控制原理在中學(xué)生物實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

生物學(xué)實(shí)驗(yàn)是通過控制和干預(yù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象而進(jìn)行的探索活動(dòng)。控制本身就是在分析的基礎(chǔ)上找出影響現(xiàn)象產(chǎn)生的各種因素，從而以控制或干預(yù)某一需要研究的因素來達(dá)到認(rèn)識(shí)事物本質(zhì)的目的。生物實(shí)驗(yàn)的成功與否主要取決于控制的嚴(yán)密程度。控制是生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的靈魂，沒有控制就沒有實(shí)質(zhì)意義上的生物實(shí)驗(yàn)。筆者通過實(shí)例來闡述控制原理在中學(xué)生物實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用。

1 生物實(shí)驗(yàn)中的控制原理

從認(rèn)識(shí)論的角度分析，生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中的控制無非有2大類：一類是沒法排除對(duì)研究對(duì)象的干擾，一類是設(shè)法對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行干擾。這是用2個(gè)相反的方式進(jìn)行的控制，其所依據(jù)的原理是減法原理和加法原理。

1.1 減法原理

實(shí)驗(yàn)控制中的減法原理就是設(shè)法排除某種因素對(duì)研究對(duì)象的干擾，同時(shí)盡量保持被考查對(duì)象的穩(wěn)定，從而在比較純粹的狀態(tài)下反映對(duì)象。實(shí)驗(yàn)變量是指實(shí)驗(yàn)中由實(shí)驗(yàn)者所操縱的因素或條件，無關(guān)變量是指除實(shí)驗(yàn)變量以外的影響實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或結(jié)果的因素或條件。如果實(shí)驗(yàn)變量是一個(gè)實(shí)驗(yàn)條件（是對(duì)研究對(duì)象而言，例如溫度、水、空氣對(duì)種子的萌發(fā)就是一個(gè)實(shí)驗(yàn)條件），在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)一般可運(yùn)用減法原理來操縱實(shí)驗(yàn)變量，即設(shè)法排除該實(shí)驗(yàn)變量對(duì)研究對(duì)象的干擾，同時(shí)盡量保持被研究對(duì)象的穩(wěn)定。如二氧化碳在光合作用中作用的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中氫氧化鉀的作用就是消除二氧化碳這一實(shí)驗(yàn)變量，通過對(duì)照，以確定二氧化碳對(duì)光合作用的影響，再如在生長素的發(fā)現(xiàn)過程中達(dá)爾文向光性實(shí)驗(yàn)和溫特實(shí)驗(yàn)、種子萌發(fā)條件的實(shí)驗(yàn)，中學(xué)生物實(shí)驗(yàn)中的光合作用幾個(gè)實(shí)驗(yàn)（植物的光合作用需要光和水）以及激素對(duì)動(dòng)、植物生長發(fā)育影響等實(shí)驗(yàn)都是運(yùn)用減法原理而設(shè)計(jì)的對(duì)照實(shí)驗(yàn)。另外，依據(jù)減法原理可以消除無關(guān)變量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yàn)證“鎂是植物生活的必需元素”在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，必須選擇生長狀況一致的大豆幼苗作實(shí)驗(yàn)材料，目的就是排除個(gè)體差異這一因素帶來的對(duì)生長發(fā)育的干擾作用。如果某些因素?zé)o法消除，如溫度、空氣等，就采取第二條途徑，即設(shè)法創(chuàng)造穩(wěn)定的、維持不變的相同條件進(jìn)行對(duì)照，以抵消或排除這些條件對(duì)研究對(duì)象的干擾。如上述實(shí)驗(yàn)中的個(gè)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(huán)境則只能建立對(duì)照組，并使其與實(shí)驗(yàn)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(zhì)元素都必須完全相同等，這是通過抵消來排除某些因素對(duì)生長發(fā)育干擾的方法。

1.2 加法原理

實(shí)驗(yàn)控制中的加法原理就是設(shè)法給研究對(duì)象施加干擾，造成研究對(duì)象的變化，從而使研究對(duì)象在被激發(fā)狀態(tài)中反映其某些特征。根據(jù)加法原理所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，不是保持或保護(hù)研究對(duì)象的原始狀態(tài)，而是要干擾甚至破壞研究對(duì)象的某種狀態(tài)。如果實(shí)驗(yàn)變量是一個(gè)外在的條件（是對(duì)研究對(duì)象而言的，例如在“探究二氧化硫?qū)χ参锶~片的影響”的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)變量二氧化硫?qū)θ~片就是一個(gè)外在的條件，因?yàn)槿~片正常情況下不生活在二氧化硫的環(huán)境中），在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)一般可運(yùn)用加法原理來操縱實(shí)驗(yàn)變量。如在研究甲狀腺激素的生理作用時(shí)，用含有甲狀腺激素的飼料喂蝌蚪在短時(shí)間內(nèi)變成一只小型青蛙，或用手術(shù)摘除小狗的甲狀腺，小狗會(huì)發(fā)生身體臃腫、行動(dòng)呆笨而遲緩、精神萎靡、食欲不振、身體發(fā)育停止等癥狀，從而證明甲狀腺激素有促進(jìn)新陳代謝、加速體內(nèi)物質(zhì)的氧化分解、促進(jìn)動(dòng)物個(gè)體的生長發(fā)育、提高神經(jīng)系統(tǒng)的興奮性的作用。運(yùn)用加法原理在對(duì)研究對(duì)象的控制中，往往進(jìn)行破壞性干預(yù)，迫使研究對(duì)象暴露出某種現(xiàn)象和屬性，在生物學(xué)的研究中也有很重要的作用。如在研究性激素的重復(fù)作用時(shí)，割除、移植公雞和母雞生殖腺的實(shí)驗(yàn)；研究生長激素的生理作用時(shí)，切除垂體后，幼年動(dòng)物生長立刻停滯等都是利用加法原理進(jìn)行研究的。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)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(cè)的一對(duì)脊神經(jīng)根（包含一個(gè)背根和一個(gè)腹根，見圖）。分別電刺激背根與腹根均可引起蛙同側(cè)后肢發(fā)生運(yùn)動(dòng)反應(yīng)。已知背根含有傳入神經(jīng)，腹根含有傳出神經(jīng)，背根和腹根合并成脊神經(jīng)。

請(qǐng)根據(jù)上述提供的實(shí)驗(yàn)材料（實(shí)驗(yàn)用具自選）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，并預(yù)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以分別驗(yàn)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(shí)是高等動(dòng)物反射的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)——反射弧， 反射弧由感受器、傳入神經(jīng)、神經(jīng)中樞、傳出神經(jīng)、效應(yīng)器組成，當(dāng)一定的刺激被感受器所感受，感受器發(fā)生興奮，興奮以神經(jīng)沖動(dòng)的形式經(jīng)反射弧各環(huán)節(jié)到達(dá)效應(yīng)器，使效應(yīng)器發(fā)生相應(yīng)的活動(dòng)。本題設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)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(jié)構(gòu)，迫使研究對(duì)象暴露出某種現(xiàn)象，從而來研究背根、腹根各自的功能。

答案：實(shí)驗(yàn)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(fā)生運(yùn)動(dòng)反應(yīng)。預(yù)期結(jié)果：電刺激背根向中段發(fā)生蛙后肢運(yùn)動(dòng)反應(yīng)；電刺激背根外周段不發(fā)生反應(yīng)，說明背根具有傳入功能。

實(shí)驗(yàn)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(fā)生運(yùn)動(dòng)反應(yīng)。預(yù)期結(jié)果：電刺激腹根向中段不發(fā)生反應(yīng)，電刺激腹根外周段應(yīng)發(fā)生蛙后肢運(yùn)動(dòng)反應(yīng)，說明腹根具有傳出功能。