浅谈高中生物实验设计
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浅谈高中生物实验设计许明娟宋进毅（云南师范大学附属中学，云南省昆明市，650106）摘要：近年高考生物试题中，实验设计类题目所占分值越来越大。这类题目重在考查学生科学思维和科学探究的生物学科核心素养，要求学...
浅谈高中生物实验设计许明娟宋进毅（云南师范大学附属中学，云南省昆明市，650106）摘要：近年高考生物试题中，实验设计类题目所占分值越来越大。这类题目重在考查学生科学思维和科学探究的生物学科核心素养，要求学生能针对特定的生物学现象，进行观察、提问、设计实验，并能对结果进行分析，最终得出结论。本文结合高中生物教材中的一系列实验，来阐述实验设计的基本步骤、每个步骤的要点以及在考试中的呈现形式，希望能对实验设计专题的复习有所帮助。关键词：高中生物；实验设计；基本步骤随着高考的发展，生物实验设计题变得日趋重要。因为实验设计题能较为全面地考查学生的相关知识、基本技能、分析问题和解决问题的综合能力，因而成为考查的一项重要内容。而很多学生在碰到实验设计题时，总会觉得无所适从。本文就实验设计的相关内容和要点谈谈笔者的一些理解，希望能对教学有所帮助。实验设计是指正式进行科学实验之前，根据一定的目的要求，运用相关的科学知识和原理，对实验过程中的材料、手段、方法、步骤等全部方案进行制定[1]。实验设计应该包含有以下几个要素：实验目的、实验原理、实验假设、实验材料仪器、实验方案、结果和结论的预期、观察现象或收集数据、分析得出结论。1、实验目的实验要探究或验证的问题就是实验目的。实验目的是整个实验设计中的核心，后面的几个要素都要在实验目的的基础上才能构建出来。要确定实验目的，就应该先审题，从题目中找到所要解决的问题或者要探究、验证的内容。实验目的一般是以“验证…”、“探究…”、“观察…”、“调查…”等形式来呈现。例如：“探究酵母菌呼吸作用的方式”、“观察DNA和RNA在细胞中的分布”等都是对实验目的进行描述。2、实验原理为了完成实验所依据的理论知识就是实验原理。实验题目的考查中，可能直接让学生填写本实验的原理是什么，也可能会让学生分析出现这种现象或结果的原因是什么。在碰到以上两种题目时，明确实验原理的写法就非常必要。以必修一中“用高倍显微镜观察线粒体”实验为例，课本是这样来描述实验原理的：“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。健那绿染液是活细胞中线粒体染色的专一性染料，可以使活细胞中的线粒体呈现蓝绿色，而细胞质接近无色。线粒体能在健那绿染料中维持活性数小时，通过染色，可以在高倍镜下观察到生活状态的线粒体的形态和分布。”在这段实验原理中，其实包含了三个方面的内容：①与研究内容有关的生物学知识：包括线粒体的存在范围、形态和染色特点；②大致的处理方法：用健那绿处理；③实验结果的检测手段：用高倍显微镜进行观察。在实验原理描述时，笔者认为要将这三个方面内容涵盖在内，原理叙述才够完整。以“观察DNA和RNA在细胞中的分布”实验为例，实验原理应该包含三个方面：①DNA主要分布在细胞核内，RNA大部分存在于细胞质中，甲基绿和吡罗红两种染色剂对DNA和RNA的亲和力不同，甲基绿使DNA呈现绿色，吡罗红使RNA呈现红色。盐酸能够改变细胞膜的通透性，加速染色剂进入细胞，同时使染色质中的DNA与蛋白质分离，有利于DNA与染色剂结合；②利用甲基绿、吡罗红混合染色剂将细胞染色，可以显示DNA和RNA在细胞中的分布；③用高倍镜观察，可以看到DNA和RNA在细胞中的分布。明确实验原理可以帮助我们理清实验设计的思路，合理安排实验步骤，正确分析实验的结果和结论。3、实验假设实验假设就是对所研究的问题做出的合理的推测。不同类型的实验，做假设要注意不同的问题。例如，如果是一个验证性的实验，那么假设应该是唯一的；而如果是一个探究性实验，则应该存在多个假设，叙述要完整。4、实验材料仪器根据研究问题的不同，要为实验选择适宜的实验材料和仪器。实验材料的选择也应该遵循一定的原则。①简便性：设计实验时，应该综合考虑实验材料是否容易获得，装置是否简单，药品价格等因素。例如，若要在实验室中选择材料来观察细胞的有丝分裂，我们要选择的是分裂期占细胞周期比例较大的材料，这样观察到有丝分裂现象的概率会提高。小鼠十二指肠上皮细胞的分裂期占细胞周期比例比蚕豆的根尖分生区细胞要大，但是在学校实验室中，蚕豆根尖分生区细胞较容易获得，取材简便，所以实验材料用它更为适宜。②周期性：选择材料时，还应该考虑实验周期的长短。例如：遗传学中常用果蝇来作为实验材料，有一个重要因素就是其繁殖快且子代数目多，这样就能缩短实验所需的时间。③目的性：材料的选择应该有目的性。例如：要观察植物细胞的有丝分裂，就要找能进行有丝分裂的细胞作为实验材料。如果用植物的根尖作为材料，那么，我们应该选择的是能进行有丝分裂的分生区，而不应该选择伸长区或者成熟区作为实验材料。④易观察性：选择的实验材料必须有利于观察。例如：在“观察植物细胞的吸水和失水”实验中，我们选择的是紫色洋葱鳞片叶外表皮来完成实验，正是因为其有紫色大液泡，容易观察。在恩格尔曼确定光合作用场所的实验中，选择水绵作为实验材料，正是因为其具有呈带状螺旋分布的叶绿体，便于观察。除了要明确实验选材的原则之外，还应该注意总结教材中的“同材异用”等现象。例如：酒精、盐酸、氢氧化钠溶液等。以酒精为例，在不同的实验中，其作用也存在差异：体积分数50%的酒精溶液可以在脂肪鉴定实验中洗去浮色；体积分数70%的酒精溶液经常用于微生物实验室培养的消毒，因为其能渗入细胞内，使蛋白质凝固变性；体积分数95%的酒精用于解离液的配制；无水乙醇则用于光合色素的提取。生物材料也存在“一材多用”的情况。例如：洋葱鳞片叶，外表皮可以观察质壁分离和复原现象，内表皮可以用于观察DNA和RNA在细胞中的分布。对于实验材料的考查是多样的，但是只要总结并掌握其中的规律，相关题目处理起来也就容易了。5、实验方案实验方案是整个实验设计中的重中之重。在写实验方案的时候，有如下几个方面的内容需要我们严格把握：5.1确定和控制各种变量在实验过程中可以变化的量，我们都将其称之为变量。教材中，变量包括三类：自变量、因变量和无关变量。①实验中人为改变的变量，就是自变量。换言之，自变量就是我们要研究的问题。我们并不是要让学生记住这个概念，而是要让学生能利用这个概念对自变量进行判断。例如：实验目的是探究温度对光合作用速率的影响，那么我们要研究的问题核心是在温度，温度就是自变量；再如某实验中给出了部分的实验步骤，用0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃分别处理唾液淀粉酶和淀粉溶液，再将相同温度处理过的酶和淀粉进行混合。我们看到实验步骤中，人为操纵改变的是温度，那么温度就是自变量。实验设计中，我们应该根据所要研究的问题设计对照或者对比实验来研究自变量对实验结果造成的影响。②实验中，随自变量变化而变化的变量就是因变量。换言之，因变量其实就是实验的现象和结果。例如：在实验“比较过氧化氢在不同条件下的分解”中，因变量可以表述为过氧化氢的分解速率，也可以用具体的指标来进行表述，如单位时间内产生气泡的量或者是卫生香的复燃程度。在实验设计中，我们要根据所用的材料等来确定如何捕获因变量。③在自变量之外，实验中能够影响实验现象或结果，但又不是我们研究对象的变量，称为无关变量。例如：“探究酵母菌的呼吸方式”实验中，氧气的有无是自变量。二氧化碳的生成量、酒精的产生是因为自变量的变化而跟随变化的因变量。葡萄糖溶液、温度、pH等都会影响到二氧化碳或酒精的生成，但却不是我们所要研究的问题，我们称它们为无关变量。实验设计中，我们要将无关变量设为相同且最适。无关变量不能在实验过程中随意变动，否则可能会干扰实验的结果。无关变量不只要设置为相同，还必须是最适。例如：探究pH对唾液淀粉酶活性的影响，三组pH分别设置为过酸、最适、过碱，但是实验温度是0℃。最后得出结论，过酸过碱时，酶的活性低。这样的结论显然没有说服力。此时的实验温度应该调整为37℃，实验结论才具有意义。在无关变量的控制过程中，还会用到平衡控制的方法来抵消无关变量对实验结果造成的影响。例如：“验证胰高血糖素具有升高血糖的作用”这个实验中，给实验组的小白鼠注射用生理盐水配制的胰高血糖素，对照组的小白鼠注射等量的生理盐水，这就是控制无关变量时的平衡控制法。5.2实验设计的基本原则①科学性原则：实验目的要明确，实验原理要正确，实验材料和实验手段要选择恰当，整个设计思路和实验方法都不能偏离生物学基本知识和基本原理，也不能违背其他学科领域的基本原则。②可行性原则：实验设计中，从原理到实验的实施再到结果的产生，都要具有可操作性[2]。例如：“验证植物根的向地性和茎的背地性生长是由重力因素引起的”这个实验中，有同学提出一组放在有重力的条件下生长，另一组在没有重力的条件下生长，例如太空中。这样的实验设计从理论来说是可以的，但是从可行性来讲，就很难实现。我们可以考虑改变它们的形态位置的摆放（水平摆放、竖直摆放、倾斜摆放等）来重新设计实验。③随机性原则：这里的随机性原则是指，实验中被研究的样本是总体中任意抽取的，这样做的意义在于可以消除或减少系统误差[2]，使实验结果更加准确。④单一变量原则：只改变自变量，其他因素不改变，来观察其对实验结果的影响。这里要注意，单一变量原则应该是指进行观测时，要一个自变量对应一个因变量；操作的时候，也要注意规范操作，只能改变一个量。只有遵循单一变量原则才能得出有效的结论。⑤平行可重复原则：在实验设计中，为了避免实验结果的偶然性，减少实验误差，必须对所做实验在同样条件下进行足够次数的重复，才能判断结果的可靠性。例如：孟德尔的遗传学实验也是在后人不断重复得到相同结果和结论后，才得到认同。在需要得到数据的实验中，必须有平行实验才能得到所需的平均值。⑥对照实验和对比实验原则：设置对照实验和对比实验的目的：一是通过比较分析，得出自变量对实验结果的影响；二是排除某些无关变量对实验结果的影响。在一个实验设计中，应该设置对照实验还是对比实验，是需要根据研究的问题及其题目中的相关提示（生物材料、药品和实验器材等）来进行确定。那么，什么是对照实验？什么是对比实验呢？⑴对照实验：除了一个因素以外，其余因素都保持不变的实验叫做对照实验。进行实验时，要同时进行对照实验，因为要在同一环境下得到两种实验结果的资料用作定性及定量的对比分析。通常，对照实验分为实验组和对照组。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处理的对象组。例如：“验证酶具有高效性”的实验中，自变量是酶，那么加入酶的一组就是实验组。对照的类型主要有：空白对照、自身对照和条件对照等。空白对照就是给对照组施以对研究对象没有任何影响的处理因素或者不给对照组任何处理因素。例如：“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验中，分别向4支试管中加入2mL的过氧化氢溶液，2号试管加热，3号试管加入氯化铁，4号试管加入过氧化氢酶，并与不作任何处理的1号试管进行比较，1号试管为典型的空白对照。空白对照能明显地对比和衬托出实验组的变化和结果，增强了实验的说服力。在“探究X元素是否是植物生长所必须的元素”的实验中，要设置两个组：一组是用含有X的完全培养液来进行培养；另一个组则是用缺X的完全培养液进行培养。此时，做判断就应该用赵占良先生提到的“加减法原则”，常态的，也就是本实验中的含有X的完全培养液这个组就应该是空白对照，而人为减去X的这个组就应该是实验组。自身对照是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。例如：“植物细胞吸水和失水”的实验就是典型的自身对照。自身对照操作简便，在观察时关键是要看清楚实验处理前后的现象差异，实验处理前是对照组，实验处理后是实验组，对照组和实验组都发生在同一对象身上是自身对照。条件对照是指虽然给对象施以某种实验处理，但是这种处理是作为对照意义的，或者说这种处理不是所要研究的处理[3]。例如：“动物激素饲喂小动物”的实验中分为三个组。第一组喂养普通的饲料；第二组饲喂添加甲状腺激素的饲料；第三组饲喂添加甲状腺激素抑制剂的饲料。在这三组中，第一组是典型的空白对照；第二组用自变量甲状腺激素进行了处理，是实验组；第三组进行了处理，但是这个处理用的并不是自变量，而是一个具有对照意义的处理，是典型的条件对照。⑵对比实验：指设置两个或两个以上的实验组，通过对比结果的比较分析，来探究其中因素与实验对象的关系，这样的实验称之为对比实验。对比实验中不设对照组，均为实验组。例如：“探究温度对光合作用速率的影响”实验中，自变量是温度，每个对象组我们都用温度这个自变量对其进行处理，所以每个组都是实验组，我们通过实验组之间的相互对比，最终得到结论，这就是一个典型的对比实验。 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