什么樣的實驗設計最嚴謹？

張玉明　宣雯雯

實驗設計應當科學合理，嚴謹周密，經得起推敲，實驗結論方能科學可靠，令人信服。高考應試時，如果實驗設計不夠嚴謹，哪怕有微小的缺陷或瑕疵，都會令閱卷老師對整個實驗過程和結果產生懷疑，從而導致嚴重失分。下面通過一些具體的實驗實例，從實驗的檢測方法、變量排除、操作步驟、實驗材料等幾個方面，剖析影響中學生物實驗設計嚴密性的一些常見原因及方法改進。

一、實驗結果檢測的方法不當

例1 豬籠草是一種食蟲植物，為了驗證豬籠草分泌液中有蛋白酶，某學生設計了一個實驗，如圖實驗①所示。在35℃水浴中保溫一段時間后，甲、乙試管中加入適量的雙縮脲試劑。觀察實驗結果。若甲、乙兩支試管都變紫色，說明甲試管中的蛋白質沒有被分解，則得出結論：豬籠草分泌液中沒有蛋白酶。若甲試管不變紫色，乙試管變紫色，說明甲試管中的蛋白質已被分解，則得出結論：豬籠草分泌液中有蛋白酶。

實驗① 實驗②

【分析】實驗①的設計似乎沒有問題，但仔細考慮一下就會發現，若甲試管中的分泌液中有蛋白酶，則將甲試管中的蛋白質分解掉后，雖然試管中沒有蛋白質了，但分泌液中的蛋白酶依然在，它也是蛋白質，可能也會引起顏色反應，量雖然很少，但甲試管畢竟還是存在蛋白質，因此該實驗的設計并不是很嚴謹，需要改進。

【改進】改進后的實驗如圖實驗②。改進后的實驗不再使用蛋白液而改用蛋白塊，不再用雙縮脲試劑來檢驗丙、丁兩試管中蛋白質有沒有被分解，而是通過觀察蛋白塊是否消失來判斷分泌液中有沒有蛋白酶。蛋白塊消失則說明分泌液中有蛋白酶，蛋白塊不消失則說明分泌液中沒有蛋白酶，從而避免了前面所提的不嚴謹之處。

二、無關變量的影響沒有排除

例2 某學生利用如下裝置設計實驗測定植物的光合作用強度，具體方法步驟如下。

先用該裝置測定植物的凈光合作用強度：①在裝置的D中放入適量的NaHCO3溶液；②將裝置放在光照強度和溫度等條件適宜的環境中，60分鐘后記錄裝置紅墨水滴移動的方向和刻度，并填入下表。

再用該裝置測定植物的呼吸作用強度，方法步驟：①在裝置的D中放入適量的NaOH溶液；②將裝置遮光處理，60分鐘后分別記錄裝置紅墨水滴移動的方向和刻度，并填入下表。

實驗目的 裝置 實驗60分鐘后紅墨水滴移動情況

測定凈光合作用強度 甲 向_____（填左或右）移動 厘米

測定呼吸作用強度 甲 向_____（填左或右）移動 厘米

上述兩項的數值相加即為植物的光合作用強度。

【分析】上述實驗看起來好像沒有問題，其實不夠嚴密。實驗測得的數值并沒有經過校正，也就是沒有排除無關變量的影響。在實驗中，由于光照等因素的影響，可能會導致裝置內的溫度上升，使得其中氣體體積膨脹，測得的數值有可能偏大。排除無關變量影響的最佳方法是設計相應的對照實驗，原來的實驗裝置為甲，再增加一個同樣的裝置乙，將其中的植物改成死的植物。

【改進】改進實驗裝置如下：

先測定植物的凈光合作用強度：①在甲、乙兩裝置的D中都放入等量NaHCO3溶液，裝置乙作為對照；②將甲、乙兩裝置放在光照強度和溫度等條件相同的適宜環境中；③60分鐘后分別記錄甲、乙兩裝置紅墨水滴移動的方向和刻度，并填入下表。

再測定植物的呼吸作用強度：①在甲、乙兩裝置的D中都放入等量的NaOH溶液，裝置乙作為對照；②將甲、乙兩裝置遮光處理，放在溫度等條件相同的環境中；③60分鐘后分別記錄甲、乙兩裝置紅墨水滴移動的方向和刻度，并填入下表。

實驗目的 裝置 實驗60分鐘后紅墨水滴移動情況

測定凈光合

作用強度 甲 向_____（填左或右）移動 厘米

乙 向_____（填左或右）移動 厘米

測定呼吸

作用強度 甲 向_____（填左或右）移動 厘米

乙 向_____（填左或右）移動 厘米

乙裝置的讀數是對甲裝置讀數的修正，從而排除了光照、溫度等無關變量的變化對實驗結果的影響。

三、自變量的分析不夠全面

例3 某同學為了驗證胚芽鞘尖端是感光部位的結論，設計了如圖所示一組實驗。

該同學認為，兩個實驗形成一組對照，實驗①整個胚芽鞘裸露，單側光照射發生向光彎曲生長，實驗②尖端用不透光的錫鉑小帽遮光，尖端以下部位裸露，單側光照射直立生長，得出結論：尖端是感光部位，尖端以下不是感光部位。

【分析】以上實驗和分析似乎非常合理，無懈可擊，但仔細推敲，卻不夠嚴密，問題出在對自變量的分析不夠全面。該實驗的自變量應有三個，即感光部位有三種可能：尖端、尖端以下部位、尖端和以下部分共同組成一個感光部位。實驗②只能確定尖端以下不是感光部位，剩余兩種可能無法判斷，還需再增加一個實驗才可。

【改進】改進后的實驗設計如下。

改進后的實驗③是尖端以下部位也用錫鉑遮光，用單側光照射，實驗③的結果如圖彎曲生長，從而排除尖端和以下部分共同組成一個感光部位的可能性，從而肯定尖端是感光部位。假如實驗③是直立生長，則排除尖端是感光部位的可能性，肯定尖端和以下部分共同組成一個感光部位的可能性。達爾文當年正是設計了上述三個實驗來研究植物向光性的。

四、實驗操作步驟設計不嚴謹

例4 某學生為了探究溫度對酶活性的影響，設計的實驗方法步驟如下：

（1）取3支潔凈的試管，編上號，并且分別注入2 mL質量分數為3%的可溶性淀粉；

（2）將3支試管分別放在60 ℃左右的熱水、沸水、冰塊中各維持5 min；

（3）取出，分別滴入1 mL質量分數為2%的新鮮淀粉酶溶液，搖勻后，再在各自溫度中維持5 min；

（4）在3支試管中分別滴入1滴碘液，觀察現象。按照課本實驗原理的推測，沸水和冰塊中的試管應變藍色，而60 ℃左右熱水中的試管不變藍色。

【分析】該實驗設計似乎沒有問題，許多教輔材料和習題集都是這樣設計的，其實還是值得商榷。根據實驗設計的程序，步驟（3）是先將3支盛有可溶性淀粉液的試管處在60 ℃左右熱水、沸水、冰塊中，目的是使淀粉液達到實驗所要求的不同溫度條件，探索不同溫度對淀粉酶活性的影響。但是，步驟（3）中滴入的是室溫下的淀粉酶溶液，室溫時淀粉酶溶液的溫度一般維持在15 ℃—20 ℃左右，這樣，當滴入淀粉酶溶液后，試管中的溫度必然會發生改變：60 ℃和沸水中的溫度會暫時下降，冰塊中的溫度會暫時上升。另外滴入的淀粉酶溶液量也比較多，與淀粉液溶液的體積比是1∶2，有的資料是1∶1，再加上酶具有高效性這一特點，因此在步驟（3）中，當分別滴入淀粉酶溶液后，由于試管中溫度的瞬間改變，尤其是置于沸水和冰塊中的試管內溫度的改變，淀粉酶溶液可能很快就將淀粉液給分解了，即使搖勻后，再放入各自的溫度中維持5分鐘，那已經沒有什么意義了，在步驟（4）中，再各滴入1滴碘液后，3支試管有可能都不變藍色。

【改進】改進后的實驗設計如下。

（1）取3支潔凈的試管，編號，分別注入2 mL質量分數為3%的可溶性淀粉液；同時，再取3支潔凈試管，編號，分別注入2 mL質量分數為2%的新鮮淀粉酶溶液。

（2）將3支盛有淀粉液的試管分別放入60 ℃左右的熱水、沸水、冰塊中，同時，在三種溫度中各放入一個盛有淀粉酶溶液的試管，維持各自的溫度5 min。

（3）將三種溫度下的淀粉酶溶液分別倒入各自溫度下的3支淀粉液試管中，搖勻后，維持各自的溫度5 min。

（4）在3支試管中各滴入1滴碘液，搖勻，觀察其顏色變化。

改進后的實驗步驟保證了酶與淀粉溶液一接觸的瞬間就使反應處在所要求的溫度條件下，從而自始至終將實驗控制在所要求的條件下，如此實驗才能稱為嚴密。

五、實驗材料選擇不當

探究溫度對酶活性的影響時，我們一般選擇淀粉溶液和淀粉酶做實驗材料，而不采用過氧化氫溶液和過氧化氫酶。原因是：雖然在一定范圍內，隨溫度升高，過氧化氫酶活性增大，由過氧化氫酶催化的過氧化氫的分解速率會加快，但是，由于過氧化氫溶液在沒有酶催化的情況下也能自行分解，而且自行分解的速率也會隨著環境溫度的升高而升高，從而對實驗結論產生影響。因此如果選擇過氧化氫溶液和過氧化氫酶為實驗材料，來探究溫度對酶活性的影響，則實驗設計就會不夠嚴密。而改用淀粉溶液和淀粉酶做實驗，則可避免這種不夠嚴密的問題。

同樣道理，在探究pH對酶活性的影響時，我們通常選擇過氧化氫溶液和過氧化氫酶作實驗材料，而不用淀粉和淀粉酶，因為在酸性溶液中淀粉會自行水解成麥芽糖、葡萄糖。當酸性較強時，也就是pH較小時，酶失活，淀粉水解應當停止，但由于在酸性溶液中淀粉會自行分解，從而干擾實驗結果。而過氧化氫溶液的自行分解則不受pH變化的影響。

嚴密性是實驗設計的最基本要求，也是最重要的一項要求。缺乏嚴密性的實驗是沒有說服力的，得出的結論也是不能讓人信服的。記得艾弗里在做肺炎球菌的轉化實驗時，他已將肺炎球菌的DNA提純到了99.98%的純度，只含有0.02%的雜質，但他的“肺炎球菌的轉化因子是DNA”的結論，依然沒有能說服當時那些挑刺的科學家，由此可見，實驗的嚴謹性對于實驗結論的正確性和科學性是多么的重要！