控制原理在中學生物實驗設計中的運用

生物學實驗是通過控制和干預實驗現象而進行的探索活動。控制本身就是在分析的基礎上找出影響現象產生的各種因素，從而以控制或干預某一需要研究的因素來達到認識事物本質的目的。生物實驗的成功與否主要取決于控制的嚴密程度。控制是生物學實驗的靈魂，沒有控制就沒有實質意義上的生物實驗。筆者通過實例來闡述控制原理在中學生物實驗設計中的運用。

1 生物實驗中的控制原理

從認識論的角度分析，生物學實驗中的控制無非有2大類：一類是沒法排除對研究對象的干擾，一類是設法對研究對象進行干擾。這是用2個相反的方式進行的控制，其所依據的原理是減法原理和加法原理。

1.1 減法原理

實驗控制中的減法原理就是設法排除某種因素對研究對象的干擾，同時盡量保持被考查對象的穩定，從而在比較純粹的狀態下反映對象。實驗變量是指實驗中由實驗者所操縱的因素或條件，無關變量是指除實驗變量以外的影響實驗現象或結果的因素或條件。如果實驗變量是一個實驗條件（是對研究對象而言，例如溫度、水、空氣對種子的萌發就是一個實驗條件），在實驗設計時一般可運用減法原理來操縱實驗變量，即設法排除該實驗變量對研究對象的干擾，同時盡量保持被研究對象的穩定。如二氧化碳在光合作用中作用的實驗，實驗中氫氧化鉀的作用就是消除二氧化碳這一實驗變量，通過對照，以確定二氧化碳對光合作用的影響，再如在生長素的發現過程中達爾文向光性實驗和溫特實驗、種子萌發條件的實驗，中學生物實驗中的光合作用幾個實驗（植物的光合作用需要光和水）以及激素對動、植物生長發育影響等實驗都是運用減法原理而設計的對照實驗。另外，依據減法原理可以消除無關變量對實驗結果的影響，主要通過以下2條途徑。一是去掉或隔離某種條件的影響，如2002年浙江、安徽、福建的高考理科綜合卷中的第21題，為驗證“鎂是植物生活的必需元素”在實驗設計中，必須選擇生長狀況一致的大豆幼苗作實驗材料，目的就是排除個體差異這一因素帶來的對生長發育的干擾作用。如果某些因素無法消除，如溫度、空氣等，就采取第二條途徑，即設法創造穩定的、維持不變的相同條件進行對照，以抵消或排除這些條件對研究對象的干擾。如上述實驗中的個體差異是靠選用生長狀況一致的大豆幼苗的方法排除的，而植物所處的外部環境則只能建立對照組，并使其與實驗組保持一致的條件，如適宜的溫度、良好的通氣狀況、除鎂元素外其他的礦質元素都必須完全相同等，這是通過抵消來排除某些因素對生長發育干擾的方法。

1.2 加法原理

實驗控制中的加法原理就是設法給研究對象施加干擾，造成研究對象的變化，從而使研究對象在被激發狀態中反映其某些特征。根據加法原理所設計的實驗，不是保持或保護研究對象的原始狀態，而是要干擾甚至破壞研究對象的某種狀態。如果實驗變量是一個外在的條件（是對研究對象而言的，例如在“探究二氧化硫對植物葉片的影響”的實驗中，實驗變量二氧化硫對葉片就是一個外在的條件，因為葉片正常情況下不生活在二氧化硫的環境中），在實驗設計時一般可運用加法原理來操縱實驗變量。如在研究甲狀腺激素的生理作用時，用含有甲狀腺激素的飼料喂蝌蚪在短時間內變成一只小型青蛙，或用手術摘除小狗的甲狀腺，小狗會發生身體臃腫、行動呆笨而遲緩、精神萎靡、食欲不振、身體發育停止等癥狀，從而證明甲狀腺激素有促進新陳代謝、加速體內物質的氧化分解、促進動物個體的生長發育、提高神經系統的興奮性的作用。運用加法原理在對研究對象的控制中，往往進行破壞性干預，迫使研究對象暴露出某種現象和屬性，在生物學的研究中也有很重要的作用。如在研究性激素的重復作用時，割除、移植公雞和母雞生殖腺的實驗；研究生長激素的生理作用時，切除垂體后，幼年動物生長立刻停滯等都是利用加法原理進行研究的。

2 實驗設計實例分析

【例1】 （2003年全國高考理綜題）將青蛙腦破壞保留脊髓，在脊柱下部打開脊椎骨，剝離出脊髓一側的一對脊神經根（包含一個背根和一個腹根，見圖）。分別電刺激背根與腹根均可引起蛙同側后肢發生運動反應。已知背根含有傳入神經，腹根含有傳出神經，背根和腹根合并成脊神經。

請根據上述提供的實驗材料（實驗用具自選）設計實驗步驟，并預測實驗結果，以分別驗證背根具有傳入功能，腹根具有傳出功能。

分析:本題考查的知識是高等動物反射的結構基礎——反射弧， 反射弧由感受器、傳入神經、神經中樞、傳出神經、效應器組成，當一定的刺激被感受器所感受，感受器發生興奮，興奮以神經沖動的形式經反射弧各環節到達效應器，使效應器發生相應的活動。本題設計實驗時可使用加法原理，用剪斷背根中央、腹根中央（或用麻醉藥阻斷）的方法來干擾反射弧的部分結構，迫使研究對象暴露出某種現象，從而來研究背根、腹根各自的功能。

答案：實驗步驟1：在背根中央處剪斷（或用麻醉藥阻斷），分別電刺激背根向中段、外周段，觀察蛙后肢是否發生運動反應。預期結果：電刺激背根向中段發生蛙后肢運動反應；電刺激背根外周段不發生反應，說明背根具有傳入功能。

實驗步驟2：在腹根中央處剪斷（或用麻醉藥阻斷），分別電刺激腹根向中段、外周段，觀察蛙后肢是否發生運動反應。預期結果：電刺激腹根向中段不發生反應，電刺激腹根外周段應發生蛙后肢運動反應，說明腹根具有傳出功能。