從教材實驗看生物實驗設計的基本方法

生物實驗設計類題型以某一生物學知識作為載體，來綜合考查學生實驗設計和實驗探究的能力，對學生來說是一個難點。這類實驗設計題，教材中雖然沒有實驗原型，但它們所涉及到的實驗設計的基本方法卻是來源于教材。因此，要搞好生物實驗設計的教學，教學時教師不能脫離教材，應從教材中典型實驗人手，現身說法，在學生完成實驗室的操作以后，還應引導學生對實驗進行剖析，從中總結歸納出實驗設計的基本方法。比如，教師在組織學生完成“比較過氧化氫酶和Fe³⁺的催化效率”實驗的實驗室操作以后，應及時引導學生對該實驗進行分析討論，并在此基礎上歸納出生物實驗設計的一般方法。

1 對教材中相關實驗的分析

1．1對實驗中變量的分析

“比較過氧化氫酶和Fe³⁺的催化效率”實驗以過氧化氫酶和Fe³⁺分別催化過氧化氫的分解，通過觀察過氧化氫的分解速率(以產生氣泡的數量和衛生香燃燒猛烈的程度為指標)來比較過氧化氫酶和Fe³⁺的催化效率。在該實驗中影響過氧化氫分解速率的因素除了催化劑的種類之外，還有其他一些因素，如底物過氧化氫的濃度和催化劑的用量、反應體系中底物與催化劑接觸的程度、反應時間及反應溫度，甚至試管的潔凈程度等。在影響反應速率的上述因素中，催化劑的種類是該實驗所要研究和探討的對象，稱為實驗變量；而其他因素雖然也影響反應現象，但不是實驗所研究的內容，稱為無關變量。在實驗變量(催化劑種類)不同時，過氧化氫的分解速率會有明顯的差異(反映在氣泡產生的數量和衛生香燃燒猛烈的程度不同)，這種由實驗變量而引起的實驗現象的變化和結果，稱為反應變量。可見，實驗變量和反應變量之間具有因果關系。也正是由于二者間的這種因果關系，在實驗中通過對反應變量的觀察和分析，就可以得出有關實驗變量的一些定性或定量的實驗數據資料。無關變量對過氧化氫分解的影響也是顯而易見的，在無關變量發生變化時，過氧化氫的分解速率很可能會發生一定的變化，這種由無關變量所引起的變化和結果，稱為額外變量。

1．2實驗中滲透的實驗設計的基本原則

該實驗對變量的控制處理歸納如表1所示。

從該實驗對變量的控制處理方法中可以看出，2個分組實驗中除實驗變量有差異之外，其他各種無關變量均相同，這符合實驗設計的單一變量原則；從該實驗的目的來看，是為了比較過氧化氫酶和Fe³⁺的催化效率，但實質上是以Fe³⁺的催化效率作為對照，來襯托和說明過氧化氫酶具有高效性，因此，實驗也體現了對照性原則。

2 實驗設計的基本思路

2．1實驗中變量的確定

通過對“比較過氧化氫酶和Fe³⁺的催化效率”實驗的分析可以看出，該實驗方法步驟的設計都是圍繞變量來展開的，因此，一個實驗課題在設計實驗之前實驗者應該對實驗中的各種變量能做到清楚地了解。只有在確定變量之后，才能進一步構思變量的處理方法和實驗結果的獲得手段。

對于實驗變量和反應變量來說，它們一般都隱藏在實驗課題之中，解題時應仔細審題，從中找出相關變量。例如，“驗證鎂是植物生活的必需元素”實驗，可以預期有鎂離子存在時植物能正常地生長發育，在缺鎂時植物則不能正常地生長發育，可見，有鎂或無鎂與植物的生長發育狀況之間具有因果關系，是該實驗研究的對象，所以該實驗的實驗變量為“有無鎂離子”，反應變量為“植物生長發育的狀況”。

無關變量指除了實驗變量之外對實驗現象和結果產生影響或干擾的因素。就“驗證鎂是植物生活的必需元素”實驗來說，影響植物生長發育狀況的因素除了培養液中有無鎂離子之外，尚有其他一些因素，如溫度、陽光、培養液中溶氧情況、植物起始的生長狀況，甚至培養容器等，這些因素都是無關變量。

2．2構思實驗分組和變量的控制方法

2．2．1 實驗分組和實驗變量的控制

在確定實驗變量以后，接下來應考慮實驗分組的情況。一般來說，同一實驗變量有幾種不同的處理類型，就應該將實驗分成幾組實驗，例如在“比較過氧化氫酶和Fe³⁺的催化效率”實驗中，實驗變量為催化劑的種類，有過氧化氫酶和Fe³⁺種類型，因此，該實驗應分成2組實驗。

在給實驗進行分組以后，接下來應該考慮實驗變量如何控制。對實驗變量進行控制，也就是給每組實驗中實驗對象施加不同的實驗變量處理類型，讓各組之間形成對照關系。對于不同的實驗來說，控制實驗變量的方法可能有一些差異，其中常用的方法有：“有和無”、“增和減”、“量多和量少”等。例如，“探究CO₂濃度對植物光合作用的影響”實驗中應對各組實驗中實驗對象植物提供不同濃度的CO₂濃度，這是采用“量多和量少”或“濃度變化”的處理；“驗證鎂是植物生活的必需元素”實驗中2個分組實驗一個提供鎂離子，另一個不提供鎂離子，這是采用的“有和無”的處理。

2．2．2無關變量的控制

在實驗分組并給予實驗對象以不同的實驗變量處理以后，可以預期實驗會出現一定的反應變量，即各組實驗中出現的實驗現象。然而，各組實驗中反應變量除了受到研究因素實驗變量的影響之外，還受到非研究因素無關變量的影響。如果在實驗設計中對各組實驗施加的無關變量也有一定差異，那么，實驗中組與組之間除了實驗變量處理類型不同之外，還有無關變量的差異，顯然，這不符合實驗設計的單一變量原則；在此設計背景下所產生的無關變量也就不能真實地反映實驗變量的某種生理作用或特征，也就是說無關變量對實驗現象造成了干擾。那么，在實驗設計中如何才能排除無關變量的干擾，并使實驗在純粹的狀態下能如實地反映研究對象呢?具體的方法是：對各組實驗給予相同的無關變量，并且使各個無關變量處于“常態”或“適宜”狀態，不致影響實驗的完成。例如，在“比較過氧化氫酶和Fe³⁺的催化效率”實驗中，在2個組中，催化劑用量、試管型號和潔凈程度、過氧化氫用量、反應體系中物質的混合程度和溫度都相同，就是為了避免非研究因素對實驗的干擾。

2．3確定反應變量的檢測方法

反應變量通常體現為在實驗中觀察到的實驗現象。各種實驗中常見的實驗現象有：特異的顏色反應、沉淀反應、生物形態結構和生理特性的變化、生物生長發育的速度和生化反應的速率等。

對反應變量的檢測，應根據反應變量的類型和性質及實驗的原理和實驗條件來具體確定觀察和檢測的方法。例如“比較過氧化氫酶和Fe³⁺的催化效率”實驗中反應變量為過氧化氫分解反應的速率(即O₂的釋放速率)，根據O₂的相關理化性質，該實驗以氣泡產生的數量和帶火星的衛生香燃燒的猛烈程度作為檢測反應變量的方法。

2．4實驗設計的一般步驟

先來分析“比較過氧化氫酶和Fe³⁺的催化效率”實驗中的方法步驟。第一步中“取兩支潔凈試管，編上號”，這是對實驗進行“分組編號”；第一步中“各注入2mL過氧化氫溶液”和第三步中“堵住試管口，輕輕地振蕩這兩支試管，使試管內的物質混合均勻”，這些操作都是對無關變量進行控制。第二步“向1號試管內滴入2滴肝臟研磨液。向2號試管內滴入2滴氯化鐵溶液”，這是對實驗變量進行控制。第三步中“觀察和記錄試管中產生氣泡多少”及第四步“觀察帶火星衛生香燃燒的猛烈程度”是對反應變量的檢測和現象的觀察、記錄。最后，通過對現象的分析，得出結論。根據對“比較過氧化氫酶和Fe³⁺的催化效率”實驗中方法步驟的分析，可以歸納出實驗設計的一般步驟是：

①依據實驗變量對實驗進行分組，并編號；②對實驗中變量進行控制：給各組施加不同的實驗變量類型，并使各組的無關變量相同，且處于“適宜”狀態或“常態”；③對反應變量進行檢測；④觀察和記錄實驗現象；⑤分析得出結論。

例：探究溫度對酶活性影響的實驗，需進行如下步驟：

①取三支試管，編號并注入2mL淀粉溶液；②向各試管注入1mL淀粉酶溶液；③向各試管滴一滴碘液；④將三支試管分別放在60℃的熱水、沸水和冰塊中維持5min；⑤觀察實驗現象最合理的實驗順序應為( )

A．①②③④⑤ B．①③②④⑤

C．①③④②⑤ D．①④②③⑤

分析：前面已經明確了實驗設計的方法步驟。在該實驗中“①取三支試管，編號”為實驗的分組編號，應放在第一步。“③向各試管滴一滴碘液”和“⑤觀察實驗現象”分別為反應變量的檢測和現象的觀察，應順次放在實驗的最后進行。剩下②和④兩步，它們都是對變量進行控制，②和④的排序應考慮實驗的可行性和能否達成實驗目的。如果按②和④操作，在向三支試管各注入1mL淀粉酶溶液后，最后3組實驗的反應變量相同，這樣就不能反映溫度與酶活性的關系；按④和②操作，顯然可以達成實驗目的。答案選：D。