小議高中生物試驗設計

摘要： 本文闡述了生物實驗設計的理論知識：科學性原則、平行重復原則、可行性原則、隨機性原則、簡便性原則、單一變量原則和等量性原則及對照性原則。

關鍵詞： 實驗設計 分析問題 解決問題

試驗與探究能力是高考生物考查的最重要的能力目標之一。試驗設計是生物試驗中的一種類型，它能較全面地考查學生的試驗知識和基本技能、分析和解決問題的能力以及創造能力，因而在高考試題中出現率比較穩定。由于學生缺乏試驗設計的有關理論知識，平時的練習也偏少，所以，遇到這類題型會感到茫然，無所適從。為解決這一問題，現將高中生物試驗設計中幾個重要的概論列出來，僅供大家參考，以期達到增加學生理論知識，提高學生分析問題和解決問題的能力的目的。

在做試驗設計題時，首先應該知道實驗設計的相關理論知識：

1.科學性原則 實驗是人為控制條件下研究事物(對象)的一種科學方法；是依據假設，在人為條件下對實驗變量的變化和結果進行捕獲、解釋的科學方法。因此，在實驗設計中必須有充分的科學依據。科學性原則包括實驗原理的科學性、實驗材料選擇的科學性、實驗方法的科學性、實驗結果處理的科學性。

2.平行重復原則 即控制某種因素的變化幅度，在同樣條件下重復實驗，觀察其對實驗結果影響的程度。任何實驗都必須能夠重復，這是具有科學性的標志。任何實驗必須有足夠實驗次數，才能避免結果的偶然性，使得出的結論準確、科學。采用平行重復的原則可消除無關變量與額外變量的干擾，可多次重復該實驗，使得實驗結果更加客觀、科學。

3.可行性原則 可行性原則是指在設計生物學實驗時，從實驗原理、實驗的實施到實驗結果的產生，都要具有可行性。

4.隨機性原則 隨機性原則是指被研究的樣本是從總體中任意抽取的。這樣做的意義在于：一是可以消除或減少系統誤差，使顯著性測驗有意義；二是平衡各種條件，避免實驗結果中的偏差。

5.簡便性原則 實驗設計時，要考慮到實驗材料要容易獲得，實驗裝置簡單，實驗藥品較便宜，實驗操作較簡便，實驗步驟較少，實驗時間較短。

6.單一變量原則和等量性原則 此兩個原則都是在設計對照實驗時必須堅持的原則。所謂單一變量原則，強調的是實驗組和對照組相比只能有一個變量，只有這樣，當實驗組和對照組出現不同結果時，才能確定造成這種不同結果的原因肯定是這個變量造成的，從而證明實驗組所給實驗因素的作用。因此在設計對照組實驗時首先要確定變量并加以正確設置，至于將誰作為變量則很容易確定，即要驗證誰則把誰作為變量。如要探索pH值對淀粉酶活性的影響，則需把pH值作為變量；驗證光合作用需要光則應將光作為變量等。等量性原則是指除了實驗變量之外的一切對實驗結果有影響的無關變量必須嚴格控制等量即相同，以平衡和消除無關變量對結果的影響。

（1）實驗變量與反應變量 實驗變量是實驗中由實驗者操縱的因素或條件，是作用于實驗對象的刺激變量（也稱自變量）自變量須以實驗目的和假設為依據，應具有可變性和可操作性。反應變量（又稱因變量）是隨自變量變化而產生反應或發生變化的變量，是研究是否成功的證據，應具可測性和客觀性。

二者關系：實驗變量是原因，反應變量是結果，即具因果關系。例如：關于“唾液淀粉酶水解淀粉”的實驗中，“低溫(冰塊)、適溫(37℃)、高溫(沸水)，就是實驗變量，而這些變量引起的實驗變化結果就是反應變量。該實驗旨在獲得和解釋溫度變化(實驗變量)與酶的活性(反應變量)的因果關系。

（2）無關變量與額外變量 無關變量（控制變量）是指實驗中除實驗變量外的影響實驗結果與現象的因素或條件。即是指與研究目標無關，但卻影響研究結果的變量。實驗者應嚴格控制無關變量，否則實驗結果的真實性無法得到認定。由無關變量引起的變化結果就叫額外變量。

二者關系也是前因后果的關系，但它們的存在對實驗與反應變量的獲得起干擾作用。實驗中的無關變量很多，必須嚴格控制，要平衡和消除無關變量對實驗結果的影響。

如何盡量去保證“其它條件的完全相等”，具體來說有如下四個方面：

①所用生物材料要相同，即所用生物材料的數量、質量、長度、體積、來源和生理狀況等方面特點要盡量相同或至少大致相同。

②所用實驗器具要相同，即試管、燒杯、水槽、廣口瓶等器具大小型號要完全一樣。

③所用實驗試劑要相同，即試劑的成分、濃度、體積要相同，尤其要注意體積上等量的問題。

④所用處理方法要相同。

7.對照性原則 科學、合理的設置對照可以使實驗方案簡潔、明了，且使實驗結論更有說服力。對照實驗的設計是消除無關變量影響的有效方法。設置對照實驗，能有效地排除其它因素干擾結果的可能性，使設計顯得比較嚴密。

如何設置對照實驗呢？所謂對照實驗是指除所控因素外其它條件與被對照實驗完全相等的實驗。設置對照組有4種方法：

(1)空白對照 即不給對照組做任何處理。例如，在“唾液淀粉酶催化淀粉”的實驗中，實驗組滴加了唾液淀粉酶液，而對照組只加了等量的蒸餾水，起空白對照。

(2)條件對照 即雖給對照組施以部分實驗因素，但不是所研究的實驗處理因素；這種對照方法是指不論實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論，以驗證實驗結論的正確性。例如，在“動物激素飼喂小動物”的實驗中，采用等組實驗法，甲組為實驗組(飼喂甲狀腺激素)，乙組為條件對照(飼喂甲狀腺抑制劑)，不飼喂藥劑的是空白對照組。

(3)自身對照 指對照組和實驗組都在同一研究對象上進行，不再另外設置對照組。例如，“質壁分離與復原”實驗，處理前的對象狀況為對照組，處理后的對象變化為實驗組。

（4）相互對照 不單獨設置對照組，而是幾個實驗相互為對照。即實驗與對照在同一對象上進行，這種方法常用于等組實驗中。“植物向光性”實驗中，利用若干組燕麥胚芽的不同條件處理的實驗組之間的對照，說明了生長素與植物生長彎曲的關系。

“實驗組”與“對照組”確認，一個實驗通常分為實驗組和對照組（控制組）。實驗組是施加實驗變量處理的被試組；對照組是不施加實驗變量處理的對象組，兩者對無關變量的影響是相等的，兩組之間的差別被認為是來自實驗變量的結果，如為研究光對幼苗生長的影響時實驗變量應為撤掉光照，因而暗處生長的小麥幼苗應為實驗組，而自然狀態（即來接受實驗變量處理）的小麥幼苗應為對照組，通過對照組能增強實驗的信度。

要注意的是，根據實驗目的要求，凡是涉及確定變化因素之間的因果關系的實驗中，一般都需要設計對照組實驗。中學階段所要求的實驗設計一般多采用對照的原則，因為科學、合理的設置對照可以使實驗方案簡潔、明了，且使實驗結論更有說服力。

參考文獻：

［１］任志鴻.高中生物志鴻專題.現代出版社.

［２］薛金星.生物基礎知識手冊.北京教育出版社.