生物實(shí)驗設(shè)計中的對照原則

　　從歷年高考來看，實(shí)驗設(shè)計題已成為生物學(xué)高考實(shí)驗題的重點(diǎn)。對照實(shí)驗的設(shè)計是實(shí)驗設(shè)計的最常見題型。對照是實(shí)驗控制的手段之一，目的是平衡和消除無關(guān)變量對實(shí)驗結(jié)果的影響。對照原則是設(shè)計和實(shí)施實(shí)驗的重要原則之一。通過設(shè)置對照實(shí)驗，既能排除無關(guān)變量對實(shí)驗結(jié)果的影響，又能增加實(shí)驗結(jié)果的可信度和說服力。
　　通常，一個實(shí)驗可以分為實(shí)驗組和對照組。實(shí)驗組就是接受實(shí)驗變量處理的對象組；對照組也叫控制組，相對于實(shí)驗假設(shè)而言，就是不接受實(shí)驗變量處理的對象組。至于哪個對象組作為實(shí)驗組，哪個對象組作為對照組，一般是隨機(jī)決定的。這樣，從理論上講，由于無關(guān)變量對實(shí)驗組和對照組的影響是相等的，已經(jīng)被平衡了的，所以實(shí)驗組和對照組之間的差異，就可認(rèn)為是來自實(shí)驗變量的效果。這樣的實(shí)驗結(jié)果是可信的，更具有說服力。
　　一、對照類型
　　按對照的內(nèi)容和形式上的不同，通常有以下四種對照類型。
　　1.空白對照
　　指的是不對實(shí)驗對象做任何處理。例如，在實(shí)習(xí)一“動物激素飼喂小動物的實(shí)驗”中，在1號玻璃缸中加入甲狀腺激素5㎎；3號玻璃缸中不加藥作為空白對照。在“唾液淀粉酶催化淀粉水解”的實(shí)驗中，實(shí)驗組滴加了唾液淀粉酶液，而對照組只滴加了等量的蒸餾水作為空白對照。通過設(shè)置空白對照能明顯地對比和襯托出實(shí)驗組的變化和結(jié)果，增強(qiáng)了說服力。
　　2.自身對照
　　指的是實(shí)驗與對照在同一實(shí)驗對象上進(jìn)行，不再設(shè)置對照組。自身對照又有兩種情況：一種是同一研究對象在實(shí)驗前后對照，例如，實(shí)驗七“觀察植物細(xì)胞的質(zhì)壁分離與復(fù)原”實(shí)驗，“激素調(diào)節(jié)與行為”中涉及的雞的閹割實(shí)驗，就是典型的自身前后對照。自身前后對照，方法簡便，關(guān)鍵是要看清楚實(shí)驗處理前后現(xiàn)象變化的差異。另一種是在同一研究對象的不同部位進(jìn)行對照。例如，在“光合作用的發(fā)現(xiàn)”中，德國科學(xué)家薩克斯做的實(shí)驗：把綠色葉片放在暗處幾小時，目的是讓葉片中的營養(yǎng)物質(zhì)消耗掉，然后把這個葉片一半曝光，另一半遮光。過一段時間后，用碘蒸氣處理葉片，發(fā)現(xiàn)遮光的那一半葉片沒有顏色變化，曝光的那一半葉片則呈深藍(lán)色。這個實(shí)驗就是這種情況，研究對象為同一葉片，曝光的一半為實(shí)驗組，遮光的一半為對照組。
　　3.條件對照
　　指的是雖然給實(shí)驗對象施以某種實(shí)驗處理，但這種處理是作為對照意義的，也就是說這種處理不是實(shí)驗假設(shè)所給定的實(shí)驗變量意義的，不是所要研究的處理因素。這種對照方法是指不論實(shí)驗組還是對照組的對象都作不同條件的處理，目的是通過得出兩種相對立的結(jié)論，以驗證實(shí)驗結(jié)論的正確性。例如，在實(shí)習(xí)一“動物激素飼喂小動物的實(shí)驗”中，在1號玻璃缸中加入甲狀腺激素5㎎（實(shí)驗組）；在2號玻璃缸中加入甲狀腺抑制劑（甲硫咪唑）5mg（條件對照組）；3號玻璃缸中不加藥（空白對照組）。顯然，2號玻璃缸為條件對照。該實(shí)驗既設(shè)置了條件對照，又設(shè)置了空白對照，通過比較、對照、更能充分說明實(shí)驗變量——甲狀腺激素能促進(jìn)幼小動物的生長發(fā)育。
　　4.相互對照
　　指的是不再另設(shè)對照組，而是幾個實(shí)驗組相互對比對照。例如，在“溫度對酶活性的影響”實(shí)驗中，不同溫度條件處理下的幾個實(shí)驗組是作為相互對照的。在“pH值對酶活性的影響”實(shí)驗中，采用的也是相互對照，較好地平衡和消除了無關(guān)變量的影響，使實(shí)驗結(jié)果更具有說服力。
　　二、對照實(shí)驗設(shè)計的注意事項
　　1.明確實(shí)驗?zāi)康?br/>　　一切從目的出發(fā)，認(rèn)真審題，明確實(shí)驗的類型，是探究性實(shí)驗還是驗證性實(shí)驗，該實(shí)驗要解決什么問題，探索哪方面的生物學(xué)規(guī)律，是否需要設(shè)置對照，做到有的放矢，目的明確。
　　2.弄清實(shí)驗原理
　　實(shí)驗原理是實(shí)驗的根據(jù)和思路。如已知淀粉遇碘顯藍(lán)色，蛋白質(zhì)遇碘顯黃色，現(xiàn)有漿糊、蛋清液、唾液、碘液等材料，設(shè)計實(shí)驗驗證酶的專一性。驗證酶的專一性可利用淀粉酶只催化淀粉水解，不催化蛋白質(zhì)水解來證明，也可利用淀粉酶、蛋白酶同時去作用淀粉或蛋白質(zhì)來證明。根據(jù)已知條件，此題是利用前一種原理來設(shè)計實(shí)驗。如果設(shè)計為：先取試管2個，往其中各注入2ml糨糊，再分別加入淀粉酶、蛋清液各2ml……這是由于不理解實(shí)驗原理導(dǎo)致的錯誤設(shè)計。
　　3.合理選取材料
　　選取材料時，要考慮材料的相似性和一致性；使用性和可控性；易行性和經(jīng)濟(jì)性；可靠性。如實(shí)習(xí)一“動物激素飼喂小動物的實(shí)驗”中，首先要選擇幼體，而且能體現(xiàn)出發(fā)育的，則首選材料為蝌蚪，因青蛙的胚后發(fā)育屬于變態(tài)發(fā)育，而且又是在短時間內(nèi)完成，實(shí)驗現(xiàn)象明顯，容易觀察。對照組和實(shí)驗組使用的蝌蚪最好是同時孵化出的、大小相似的同種蝌蚪。另外若題干中已給出材料，注意不要更換。如提供的是未萌發(fā)的種子……證明其可進(jìn)行呼吸作用，若設(shè)計時使用了萌發(fā)的種子，則與題干材料不符。
　　4.設(shè)置單一變量
　　單因子變量原則，即控制其它因素不變，而只改變其中某一因素，觀察其對實(shí)驗結(jié)果的影響。通常的單因子變量一般是題目中所要驗證的事實(shí)。如“證明溫度對酶活性的影響”的實(shí)驗中，變量為溫度。除了溫度不同外，其他實(shí)驗條件完全相同。如設(shè)計實(shí)驗證明鎂是綠色植物的必需礦質(zhì)元素，假如設(shè)計為：分別往兩只廣口瓶中注入等量的含鎂的培養(yǎng)液、缺鎂的培養(yǎng)液……這樣設(shè)計貌似變量只有一個，實(shí)際上含鎂的培養(yǎng)液中可能還缺其他的必需礦質(zhì)元素；缺鎂的培養(yǎng)液中也未必只缺鎂。結(jié)果可能兩廣口瓶中的綠色植物均可能患病，而且患病可能由多種因素導(dǎo)致，這樣就起不到對照作用。
　　5.防止干擾
　　實(shí)驗設(shè)計不僅要設(shè)置單一變量，而且要使無關(guān)變量（除單一變量外，對實(shí)驗結(jié)果也有影響的變量）不影響實(shí)驗結(jié)果。如在“證明pH值對酶活性的影響”的實(shí)驗中，要使除pH值以外的其他變量不影響酶的活性，如溫度要保持在最適溫度，以保證酶能發(fā)揮出最佳催化效果。此外單一變量也要考慮度、量的問題，以體現(xiàn)出應(yīng)該有的結(jié)果差異。如證明酶的高效性時，加入的無機(jī)催化劑與酶既要等量，又要適宜，不能太多；證明pH值對酶活性的影響時，不同pH值之間不能相差太小，也不能相差太大，要設(shè)置合適的梯度。
　　6.安排最佳步驟
　　合理、嚴(yán)密的步驟是實(shí)驗成敗的重要因素之一。大多數(shù)實(shí)驗都有嚴(yán)密的實(shí)驗步驟，不能隨便變換實(shí)驗步驟，如“證明pH值對酶活性的影響”的實(shí)驗中，調(diào)節(jié)pH值一定要放在加入酶之前。個別實(shí)驗允許變換某些步驟，如證明淀粉酶的催化作用時，可在加有淀粉溶液各2ml、碘液各2滴的2支試管中，分別加入淀粉酶、水各2ml，置于60℃的水浴中，觀察藍(lán)色的褪去情況。在此實(shí)驗中，碘液也可以安排在最后加入，通過觀察試管中是否顯藍(lán)色來判斷酶是否產(chǎn)生了催化作用。