同一个实验，培养学生从不同的角度，通过不同的手段分析问题、解决问题、掌握不同的实验技能，这样的实验同样是综合性实验。综合性实验可以在一门课程的一个循环之后开设，也可以在几门课程之后安排一次有一定规模的时间较长的实验。2、设计性实验设计性实验是指给定实验目的要求和实验条件，由学生自行设计实验方案并加以实现的实验。设计性实验由学生确定实验方案，选择实验仪器，设计实验步骤，并独立完成规定内容的实验。设计性实验可以采取如下形式：（1）教师给定题目和方案，学生自定实验步骤、自选(或自行设计、制作)仪器设备并独立完成；（2）教师给定题目，学生自定整个实验方案，独立完成实验；（3）学生自定题目，并独立完成从查阅资料、拟定实验方案到完成实验的全过程。独立设课的设计性实验可以是学生单人、也可以由学生组成小组或团队协同合作完成。小组或团队协同完成时，应由指导教师明确其在小组或团队内的分工，尽量使每个学生受到全面的训练。二、综合性、设计性实验的实施综合性、设计性实验的实施一般按学院现有规定和制度进行。但实际实施时，应注意综合性、设计性实验与一般实验特点的不同。（1）学生预习、准备和制定设计性实验的实验方案综合性、设计性实验给学生的发挥与创新留下了比较广阔的空间，但与此相适应，学生有许多准备工作应在实验之前的课余完成。学生课前预习、准备的情况将极大地影响实验教学效果，甚至关系到实验能否顺利进行。设计性实验应适当提前向学生布置任务。学生应根据实验任务，查阅资料，进行理论分析和研究，确定实验方案，或根据规定的实验方案，确定实验步骤。相关实验室应当为学生了解实验室现有的仪器设备情况创造条件。学生拟定的设计性实验的实验方案或实验步骤，以统一的格式，写成书面方案（或实验步骤），其内容应包括文献查阅（综述）、理论分析或研究、实验方案（目的、设备、方法、步骤等）。书面方案（或实验步骤）应经过指导教师审查同意。指导教师在审查学生拟定的设计性实验的实验方案（或实验步骤）时，如有必要应会同相关学科的教师或实验室教师共同讨论其可行性和安全性，甚至由实验室组织试做。（2）实验和实验中的指导为了适应学生活跃的思维，不同的思路，正式实验前实验室应当尽量预备较多的设备及器件。在学生准备实验的过程中指导教师可与学生一起讨论或作必要的辅导。在实验过程中指导教师应该避免手把手教的指导方式，多让学生自己动手。但指导教师应密切关注学生的实验过程，对于思路太偏的学生可以适当点拨，着重引导学生如何将所学的知识和技能用来解决实验中遇到的各种问题。要多用启发式教学，而不要对学生的操作干涉过多，应注重最后的实验结果及对结果的讨论。（3）实验报告指导学生写出高质量的实验报告是综合性、设计性实验重要的环节。要求学生从实验方法的建立、实验步骤的设计、实验设备的选择、实验数据的处理