生物实验设计学习反思探讨

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【摘要】本文简要论述生物实验的实验题目，实验原理，实验设计的基本步骤，实验设计的原则，实验的结果及结论五个方面。

【关键词】变量；基本步骤；科学性原则；平行复重原则；对照性原则；单因子变量原则

和等量性原则我一直对生物学科有浓厚兴趣，尤其是实验课，准备实验材料，配制药品，准备同学们的分组实验，我总是乐在其中。现就将我对实验设计中实验题目，实验原理，实验设计的基本步骤，实验设计的原则，实验的结果及结论五个方面的学习与反思和大家一起分享。

一、实验题目

实验题目一般涵盖了实验性质、实验对象和实验目的，是对实验最基本的描述。我们拟实验题目和分析实验题目可以从这几个方面来看，例如，探究影响酶活性的因素，实验性质是探究实验，实验对象是酶，实验目的是影响酶活性的因素。再如，探究培养液中酵母菌种群数量的变化：实验性质是探究实验，实验对象是酵母菌，实验目的是种群数量变化。

二、实验原理

实验原理包括取材的原理、操作的原理、由操作得现象的原理、由现象得结论的原理。例：检测生物组织中的糖类脂肪和蛋白质。实验原理：某些化学试剂能够使生物组织中的有关有机物产生特定的颜色反应，糖类中的还原糖（如葡萄糖、果糖）与斐林试剂发生作用，生成砖红色沉淀；脂肪可以被苏丹Ⅲ染成橘黄色（或被苏丹Ⅳ染成红色）；淀粉遇碘变成蓝色；蛋白质与双缩脲试剂发生作用，产生紫色反应。这里包含着操作的原理，由现象得结论的原理。例：用高倍镜观察叶绿体和线粒体。实验原理：叶肉细胞中的叶绿体散布于细胞质中，呈绿色、扁平的椭球形或球形。线粒体普遍存在于植物细胞和动物细胞中，线粒体的形态多样，有短棒状、圆球状、线形、哑铃形。其中，包括了取材的原理，操作中观察的原理。我们写实验原理也要包括这几个方面。

三、实验设计的基本步骤

高中阶段设计对照性实验较多，我将对照性实验操作的基本步骤归纳为三步：1.取材分组编号（也有的需要进行预处理）；2.引入变量；3.相同且适宜条件下培养观察记录。例：萝卜的生长发育过程受多种激素的共同调节，其中细胞分裂素起着重要作用。①细胞分裂素主要存在于正在进行细胞分裂的部位，其主要生理功能是促进_________和_____________。②研究还发现，氨基酸等营养物质可以向细胞分裂素浓度高的部位移动。为验证这一结论，有人设计了下列实验方案。请根据提供的实验材料和用具，将实验步骤补充完整并预测实验结果。材料用具：生长状况相同的萝卜成熟叶片若干，适宜浓度的细胞分裂素溶液，含14C标记氨基酸的溶液（氨基酸可被叶片吸收并在叶片内移动），蒸馏水，棉签，检测放射性强度的设备等。实验步骤：第一步：取生长状况相同的萝卜成熟叶片若干，在叶片左半叶某一部位涂抹含14C标记氨基酸的溶液（如图所示）。将叶片均分为两组，编号为a、b。第二步：在a组叶片右半叶某一部位涂抹_______。在b组叶片的相应部位涂抹_______，作对照组。第三步：在相同条件下放置一段时间后，检测两组叶片的放射性强度。实验结果：a组叶片涂抹细胞分裂素部位的放射性强度________（“低于”或“高于”或“等于”）b组叶片涂抹蒸馏水部位的放射性强度。参考答案①细胞分裂组织分化②适宜浓度的细胞分裂素（2分）等量的蒸馏水（不写“等量”得0分）高于上例属于典型的实验设计题目，考查学生的实验设计与探究能力，题干中的信息对于解题非常关键，学会寻找变量，设置对照，这个题目中的变量就是细胞分裂素；氨基酸等物质可以向细胞分裂素浓度高的地方移动，因此对照中的两组分别为：一组为适宜浓度的细胞分裂素溶液，另一组为蒸馏水，一段时间后，再用设备检测放射性的高低，这样就可验证这一假设。因此步骤就在头脑中形成了一个大致的模式，即：第一步取材等量处理，分组编号，第二步“在a组叶片右半叶某一部位涂抹_____________________。在b组叶片的相应部位涂抹__________________，作对照组。”为引入变量，第三步相同且适宜条件下培养观察记录。同时答案中“等量的蒸馏水（不写‘等量’得0分）”提醒我们填写实验步骤时要注意实验设计的原则“等量原则”。下面归纳一下实验设计的原则。

四、实验设计的原则

1.科学性原则：所谓科学性，是指实验目的要明确，实验原理要正确，实验材料和实验手段的选择要恰当，整个设计思路和实验方法的确定都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。分析问题、设计实验的全面性和科学性体现了逻辑思维的严密性。科学性原则：包括实验原理的科学性、实验材料选择的科学性、实验方法的科学性、实验结果处理的科学性。2.平行复重原则：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。任何实验必须有足够实验次数，才能避免结果的偶然性，使得出的结论准确、科学。平衡重复原则要求控制某种因素的变化强度，在同样条件下重复实验，观察其对实验结果的影响程度。由以上实验设计的特点来看，采用了平行重复的原则来进行，消除了无关变量与额外变量的干扰，可多次重复该实验，使得实验结果更加客观、科学。3.对照性原则：科学、合理的设置对照可以使实验方案简洁、明了，且使实验结论更有说服力。实验中的无关变量很多（同一种实验结果可能会被多种不同的实验因素所引起），必须严格控制，要平衡和消除无关变量对实验结果的影响，对照实验的设计是消除无关变量影响的有效方法。设置对照组有4种方法：白对照：即不给对照组做任何处理。例：在“唾液淀粉酶催化淀粉水解”的实验中，实验组滴加了唾液淀粉酶液，而对照组只加了等量的蒸馏水，起空白对照。②条件对照：即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。这种对照方法是指不论实验组还是对照组的对象都作不同条件的处理，目的是通过得出两种相对立的结论，以验证实验结论的正确性。例：艾佛里的肺炎双球菌转化实验中，用DNA酶处理从S型肺炎双球提取的DNA，加入到培养了R型肺炎双球菌的培养基中，这组处理就是条件对照。③自身对照：指对照组和实验组都在同一研究对象上进行，不再另外设置对照组。例：“质壁分离与复原”实验。自身对照简便，但关键要看清楚实验处理前后的现象及变化差异。④相互对照（对比）：不单独设置对照组，而是几个实验相互为对照。即实验与对照在同一对象上进行。这种方法常用于对比实验中。例：“植物向光性”实验中，利用若干组燕麦胚芽的不同条件处理的实验组之间的对照，说明了生长素与植物生长弯曲的关系。“探究酵母菌细胞的呼吸方式”实验中，有氧和无氧条件就是相互对照。4.单因子变量原则和等量性原则。所谓单因子变量原则，强调的是实验组和对照组相比只能有一个变量，只有这样当实验组和对照组出现不同结果时，才能确定造成这种不同结果的原因肯定是这个变量造成的，从而证明实验组所给实验因素的作用，因此在设计对照组实验时首先要确定变量并加以正确设置，所要验证的中心条件即为变量。例：验证光合作用需要光则应将光作为变量；要验证光合作用需二氧化碳则把二氧化碳作为变量等等。等量性原则与单因子变量原则是完全统一的。只不过强调的侧面不同，单因子变量原则强调的是实验变量的单一性，而等量性原则强调的是除了实验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等量即相同，以平衡和消除无关变量对结果的影响，需要强调的是这些无关变量在进行严格控制时，不但要等量，而且是在适宜条件下的等量，常态条件下的等量。例：探索PH对酶活性影响的实验中，单一变量是PH，除PH之外的其他一切对酶活性有影响的无关变量不但要严格控制等量，而且要适宜的量，如对温度的控制不但要相同，而且要适宜，即要给予酶活性所需的适宜的温度，而不能控制在低温或高温条件下的等量。五、实验结果及结论1.语言描述。如果是探究性实验，则应是如果出现何现象，那么结果是什么，我们用如果……那么说明……的句式描述。例：“鲁宾和卡门探究氧气来自水还是二氧化碳”用同位素标记法探究，A组向植物提供H2O18和CO2，B组向植物提供H2O和CO218。结果可以表述为；如果A组产生的O2有放射性，B组产生的O2没有放射性，那么说明O2只来自H2O；如果A组产生的O2没有放射性，B组产生的O2有放射性，那么说明O2只来自CO2；如果A组产生的O2有放射性，B组产生的O2也有放射性，那么说明O2来自CO2和H2O。用曲线表示需注意，要有标题，横纵坐标的数值，自变量及因变量，还要有单位，如果有多条曲线还要有图例。这是在学习过程中理解的实验设计相关知识，学完后学生们注意反思总结归纳，所学知识就得到了内化和提升。一定会有不完善的和值得商榷的地方，再继续学习。

【参考文献】

[1]普通高中课程标准实验教科书【生物-分子与细胞】人民教育出版社

[2]普通高中课程标准实验教科书【生物-遗传与进化】人民教育出版社

[3]普通高中课程标准实验教科书【生物-稳态】人民教育出版社

[4]河北衡水中学生物自助餐.衡水中学生物教研室.

作者:孙与涵 单位:河北省衡水中学