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生物实验设计的理论和方法 2009.4 西青教研室 吴亚男生物学作为一门以实验为基础的自然科学，实验是获取生物学知识的重要手段，是科学研究过程的重要环节。生物课程标准中在能力目标上是这样表述的：初步学会生物科学探究的一般方法，发展学生提出问题、作出假设、制定计划、实施计划、得出结论、表达和交流的科学探究能力。在科学探究中发展合作能力、实践能力和创新能力。 在初中生物教材中，就科学探究的一般过程提出了这样的程序：提出问题作出假设 制订计划 实施计划 得出结论 表达和交流。下面我们就科学探究的一般程序作出进一步的说明。一、生物实验程序1.观察，提出问题 在观察基础上提出有意义的值得探讨的问题。我们在七年级做的第一个调查就是“调查我们身边的生物”，不知老师们有没有尝试着在学生观察（调查）结束后让学生提出问题呢？什么样的问题才是有意义的、值得探讨的问题？对于初中学生来说，可以从三个方面去评价：（1）问题的科学性：面对同一个事物，不同的人可能会从不同的角度提出不同的问题。比如：（展示图片树，问你面对这棵大树想知道什么问题吗？这就是你所提出的或探究的问题）面对一棵枝叶繁茂的松树，科学家可能会问它的分类地位、树龄、虫害等问题；诗人可能感叹它历经多少风霜，对完善人格有哪些启迪；商人可能关心它作为木材值多少钱。前者是科学问题，后二者则不是。科学课以探讨科学问题为主，其他问题也不能一概排斥。（2）问题的探究价值：主要看提问题时调动已有知识和惊讶的广度和深度。比如（示图探究花生果实大小的变异），关于花生果实大小的变异，“大花生的果实中有个小的吗？”这一问题就比较简单；“把大花生的种子种到贫瘠的土壤里，结出的果实会怎样呢？把小花生的种子种到肥沃的土壤里，结出的果实又会怎样呢?”这一问题就有一定的深度了，它调动了学生关于性状与遗传、变异和环境关系的知识。探究的价值更高。此外，提出有探究价值的问题，往往还需要丰富的联想和想象，从学生想象空间的广阔程度来评价问题的价值也是重要的。（3）问题的明确具体：举例说明一下-比如你明天要擦车，关心明天会不会下雨。你可能会问：“明天天气怎样？”别人不知道你具体指什么，可能会回答：天气预报说明天有五级风；或明天是20度。你还得问：“下不下雨呢？”人家才知道你想问的到底是什么。在举一个生物的例子。在学习水中生活的动物一节时，如果提出问题探究“鲫鱼的外部形态中有哪些特点与其水生生活相适应”，问题就明确，但是如果说“鲫鱼的外部形态有哪些特点”时，可能答案就会多种多样了。可见从产生疑问到提出问题，有时还需要进行深入思考的。2.作出假设：假设：也称假说或猜测，只用来说明某种现象但未经证实的论题，也就是对所提出的问题所作出的参考答案。假设一般分为2个步骤：第一步：提出假设，即依据发现的事实材料或以知科学原理，通过创造性的思维，提出初步假定。第二步：作出预测推断，依据提出的假说，进行推理得出假定性结论。例如：细菌学家弗莱明发现抗生素的过程中，发现了问题：培养基的其余部分都布满了葡萄球菌的菌落，只有青霉菌菌落的周围没有葡萄球菌的菌落。这是为什么呢？他作出的假设：青霉能够产生一种杀死或抑制葡萄球菌生长的物质。他作出预测：在放入了青霉菌的培养液能阻止细菌的生长和繁殖。3.制定计划、实施计划（设计并完成实验）：实验是完成假设和解决问题的最终途径。当确定了实验课题、建立了假设，实际上已进入了实验方案制定的程序。实验方案设计可以包括两个层面：一个是确定实验目的和实验原理，这是实验设计的“隐性”部分，另一层面是实验过程的设计和预期实验结果。实验过程的设计是依据实验目的和实验原理设计的实验操作过程，包括实验材料和实验手段的选择、实验方法步骤的安排、反应变量的确定与控制、实验现象与结果的纪录等。这是实验设计的“显性”部分。实验目的和实验原理虽然是抽象的，不可见的，但在具体的生物学实验中，对可操作部分起着重要的指导作用。实验过程设计是实验设计的中心环节，因为只有通过实验过程的设计和实施，才能修订和验证假设，获得合理的结论，实现实验目的要求。4.分析数据，得出结论：观察实验目的在于获取验证性的结果，所以在实验中要客观如实地观察、记录实验现象，得出实验结果，并通过一定方式将实验结果呈现出来。据此论证、说明实验中的自变量与因变量的因果关系，进而得出实验结论。如果所获取的结果与假设相符，则肯定假设；如果结果与假设不相符，则否定假设；如果结果与假设无关，则无从判断，可另做假设。实验过程必须客观、真实。5.表达和交流：写出实验报告二、 生物实验设计中要注意的几个问题 （一）变量问题：在实验设计中我们首先要分清这样的几组概念： 在实验过程中，变量是指可被操纵的特定因素或条件。据其在实验中的作用，可分为两类：(1)实验变量与反应变量实验变量，也称为自变量，指实验中由实验者操纵的因素或条件。反应变量，亦称因变量，指实验中由于实验变量引起的变化和结果。通常实验变量是原因，反应变量是结果，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。例如：在探究光对鼠妇生活的影响的实验中，所给定的光亮、黑暗条件是实验变量，而由于光的变化而引起反应结果（鼠妇数量）的变化，鼠妇数量就是反应变量。(2)无关变量与额外变量无关变量也称控制变量，指实验中除实验变量外的影响实验现象和实验结果的因素或条件。额外变量也称干扰变量，指实验中由于无关变量引起的变化和结果。显然额外变量会对反应变量起干扰作用。如：上述实验中，除实验变量以外， 土壤的干湿程度、温度等都属于无关变量，如果无关变量的任何一个或几个因素或条件，对 实验组的给定不等同、不均衡、不稳定，则会对实验结果造成干扰，产生误差。在实验设计和操作中，要尽量控制无关变量，这样就会避免实验结果的差异是由于无关变量引起的可能性，便于清晰地研究实验变量与反应变量的关系。科学实验应先确定实验变量，注意反应变量，尽量控制无关变量。（二）实验设计的原则1.科学性原则所谓科学性原则，是指实验的原理要符合科学原理，实验结果的预期有科学依据，实验的各个环节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。科学性原则具有两个方面的含义。首先，必须保证实验的设计不出现科学性错误；其次，实验设计要具有科学思想和科学方法的因素。具体地说，科学性原则体现在以下几个方面：实验原理的科学性 实验原理是实验设计的依据，也是用来检验和修正实验过程中失误的依据，因此它必须经前人总结或经科学检验得出的科学理论。如：甲状腺激素促进蝌蚪生长发育的实验实验原理：甲状腺激素促进生物生长发育；检验种子成分中是否含有淀粉的实验实验原理：碘遇淀粉变蓝。实验材料选择的科学性根据实验目的和实验原理选择恰当的实验材料，是保证实验获得预期结果的关键因素之一。例如：“叶绿体是光合作用的场所”实验，选用银边天竺葵做实验材料，绿色部分含有叶绿体，白边不含有叶绿体，选材就很巧妙，“验证种子中含有蛋白质、脂肪、淀粉”的实验中，选用不同的种子（大豆、花生、玉米），这些实验材料，取材方便，效果显著，再加上科学的方法，就可以顺利达到实验目的。“植物细胞的质壁分离和复原实验”选用紫色洋葱作为实验材料是经典的成功选材的范例。实验方法的科学性只有科学的实验方法，才能得出正确而可靠的实验结果。例如，探究二氧化碳是光合作用的原料的实验，（1）将植物暗处理一昼夜 （2）按下图装置处理实验材料，玻璃钟罩塑料袋NaOH溶液蒸馏水玻璃板a装置b装置凡士林分析此图中如何体现实验的科学性的？在实验中，暗处理、NaOH、凡士林、塑料、玻璃钟罩等设计都体现出了实验的科学性。实验结果的科学性 这是指对于实验得出的结论不能简单对待，而应该首先记录，然后整理，最后再经过仔细分析，找出它们所能透露给我们的最大的信息量。如探究种子萌发的实验中，设置了三组对照实验，并将结果进行总结、归纳，得出结论，适量的水分、空气、适宜的温度是种子萌发的条件。三者缺一不可。2.平行重复原则 任何实验必须有足够的实验次数，才能避免结果的偶然性，使得出的结论准确、科学。平行重复原则要求控制某种因素的变化强度，观察其对实验结果的影响程度。例如：探究酒精对水蚤心率的影响的实验，将不同体积分数的酒精刺激水蚤，实验次数酒精溶液浓度水蚤的心率15%210%315%420%讨论：酒精对水蚤的心率有什么影响？哪种体积分数的酒精对水蚤有致死作用？3.单一变量原则 该原则可使实验中的复杂关系简单化，使结果更准确。其含义是： 不论一个实验有几个实验变量，都应做到一个变量对应观测一个反应变量。实验中要尽可能避免无关变量及额外变量的干扰。如：某兴趣小组为了研究阳光对大豆发芽的影响，而在两个花盆里种了大豆，并设计如下实验： 花盆 阳光 温度 水 I 光照 20 充足 暗室 20 不充足在这一实验设计中，应该改正的错误是( ) A.两个花盆应该放在向阳的地方 B.两个花盆都应放在暗处 C.两个花盆的温度不应该一样高 D.两个花盆都应该浇给充足的水 这个实验要研究的是阳光对大豆发芽的影响，因此阳光应该为自变量。根据单因子变量的原则，其他因素都应相同，两花盆该浇给同样充足的水，这样既保证了单一变量，又使大豆不会因为缺水而影响发芽。而如果两个花盆都浇水不足，两个花盆中的大豆就会因为缺水而使发芽不良，也会导致实验的失败。因此，在考虑单因子变量原则时，还应尽量使常量能够满足实验成功的条件。4.对照原则（实验中对照组和实验组的判断） 对照原则是中学实验中最常用的原则，如探究馒头在口腔中的变化、探究光对鼠妇生活的影响、探究种子萌发的条件等实验都采用了对照。通过设置对照实验，既可排除无关变量的干扰，又可增加实验结果的可信度和说服力。在一个对照实验中，可包括实验组和对照组。实验组是接受自变量处理的对象组，对照组是不接受自变量的处理的对象组。空白对照“空白对照” 通常对照组为不作任何处理的对象组。如七年级下册P31“证明唾液淀粉酶的作用”的实验中，每支试管都加入馒头碎屑，第一支试管注入2毫升唾液，第二支试管注入2毫升清水，不作任何处理作为对照，这样，第一支试管作为实验组，第二支为对照，而且是典型的空白对照，空白对照能明白地对比和衬托出实验组的变化和结果，增强说服力。自身对照实验与对照在同一对象上或同一研究对象的不同部位进行对照，不另设对照组。如 “绿叶在光下制造有机物”实验中，一半遮光一半曝光处理，证明光合作用需要光照，遮光的为对照组，曝光的为实验组。探究根的什么部位生长最快实验也是。如“观察植物细胞质壁分离和复原”实验，既是典型的自身对照实验处理前的对象状况为对照组，实验处理后的对象变化为实验组。条件对照“条件对照”是研究在不同条件下实验现象，从严格意义上讲各组都是实验组，而各组之间则是相互对比参照，互为对照组或实验组。通常是给实验组某种处理，给对照组另一条件的处理。如 练习“探究草履虫的应激性”实验中，两滴培养液边缘分别加入一粒食盐和一滴肉汁，作不同的条件对照；再如在“验证甲状腺激素促进幼小动物发育”的实验中，存在以下实验组和对照组。 甲组：饲喂甲状腺激素(实验组) 乙组：饲喂甲状腺激素抑制剂(条件对照组)丙组：对蝌蚪不作任何处理(空白对照)显然，乙组作为条件对照，该实验既设置了条件对照，又设置了空白对照，通过比较、对照更能充分说明实验变量-甲状腺激素能促进蚯蚓的生长发育。相互对照指不另设对照组，而是利用几个实验组相互对照。如 “探究种子萌发的环境条件”的实验中，用不同的湿度（或温度等）分别处理作为相互对照。 那么具有种子萌发适宜条件的一组就成为了对照组。例如： 如七年级上册课后练习“探究草履虫的应激性”实验中，两滴培养液边缘分别加入一粒食盐和一滴肉汁，作不同的条件对照。给实验组某种处理，给对照组另一条件的处理。食盐和肉汁都为实验组，又互为对照组。练习题：1. 甲、乙两同学对光合作用所需的条件分别进行了如下探究：（1） 甲同学将盆栽的天竺葵进行24小时暗处理（即放到黑暗处一昼夜）；乙同学对盆栽的带银边的天竺葵不进行暗处理。（2） 甲、乙两同学将各自盆栽的天竺葵移到阳光下照射。（3） 几小时后，甲、乙两同学各自从自己盆栽的天竺葵上摘下叶片。（4） 甲、乙两同学把各自摘下的叶片放入盛有酒精的两个小烧杯里隔水加热1015分钟（甲摘取的叶片放入A烧杯，乙摘取的叶片放入B烧杯）（5） 二者都用清水漂洗叶片，然后再把各自摘取的叶片放到两个培养皿里（甲摘取的叶片放入A培养皿，乙摘取的叶片放入B培养皿），向叶片滴加碘液。（6） 稍停片刻，再用清水冲掉碘液。实验现象：乙摘取的叶片除银边不变蓝外，其余部分都变蓝；甲摘取的叶片全部变成蓝色。请回答：（1）甲、乙两同学分别对光合作用所需的 光、叶绿体 条件进行了探究（2）实验结论： 光合作用需要光和叶绿体，产物是淀粉 （3）你认为甲、乙两同学所得到的实验结论可靠吗？并说明理由（对实验结论不可靠的进行说明）甲不可靠乙可靠；甲将整个叶片放在阳光下照射，缺乏对照实验 （4）如果让你做该实验，提出你的改进意见甲用黑纸片把叶片的一部分从上下两面遮盖起来然后移到阳光下照射。 2.为了探究“种子萌发是否需要从外界吸收营养物质”，某同学设计了如下实验：在A、B两只烧杯中装入适量的土壤，各种上一粒小麦种子，然后定期在A烧杯中浇清水，在B烧杯中浇配置的完全培养液，观察两只烧杯中种子的萌发情况。（1） 本实验的变量是 溶解在水中的营养物质的有无 （2） 你认为该同学设计的A、B两组实验能起到对照作用吗？为什么？ 不能。原因是土壤溶液中含有一定量的无机盐和有机养料，不应该选择土壤介质 清水中含有少量的无机盐，应选择蒸馏水 各放上一粒种子不合适，因为种子的发芽率很难达到100%，可能因为种子自身的原因而不能萌发，导致实验失败（3）如果你认为该实验方案还可以改进，请你提出你的改进意见 烧杯中各种10粒种子，改清水为蒸馏水，不需要土壤条件，可在培养液中垫纱布。四、探究实验（学习）中的正确表达1.提出问题的正确表达提出的问题要避免所答非所问，首先保证问者能够正确使用疑问代词，这就从问者的角度杜绝了他人的回答不是自己想要知道的问题。（1） 正确使用疑问代词要提出一个可探究的问题，常用的疑问代词有三个：为什么、怎么样以及是什么。“为什么”这类问题是要求对某事物进行解释。例如：植物的叶片为什么在中午时会出现萎蔫现象？在消化系统中，小肠为什么是最长的？家兔为什么有非常发达的盲肠？等等。“是什么”（或什么是、何为等）这类问题是关于研究对象识别与判断的。例如：盲肠是什么或者什么是盲肠？什么是遗传基因或者是遗传基因是什么？等等。“怎么样”（或者如何、多么等）这类问题是询问研究对象的状态及转化过程的。例如：细胞的结构是怎样的？在生物体内物质和能量是怎样相互转化的？眼的结构到底有多么复杂？等等。（2）回避“是不是”、“能不能”、“可不可以”等疑问词常出现在入场的问题之中。2.作出假设的正确表达作出假设和回答问题是两个截然不同的概念，因此也有着不同的表达方式。作出假设就是“预测所要探究问题的答案或者结论”。通常在表达的时候要注意：（1）用陈述句表示假设，如：适宜的