從教材實驗看生物實驗設(shè)計的基本方法

生物實驗設(shè)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(shè)計和實驗探究的能力，對學生來說是一個難點。這類實驗設(shè)計題，教材中雖然沒有實驗原型，但它們所涉及到的實驗設(shè)計的基本方法卻是來源于教材。因此，要搞好生物實驗設(shè)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(xiàn)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(jié)歸納出實驗設(shè)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(chǔ)上歸納出生物實驗設(shè)計的一般方法。

1 對教材中相關(guān)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(chǎn)生氣泡的數(shù)量和衛(wèi)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(xiàn)象，但不是實驗所研究的內(nèi)容，稱為無關(guān)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(chǎn)生的數(shù)量和衛(wèi)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(xiàn)象的變化和結(jié)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(guān)系。也正是由于二者間的這種因果關(guān)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(guān)實驗變量的一些定性或定量的實驗數(shù)據(jù)資料。無關(guān)變量對過氧化氫分解的影響也是顯而易見的，在無關(guān)變量發(fā)生變化時，過氧化氫的分解速率很可能會發(fā)生一定的變化，這種由無關(guān)變量所引起的變化和結(jié)果，稱為額外變量。

1．2實驗中滲透的實驗設(shè)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(guān)變量均相同，這符合實驗設(shè)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(zhì)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(xiàn)了對照性原則。

2 實驗設(shè)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(shè)計都是圍繞變量來展開的，因此，一個實驗課題在設(shè)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(gòu)思變量的處理方法和實驗結(jié)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(guān)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(fā)育，在缺鎂時植物則不能正常地生長發(fā)育，可見，有鎂或無鎂與植物的生長發(fā)育狀況之間具有因果關(guān)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(fā)育的狀況”。

無關(guān)變量指除了實驗變量之外對實驗現(xiàn)象和結(jié)果產(chǎn)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(fā)育狀況的因素除了培養(yǎng)液中有無鎂離子之外，尚有其他一些因素，如溫度、陽光、培養(yǎng)液中溶氧情況、植物起始的生長狀況，甚至培養(yǎng)容器等，這些因素都是無關(guān)變量。

2．2構(gòu)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(guān)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(guān)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(xiàn)一定的反應變量，即各組實驗中出現(xiàn)的實驗現(xiàn)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(guān)變量的影響。如果在實驗設(shè)計中對各組實驗施加的無關(guān)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(guān)變量的差異，顯然，這不符合實驗設(shè)計的單一變量原則；在此設(shè)計背景下所產(chǎn)生的無關(guān)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(guān)變量對實驗現(xiàn)象造成了干擾。那么，在實驗設(shè)計中如何才能排除無關(guān)變量的干擾，并使實驗在純粹的狀態(tài)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(guān)變量，并且使各個無關(guān)變量處于“常態(tài)”或“適宜”狀態(tài)，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(zhì)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(xiàn)為在實驗中觀察到的實驗現(xiàn)象。各種實驗中常見的實驗現(xiàn)象有：特異的顏色反應、沉淀反應、生物形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理特性的變化、生物生長發(fā)育的速度和生化反應的速率等。

對反應變量的檢測，應根據(jù)反應變量的類型和性質(zhì)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(jù)O₂的相關(guān)理化性質(zhì)，該實驗以氣泡產(chǎn)生的數(shù)量和帶火星的衛(wèi)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(shè)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(nèi)的物質(zhì)混合均勻”，這些操作都是對無關(guān)變量進行控制。第二步“向1號試管內(nèi)滴入2滴肝臟研磨液。向2號試管內(nèi)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(chǎn)生氣泡多少”及第四步“觀察帶火星衛(wèi)生香燃燒的猛烈程度”是對反應變量的檢測和現(xiàn)象的觀察、記錄。最后，通過對現(xiàn)象的分析，得出結(jié)論。根據(jù)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(shè)計的一般步驟是：

①依據(jù)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(guān)變量相同，且處于“適宜”狀態(tài)或“常態(tài)”；③對反應變量進行檢測；④觀察和記錄實驗現(xiàn)象；⑤分析得出結(jié)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(xiàn)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(jīng)明確了實驗設(shè)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(xiàn)象”分別為反應變量的檢測和現(xiàn)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(guān)系；按④和②操作，顯然可以達成實驗目的。答案選：D。