例谈生物对照实验

1、例谈生物对照实验余裕浪(福建省永定县坎市中学 364102【摘 要】 对照实验在高中生物实验中占有重要的地位,本文论述了对照实验的结构,对照的常 见方法、对照实验的设计和解答方略。【关键词】 生物学教学 对照实验 变量对照性原则是生物实验必须遵循的一个原则,对照实验法在科学探究中占有重要的地 位。因此,在高中生物教学中必须让学生透彻理解对照实验的理论和掌握对照的方法。 一、什么是对照实验如果两组(或两组以上实验中,除了一个因素不同外,其余因素都保持相同,那么 这两组(或两组以上实验称为对照实验。简单的说就是指除所控因素外其他条件与被对 照实验完全对等的实验。二、对照实验的构成对照实验通常分为实

2、验组和对照组。实验组是指接受实验变量处理的对象组。对照组 也称控制组,指对实验假设而言,不接受实验变量处理的对象组。对照组和实验组要依据 研究的问题和做出的假设来决定,有时候研究的问题和作出的假设改变了,对照组和实验 组可能会发生对换。一般来说,保持原有状态的组作为对照组,人为改变条件的组作为实 验组;或者是,已知实验结果的组作为对照组,未知实验结果的组作为实验组。三、对照实验的目的和作用对照的目的在于平衡无关变量对实验结果的影响。由于同一种实验结果可能会被多钟 不同的实验因素所引起, 因此如果没有严格的对照实验, 即使出现了某种预想的实验结果, 也很难保证该实验结果是由某因素所引起的,这样就

3、使得所设计的实验缺乏应有的说服 力。只有设置对照实验,才能有效地排除其他因素干扰结果的可能性,才能使设计显得比 较严密, 所以大多数实验, 尤其是生理类实验往往都要有相应的对照实验。 在对照实验中, 通过对照组的设置,可以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 因素同非处理因素的差异。通过对照实验后,从理论上说,由于实验组与对照组的无关变 量的影响是相等的、被平衡了的,故实验组与对照组两者的差异,就可认定为是来自实验 变量引起的效果,这样的实验结果是可信的。四、对照实验的类型对照实验按对照的内容和形式上的不同,通常有以下四种对照类型,各种对照实验中 哪个作为实验组,哪个作为对

4、照组,应具体情况具体分析。1、空白对照空白对照组是指不作任何实验处理的对象组。这里的不作处理,并非什么因素都不给 予,而是针对实验所要研究的因素不给予,以体现实验因素的有无. 对实验结果的影响。 例如,在“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验中,分别向 4支试管加入 2mL 过 氧化氢溶液,然后将 2号试管放在 90左右的水浴中加热,观察气泡冒出的情况,并与不作任何处理的 1号试管作比较, 3号试管滴入 2滴 FeCl3溶液, 4号试管滴入 2滴新鲜的动 物肝脏研磨液,观察哪支产生气泡多。这样, 2、 3、 4号试管为实验组, 1号为对照组, 且 1号试管为典型的空白对照。即用实验研究因素所处

5、理的对象组称为实验组,未用实验 研究因素处理的对象组就为对照组。空白对照能明白地对比和衬托出实验组的变化和结 果,大大增强了说服力。例 1: 1864年,德国科学家萨克斯将绿色叶片放在暗处几小时,然后把此叶片一半遮光,一半曝光。经过一段时间后,用碘蒸气处理叶片,成功地证明绿色叶片在光合作用 中产生了淀粉。萨克斯对这个实验的设计具有严密的逻辑性,具体体现在 ( A.有对照实验 B.本实验不需要设置对照实验C.曝光处作为对照实验 D.遮光处作为对照实验解释:究竟选 C 还是选 D , 即究竟哪组是实验组 ? 哪组是对照组呢 ? 首先我们要明确萨 克斯实验的目的到底是什么 ? 是为了“证明光合作用需

6、要光照”还是“证明植物光合作用 能产生淀粉”呢 ? 针对不同的实验目的其实验操作就不同,当然实验组和对照组也就可能 不同。从当时 (1864年 的情况来看,光合作用的过程还不清楚,植物能否产生淀粉并不完 全确定,谈不上以淀粉作为检测光合作用是否进行的标准了。由此我们可以确定萨克斯做 该实验的目的是为了“证明植物在光下能产生淀粉” ,而在人教版高中生物必修一教 科书 P . 102明确说明了“这一实验成功地证明光合作用的产物除氧气外还有淀粉” ,这也 进一步佐证了此实验的目的是“证明植物在光下能产生淀粉” 。而为了证明这一点,以达 到这个实验目的,只需进行直接的实验证明即可,也就是直接把饥饿处理

7、后无淀粉的叶片 置于光下, 观察有无淀粉产生即可证明, 所以曝光处作为实验组; 而将遮光组作为对照组, 是用以确定淀粉不是来自于其他来源,而是来自光合作用。但是到现在,知识背景变化了,我们已经确知光合作用的过程、条件及产物等,所 以又可以通过该实验“证明植物光合作用需要光照” ,这时的实验目的改变了。当然淀粉 的有无就是检测光合作用是否进行的标准了。此时,有遮光处理的是实验组,因为这样可 以证明无光不能进行光合作用,而对照组只是为确定其他因素对此结果无影响 (如材料, 空气等的影响 。因此,同样的实验,如果实验目的不同,其实验组和对照组就不同。 有时,依据是否处于正常状态下进行判断,通常将处于

8、正常情况下的对象组称为对照 组。再比如在探究“ X 元素是否是植物生长所必须的矿质元素”的实验中,采用溶液培养 法: 其中甲、乙组对照实验中甲处于正常情况下即有 X 元素的为对照组,乙为实验组。 2、自身对照自身对照指实验与对照在同一对象上进行, 是实验前后. 之间的对照, 即不另设对照组。 如“植物细胞质壁分离和复原”实验,就是典型的自身对照。自身对照,方法简便,关键 是要看清楚实验处理前后现象变化的差异,一般实验处理前的对象状况为对照组,实验处 理后的对象变化则为实验组。在上述探究“ X 元素是否是植物生长的必须元素”实验中,乙组实验就存在自身对照, 植物幼苗在缺 X 元素的培养液和补充了

9、 X 元素后的培养液中的生长构成了自身前后对 照,其中补充 X 元素之后的生长状况是与补充 X 元素之前的情况作对比而言的, 因此补 充 X 元素前的实验为对照组,补充 X 元素之后的实验为实验组。例 2(08高考全国理综 I . 为了验证胰岛素具有降低血糖含量的作用, 在设计实验时, 如果以正常小鼠注射某种药物前后小鼠症状作为观察指标,则下列对实验组小鼠注射药物 的顺序,正确的是:A. 先注射胰岛素溶液,后注射葡萄糖溶液B. 先注射胰岛素溶液,再注射胰岛素溶液C. 先注射胰岛素溶液,后注射生理盐水D. 先注射生理盐水,后注射胰岛素溶液解析:在本实验中,实验目的是验证胰岛素是否具有降低血糖含量

10、的作用,因而有无 胰岛素应该是本实验中的唯一变量,也就是说,对照组中没有胰岛素,而实验组中应该有 胰岛素,且注射胰岛素后血糖浓度应该与实验前发生变化,其一般作法是:给对照组注射 一定量的生理盐水,给实验组注射等量的用生理盐水溶解的胰岛素溶液,一段时间后观察 两组小鼠的症状表现,可见对照组小鼠正常,而实验组小鼠出现血糖降低的症状,再给实 验组小鼠注射一定浓度的葡萄糖溶液,可见实验鼠的症状得以恢复。所以本题应该选 A 。 本题主要考查自身对照的运用。给正常小鼠注射胰岛素溶液会使鼠体内的血糖浓度迅速降 低而出现休克等症状,而此症状可通过补充血糖来恢复。注射胰岛素出现症状只能说明胰 岛素与症状的相关性

11、;用注射葡萄糖溶液使症状消失说明了此症状与葡萄糖浓度的相关 性。3、条件对照条件对照指虽给对象施以某种实验处理,但这种处理是作为对照意义的,不是实验研 究的实验因素。该处理造成的结果与实验所研究因素的差异非常明显,因而从一个侧面衬 托实验因素对实验结果造成的影响, 其中非实验所研究处理的对象就为条件对照组。 例如, “动物激素饲喂小动物”的实习实验,其实验设计方案是:甲组:饲喂甲状腺激素(实验组 ;乙组:饲喂甲状腺抑制剂(甲硫咪唑 (条件对照组 ;丙组:不饲喂药剂(空白对照组 ;显然,此实验研究的对象是甲状腺激素而非甲状腺抑制剂(甲硫咪唑 ,因此乙组就 起到了条件对照的作用。 该实验通过设置条

12、件对照, 又设置了空白对照, 通过比较、 对照、 更能充分说明实验研究对象甲状腺激素能促进动物的生长发育。再比如证明 DNA 是遗传物质的肺炎双球菌体外转化实验中, 设置以下几 组: 该实验所研究的实验因素为 DNA ,故用 DNA 处理的组为实验组,而蛋白质或多糖虽 然是实验所实施的处理因素,但与实验因素(DNA 无关,故组之间形成条件对照, 组均为组的对照组;而组(实验组和组(对照组之间形成空白对照。该实 验既设计了条件对照,又设置了空白对照,通过比较实验,更能说明实验因素对实验结果 的影响。4、相互对照相互对照是指不单设对照组,而是几个对象组之间的相互对照,一般表现出实验因素 在量上的多

13、少对实验结果的影响。其中每一组既是实验组又是其他组别的对照组。如探索温度对酶活性的影响实验中,不同温度(00C 、 600C 、 1000C 状态下的对象组, 每一组既是实验组又与其它组别构成对照。通过多个实验组的相互对照,较好的平衡和抵 消了无关变量的影响,使实验结果更具有说服力。例 3:长在向阳处的蒲公英,叶片较大,叶缘缺刻小,称为阳生叶;长在荫蔽处的蒲 公英, 叶片较小, 叶缘缺刻大, 称为阴生叶。 为探究环境和遗传因素对蒲公英叶形的影响, 请你利用蒲公英的直根无性繁殖的方法,完成如下实验。(1实验设计思路:取材:分别随机取 _数量的向阳处、荫蔽处的蒲公英直根 (大小、生 长状况等相似

14、,分别平分为两组。处理: 观察:_。(2预测下列假设的实验结果:假设一:蒲公英的叶形只受环境因素的影响,实验结果是:_。 假设二:蒲公英的叶形只受遗传因素的影响,实验结果是:_。 假设三:蒲公英的叶形受遗传因素和环境因素的共同影响,实验结果是:_。 解释:A 和 B 之间遗传因素相同,环境不同, C 和 D 之间也是遗传因素相同,环境不 同; A 、 C 之间环境因素相同,遗传因素不同, B 、 D 之间也是环境因素相同,遗传因素不 同。通过它们之间性状的相互对照来说明生物的遗传是受遗传因素的影响还是受环境的影 响,抑或受二者的共同影响。答案: (1一定 生长植株的叶形 (2假设一结果:A 、

15、 C 两组均为阳生叶, B 、 D 两组均为阴生叶。假设二结果:A 、 B 两组均为阳生叶, C 、 D 两组均为阴生叶。假设三结 果:A 组为阳生叶, D 组为阴生叶, B 、 C 两组叶形介于阳生叶和阴生叶之间。五、如何设置对照实验对照实验设置的正确与否,关键就在于正确的找出实验变量并恰当设置变量和如何尽 量保证实验组和对照组(或各实验组之间 “其他条件的完全对等” 。实验的实验变量(自变量是实验过程中人为处理的变量,或者为实验研究的变量, 实验时首先要确定实验研究的变量 (自变量 , 和预期这个变量引起的相应结果 (因变量 , 因变量随着自变量的变化而变化。例如:探究植物的生长与相光性的

16、关系,自变量是单侧 光,因变量是单侧光引起的植物弯曲生长 ; 探究胰岛素对动物血糖的影响,自变量是胰岛 素,因变量是动物血糖的变化 ; 探究温度对酶活性的影响,自变量是温度,因变量是酶活 性的高低。解答实验设计题时实验变量一般可以从实验题目中获得启示并给予确定。而要保证实验组和对照组(或各实验组之间其它条件完全对等,具体来说有如下四 个方面:(1所用生物材料要相同即所用生物材料的数量、质量、长度、体积、来源和生理状况等方面特点要尽量相同 或至少大致相同。(2所用实验器具要相同即试管、烧杯、水槽、广口瓶等器具的大小型号要完全一样。(3所用实验试剂要相同即试剂的成分、浓度、体积要相同。尤其要注意体

17、积上等量的问题。(4所用处理方法要相同如:保温或冷却;光照或黑暗;搅拌或振荡都要一致。有时尽管基某种处理对对照实 验来说,看起来似乎是毫无意义的,但最好还是要作同样的处理。六、如何解答对照实验题目如何解答对照实验试题呢?首先你要明确实验的目的, 你准备 (或实验者已经 施加何种实验条件 来达到这个目的?第二,要明确实验的对象,即为了达到这个目的应选择什么材料或对象为实验对象。 而后, 根据题意确定实验变量, 即本实验的结果的差异或者说结果的变化是由于谁造成的, 这个变化的 因素就是实验变量,那么对实验变量进行处理的,就是实验组。没有处理是的就是对照组。例 4:某同学以清水、缓冲液(含 N a2

18、 HPO4、 KH2PO4的溶液, PH=7和血浆为材料进行实验,进行“生物体维持 PH 稳定的机制”的探究,其利用实验材料进行的主要实验步骤如 下:加入 25mL 实验材料测 PH 并记录数据滴加 5mL0.1mol/LHCl、摇匀测 PH 并记录 数据倒去烧杯中溶液后充分冲洗重复实验并记录数据。试回答下列有关问题:(1实验开始时都应测量 3种材料的 PH ,其目的是 。(2在每组实验结束时均应冲洗烧杯,再进行下一组实验,其目的是 。(3 该同学用右图所示曲线来预期探究结果, 试回答: 预期结果中明显不符合科学 的是 组,理由是。实验中清水组和缓冲液组起 作用。实验可以得出的结论是 。(4如

19、果要证明血浆确实具有维持 PH 稳定的功能,本探究实验还应该补充 。解释:此实验是通过对比实验来探究生物体维持 PH 稳定的机制,因此血浆组为实验 组,清水组为空白对照组,缓冲液组为条件对照组,通过对比可以发现血浆与缓冲液一样 具有维持 PH 相对稳定的功能且能力更强。血浆对酸性物质具有缓冲作用,对碱性物质是 否具有缓冲作用呢?因此还应再设置一个碱性物质的相互对照组,才能充分证明血浆的缓 冲作用。答案:获得实验前数据,以便与实验后溶液 PH 作比较 避免前面实验结果时溶液 PH 影响后面实验 加水,清水中加入 HCI 后 PH 应逐渐下降(低于 7对照 血浆 与缓冲一样具有维持 PH 相对稳定

20、的功能,且血浆的这种能力比较强加入 NaOH(碱性物 质 后血浆 PH 仍可在一定范围内保持稳定。例 5:禽流感是禽流行感冒的简称,它是一种由甲型流感病毒的一种亚型(也称禽流 感病毒引起的传染性疾病,按病原体(禽流感病毒类型的不同,禽流感可分为高致病 性、 低致病性和非致病性禽流感三大类。 高致病性禽流感最为严重, 发病率和死亡率均高, 感染的鸡群常常“全军覆没”。禽流感主要在鸟类中间传播,偶可感染至人。它的变异能 力极强,有可能出现禽流感病毒和人流感病毒的混合病毒,不仅能感染人,而且可实现人 与人之间的传染,从而出现人流感疫情。专家指出禽流感病毒低温条件下抵抗能力较强, 可存活 30多天,但

21、在 60的环境下约 5分钟就会死亡。(1为更好地做好禽流感的防治工作,某科研小组对禽流感病毒遗传物质进行了如 下实验:实验目的:探究禽流感病毒的遗传物质是 DNA 还是 RNA 。材料用具:显微注射器、禽流感病毒的核酸提取物、 DNA 酶、 RNA 酶。实验步骤:第一步:取等量活鸡胚二组,用显微注射技术,分别向二组活鸡胚中注射有关物质。 第二步:在适宜条件下培养。第三步:分别从培养后的鸡胚中抽取样品,检测是否产生禽流感病毒。请你根据以上材料,完成表格: 相关判断（禽 注射的物质 流感病毒的遗传物 质） 如果 则 是遗 第 如果 传物质 是遗 一组 则 传物质 如果 则 是遗 第 如果 传物质

22、二组 则 是遗 传物质 （2）科研小组经多次实验，最后确定禽流感病毒的遗传物质是 RNA。请根据这一结论 及前面材料，回答下列问题： 为什么禽流感病毒低温条件下抵抗力较强，但在 60环境下约 5 分钟就会死亡？ 。 禽流感病毒的变异能力强的原因是 。 禽流感病毒在宿主细胞内进行遗传信息表达的过程可概括为（用文字和箭头表） ： 。 （3）对家禽注射禽流感疫苗（灭活的禽流感病毒） ，在较长的一段时间后还能有效地 预防家禽患禽流感，为什么？请加以解释 。 解释： 解释：该实验的目的是探究禽流感病毒的遗传物质是 DNA 还是 RNA，实验的对象是活 鸡胚，实验的变量是向二组活鸡胚中注射的有关物质。因为

23、两组实验都可以得出结论，两 组实验都是实验组，因此他们之间构成了相互对照。 答案： （1） 答案： 实验现象预测（有 相关判断（禽 注射的物质 无禽流感病毒产生） 流感病毒的遗传物 质） 则 RNA 是遗传物 如果 有 核酸提取物+DNA 质 第一组 如果 无 则 DNA 是遗传物 酶 质 如果 有 则 RNA 是遗传物 核酸提取物+RNA 质 第二组 则 DNA 是遗传物 酶 如果 无 质 （2）低温下酶活性仅是降低，而高温则使酶失活 遗传物质是单链 RNA，稳定 性差，突变率高 翻译 RNA 逆转录 DNA 转录 mRNA 蛋白质 （3）灭活的禽流感病毒注入鸡体内，通过一系列的免疫反应形成

24、记忆 B 细胞和记 忆 T 细胞； 若禽流感病毒侵入鸡体内，记忆 B 细胞和记忆 T 细胞会迅速增殖、分化形成大量的 效应 B 细胞和效应 T 细胞 效应 B 细胞能产生抗体， 通过体液免疫的作用， 消灭分布在内环境中的禽流感病毒； 禽流感病毒侵入体内细胞，效应 T 细胞及其所释放的淋巴因子通过细胞免疫的作用 予以彻底消灭。因此，在较长的一段时间后能在效地预防家禽禽流感。 例 6：请你利用下列仪器及药品，完成下列实验初步探究植物根细胞膜上不同载体的 实验现象预测（有 无禽流感病毒产生） 6 数量是否存在差异。 -1 仪器药品：精密 PH 试纸，移液管，20mL 广口瓶，0.01mg·

25、 ML KNO3 溶液，具有活 性的离体的小麦根系。 实验原理：植物根系从土壤中吸收矿质元素时，植物对不同盐类的阴阳离子吸收量的 差异，可以改变溶液的 PH 值（植物根细胞吸收阳离子，会向培养液中释放相应的 H+，吸 收阴离子，会向培养液中释放 HCO3 ，HCO3 水解产生相应的 OH 。两种作用下，最终导致溶 液的 PH 变化） 。 实验步骤： 第一步：取 2 只相同大小的广口瓶并编号为 1、2。 第二步： 第三步： 第四步： 预期结果及分析： 答案： 答案：第二步：分别向 1、2、两只广口瓶加入等量的 KNO3 溶液，测定两口广口瓶中溶 液的 PH，并作记录 第三步：把离体的小麦根系移入

26、一广口瓶，另一广口瓶不加根系 第四步：经过相同时间后测定两广口瓶中溶液的 PH，并作记录 预期结果分析： A、若 1、2、号瓶中的 PH 都与实验开始基本相同，说明植 物根细胞膜上吸收 K+、NO-3 的载体数量基本相等； B、若放入根系的瓶中 PH 明显上升，说明植物根细胞膜上吸收 NO3 的载体明显多于吸 + 收 K 的载体； C、若放入根系的瓶中 PH 明显下降，则说明植物根细胞膜上吸收 K+的载体明显多于吸 收 NO3-载体。 解释： ，再通 解释：这是一道高考模拟题，它通过实验组和空白对照组的对比（空白对照） 过实验组本身的前后对比（自身对照）来间接说明根细胞膜上不同矿质元素的载体是否存 在差异。但这道题是不够严密的，因为引起 PH 改变的因素除了根时矿质元素的选择吸收 这个因素外，还有根的呼吸作用、根产生的分泌物等因素也可能引起 PH 改变，因此，这 个题目把根设置为变量是错误的，应该把根设置为实验对象而溶液设置为变量，即补充蒸 馏水为材料，把小麦的根分成等量的二组，分别培养在 KNO3 溶液和蒸馏水中，通过空白对 照和自身前后对照就可说明问题，其中的空白对照组就起到了平衡无关变量（根的呼吸作 用，根的分泌物）的作用。 总之， 在生物学教学中， 要使学生准确掌握有关对照实验设计的基本技巧和解题方法， 首先要求教师把握对照实