例析生物實驗設計的變量與控制

摘要 對生物實驗設計中的各種變量及其控制方法加以舉例分析。

關鍵詞 生物實驗設計 變量 控制

中圖分類號G633.91 文獻標識碼Q

生物實驗設計題在近年來的高考試卷中占據了較大的篇幅，許多學生在遇到此類試題時，常常無所適從。其實仔細分析不難發現，幾乎所有的實驗設計題都是圍繞著實驗的變量及其控制來設置的，，因此，只要明確了實驗設計的各種變量及其控制方法，許多實驗便可迎刃而解。

1 變量

變量是指實驗設計中可以變化的因素或條件。根據其在實驗中的作用，可以分為以下兩類。

1．1實驗變量與反應變量

實驗變量(又稱自變量)是指實驗中由實驗者所操縱的因素或條件。該條件的改變，將引起實驗結果的相應改變，它是實驗要研究的因素。生物學實驗中．的實驗變量既可以是事物數量的多少，也可以是事物的本身，還可以是事物的某種狀態，如光照強度、溫度、時間、溶液濃度等，都可以成為實驗設計的自變量。例如，“探究溫度對唾液淀粉酶水解淀粉的影響”的實驗，其實驗變量就是溫度，即低溫(冰塊)、適溫(37℃)和高溫(沸水浴)；反應變量(又稱因變量)是指實驗中由實驗變量而引起的變化和結果。通常實驗變，量是原因，反應變量是結果，二者具有因果關系。如“探究溫度對唾液淀粉酶水解淀粉的影響”的實驗，由于溫度的改變，唾液淀粉酶水解淀粉的反應結果隨之改變，從而說明唾液淀粉酶的活性不同，這就是反應變量。

例1 某生物興趣小組的研究性學習課題是“探究青霉素對酵母菌生長的影響”，請指出該實驗的實驗變量和反應變量各是什么?

答案：實驗變量是青霉素，反應變量是培養基中酵母菌菌落的生長情況(有無菌落的形成)。

1．2無關變量與額外變量

無關變量并不是與實驗現象或結果無關，而是指實驗中除實驗變量以外的影響實驗現象和結果的其它因素或條件。如“探究溫度對唾液淀粉酶水解淀粉的影響”的實驗的無關變量有：淀粉溶液的濃度、量，淀粉酶溶液的濃度、量、新鮮程度，試管的型號，不同溫度處理的時間長短，實驗操作的程序等；而額外變量(又稱干擾變量)是指實驗中由于無關變量而引起的變化和結果。顯然，額外變量會對反應變量起干擾作用，以至于造成實驗誤差。如“探究溫度對唾液淀粉酶水解淀粉的影響”的實驗中，pH就是其中一個無關變量，若pH值不適宜，將會出現不應有的實驗誤差，從而導致實驗的失敗。

例2 實驗“探究pH對過氧化氫酶活性的影響”。請指出該實驗的無關變量是什么?

答案：該實驗的無關變量有：溫度、過氧化氫的體積和濃度、過氧化氫酶的量等。

2 變量的控制

根據實驗目的和實驗原理，對實驗中的各個變量進行不同方式的控制是生物實驗設計最關鍵的步驟，也是生物實驗設計的靈魂。其包括以下三個方面。

2．1操縱實驗變量

首先要根據實驗目的，確定實驗變量。確定的方法是：實驗要“驗證什么”、要“證明什么”、要“探究什么”，“什么”就是實驗變量，如“探究生長素類似物促進插條生根的最適濃度”的實驗，自變量就是不同濃度的生長素類似物溶液。其次是如何操縱實驗變量，這是實驗是否成功的關鍵一步。可在實驗中設法給實驗對象以干擾，造成實驗對象的變化，從而使研究對象在被干擾的狀態中反映出某種現象和屬性，常用的操縱方法包括施加、改變、去除，即采用“有”與“無”、“多”與“少”、“濃度、pH、數量或位置的變化”等方法。如在“驗證甲狀腺激素對蝌蚪發育的影響”的實驗中，其操縱實驗變量的方法是：向實驗組的食物中加入甲狀腺制劑，對照組的食物中不加甲狀腺制劑。

例3 探究不同pH的酸雨對小麥種子萌發的影響。設計該實驗時，如何操縱實驗變量?

解析：該實驗的自變量是一系列不同pH的酸雨，操縱該實驗變量時，不僅要采用酸雨的“有”(實驗組)與“無”(對照組)，又要采用酸雨的“pH的變化”(一系列具有一定梯度的不同pH的酸雨)。如此才能體現本實驗的目的和要求。

2．2控制無關變量

無關變量的控制是實驗設計的基本要求，其目的是在比較純粹的狀態下反映研究對象，以減小實驗誤差。一般有以下4條途徑：第1條是排除因實驗對象個體差異帶來的影響，如通常選擇生長狀況一致的動植物隨機分組；第2條是設置對照實驗，以創造穩定的、維持不變的相同條件，從而抵消或排除這些條件對實驗對象的干擾。設置對照組的一般要求是除實驗變量外，其他如生物材料、實驗器具、實驗試劑和操作程序等都要相同；第3條是設法提供適宜條件，以排除不利環境條件對實驗對象的影響，防止產生錯誤的實驗結果；第4條是為避免實驗結果的偶然性，一般需設計平行重復實驗，即在同樣的條件下重復實驗，從而使得出的實驗結果及結論更科學、更具可信度。

例4 探究pH值對唾液淀粉酶活性的影響。請指出該實驗控制無關變量的方法是什么?

解析：生物實驗設計中，設置對照實驗是排除無關變量干擾的有效方法，即在實驗組和對照組中，做到無關變量相同且適宜。

答案：設置對照實驗，做到實驗組和對照組的溫度、唾液淀粉酶的量、淀粉溶液的量、反應時間、加入碘液的量及時間等無關變量都要相同且適宜。

2．3檢測反應變量

任何一個實驗結果的獲得，都是通過對反應變量的檢測來完成的，由此可知，反應變量要有相應的觀察和測量指標，這樣才能對結果進行捕獲。常用的檢測反應變量的觀測指標有兩類：一類是物化指標，包括顏色變化、溫度和pH的變化、氣體體積和壓強的變化、反應速率、反應時間、沉淀生成、氣味變化、氣泡的產生等；另一類是生物指標，包括形態結構和生理l狀況的變化、生長發育狀況、存活狀態、菌落特征等。實驗者應從實驗目的出發，根據實驗原理選擇相應的觀測指標，一般以選用那些特異性強、靈敏度高、準確可靠的客觀指標為宜。

例5 在“溫度對酶活性的影響”實驗中，其反應變量的檢測方法是什么?

解析：該實驗的自變量是溫度，即熱水(60℃)、沸水(100℃)和冰塊(0℃)；

反應變量是不同溫度下酶活性的有無及活性強弱，而酶活性的變化不能直接觀察到，只能通過加碘液以觀察溶液是否變藍及變藍的程度，來確定淀粉酶是否有活性及催化活性的強弱。

答案：通過加碘液觀察溶液是否變藍及變藍的程度來檢測反應變量。

3 生物實驗設計實例分析

題目：某研究性學習小組從一個農科所獲得了一種復合肥料，他們想利用以下實驗材料和器具設計實驗，探究不同濃度的復合肥料對水稻種子萌發和生長的影響。若你是小組的一員，請參與他們的實驗設計。材料及器具：水稻種子、培養皿、試管、脫脂棉、復合肥料顆粒、蒸餾水、直尺等

實驗步驟：

解析：實驗設計的關鍵是變量的確定和控制，根據題目提供的條件和要求，可作如下分析：

實驗變量：各種不同濃度的復合肥料溶液。

操縱方法：①配制幾種不同濃度的復合肥料溶液。

②對實驗組研究對象施加干擾。

無關變量：①種子籽粒飽滿程度、大小是否一致等。

②影響種子萌發的水分、溫度、空氣和光照等外界條件。

③同一粒種子實驗的偶然性。

控制方法：①選取籽粒飽滿、大小一致的水稻種子。

②設置對照實驗，給實驗組和對照組以相同的適宜種子萌發的外界環境條件。

③根據重復實驗原則，選取一定數量的種子進行實驗。

反應變量：①種子萌發情況(發芽率)。

②水稻幼苗的株高。

檢測方法：①統計發芽率。

②用直尺測量幼苗株高，并計算平均值。

答案：(1)用蒸餾水配制一系列不同濃度的復合肥料溶液。

(2)將分別用不同濃度的復合肥料溶液浸潤過的脫脂棉，平鋪在不同的培養皿中，并另設置一個用蒸餾水代替復合肥料溶液處理的空白對照組。

(3)選取籽粒飽滿、大小一致的水稻種子，隨機分組，并分別放入上述培養皿中。

(4)將上述裝置放在溫度、空氣等外界環境條件相同且適宜的地方培養。

(5)幾天后統計各組的發芽率，用直尺測量幼苗株高，并計算平均值。