生物實驗設計中的對照原則

　　從歷年高考來看，實驗設計題已成為生物學高考實驗題的重點。對照實驗的設計是實驗設計的最常見題型。對照是實驗控制的手段之一，目的是平衡和消除無關變量對實驗結果的影響。對照原則是設計和實施實驗的重要原則之一。通過設置對照實驗，既能排除無關變量對實驗結果的影響，又能增加實驗結果的可信度和說服力。
　　通常，一個實驗可以分為實驗組和對照組。實驗組就是接受實驗變量處理的對象組；對照組也叫控制組，相對于實驗假設而言，就是不接受實驗變量處理的對象組。至于哪個對象組作為實驗組，哪個對象組作為對照組，一般是隨機決定的。這樣，從理論上講，由于無關變量對實驗組和對照組的影響是相等的，已經被平衡了的，所以實驗組和對照組之間的差異，就可認為是來自實驗變量的效果。這樣的實驗結果是可信的，更具有說服力。
　　一、對照類型
　　按對照的內容和形式上的不同，通常有以下四種對照類型。
　　1.空白對照
　　指的是不對實驗對象做任何處理。例如，在實習一“動物激素飼喂小動物的實驗”中，在1號玻璃缸中加入甲狀腺激素5㎎；3號玻璃缸中不加藥作為空白對照。在“唾液淀粉酶催化淀粉水解”的實驗中，實驗組滴加了唾液淀粉酶液，而對照組只滴加了等量的蒸餾水作為空白對照。通過設置空白對照能明顯地對比和襯托出實驗組的變化和結果，增強了說服力。
　　2.自身對照
　　指的是實驗與對照在同一實驗對象上進行，不再設置對照組。自身對照又有兩種情況：一種是同一研究對象在實驗前后對照，例如，實驗七“觀察植物細胞的質壁分離與復原”實驗，“激素調節與行為”中涉及的雞的閹割實驗，就是典型的自身前后對照。自身前后對照，方法簡便，關鍵是要看清楚實驗處理前后現象變化的差異。另一種是在同一研究對象的不同部位進行對照。例如，在“光合作用的發現”中，德國科學家薩克斯做的實驗：把綠色葉片放在暗處幾小時，目的是讓葉片中的營養物質消耗掉，然后把這個葉片一半曝光，另一半遮光。過一段時間后，用碘蒸氣處理葉片，發現遮光的那一半葉片沒有顏色變化，曝光的那一半葉片則呈深藍色。這個實驗就是這種情況，研究對象為同一葉片，曝光的一半為實驗組，遮光的一半為對照組。
　　3.條件對照
　　指的是雖然給實驗對象施以某種實驗處理，但這種處理是作為對照意義的，也就是說這種處理不是實驗假設所給定的實驗變量意義的，不是所要研究的處理因素。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，在實習一“動物激素飼喂小動物的實驗”中，在1號玻璃缸中加入甲狀腺激素5㎎（實驗組）；在2號玻璃缸中加入甲狀腺抑制劑（甲硫咪唑）5mg（條件對照組）；3號玻璃缸中不加藥（空白對照組）。顯然，2號玻璃缸為條件對照。該實驗既設置了條件對照，又設置了空白對照，通過比較、對照、更能充分說明實驗變量——甲狀腺激素能促進幼小動物的生長發育。
　　4.相互對照
　　指的是不再另設對照組，而是幾個實驗組相互對比對照。例如，在“溫度對酶活性的影響”實驗中，不同溫度條件處理下的幾個實驗組是作為相互對照的。在“pH值對酶活性的影響”實驗中，采用的也是相互對照，較好地平衡和消除了無關變量的影響，使實驗結果更具有說服力。
　　二、對照實驗設計的注意事項
　　1.明確實驗目的
　　一切從目的出發，認真審題，明確實驗的類型，是探究性實驗還是驗證性實驗，該實驗要解決什么問題，探索哪方面的生物學規律，是否需要設置對照，做到有的放矢，目的明確。
　　2.弄清實驗原理
　　實驗原理是實驗的根據和思路。如已知淀粉遇碘顯藍色，蛋白質遇碘顯黃色，現有漿糊、蛋清液、唾液、碘液等材料，設計實驗驗證酶的專一性。驗證酶的專一性可利用淀粉酶只催化淀粉水解，不催化蛋白質水解來證明，也可利用淀粉酶、蛋白酶同時去作用淀粉或蛋白質來證明。根據已知條件，此題是利用前一種原理來設計實驗。如果設計為：先取試管2個，往其中各注入2ml糨糊，再分別加入淀粉酶、蛋清液各2ml……這是由于不理解實驗原理導致的錯誤設計。
　　3.合理選取材料
　　選取材料時，要考慮材料的相似性和一致性；使用性和可控性；易行性和經濟性；可靠性。如實習一“動物激素飼喂小動物的實驗”中，首先要選擇幼體，而且能體現出發育的，則首選材料為蝌蚪，因青蛙的胚后發育屬于變態發育，而且又是在短時間內完成，實驗現象明顯，容易觀察。對照組和實驗組使用的蝌蚪最好是同時孵化出的、大小相似的同種蝌蚪。另外若題干中已給出材料，注意不要更換。如提供的是未萌發的種子……證明其可進行呼吸作用，若設計時使用了萌發的種子，則與題干材料不符。
　　4.設置單一變量
　　單因子變量原則，即控制其它因素不變，而只改變其中某一因素，觀察其對實驗結果的影響。通常的單因子變量一般是題目中所要驗證的事實。如“證明溫度對酶活性的影響”的實驗中，變量為溫度。除了溫度不同外，其他實驗條件完全相同。如設計實驗證明鎂是綠色植物的必需礦質元素，假如設計為：分別往兩只廣口瓶中注入等量的含鎂的培養液、缺鎂的培養液……這樣設計貌似變量只有一個，實際上含鎂的培養液中可能還缺其他的必需礦質元素；缺鎂的培養液中也未必只缺鎂。結果可能兩廣口瓶中的綠色植物均可能患病，而且患病可能由多種因素導致，這樣就起不到對照作用。
　　5.防止干擾
　　實驗設計不僅要設置單一變量，而且要使無關變量（除單一變量外，對實驗結果也有影響的變量）不影響實驗結果。如在“證明pH值對酶活性的影響”的實驗中，要使除pH值以外的其他變量不影響酶的活性，如溫度要保持在最適溫度，以保證酶能發揮出最佳催化效果。此外單一變量也要考慮度、量的問題，以體現出應該有的結果差異。如證明酶的高效性時，加入的無機催化劑與酶既要等量，又要適宜，不能太多；證明pH值對酶活性的影響時，不同pH值之間不能相差太小，也不能相差太大，要設置合適的梯度。
　　6.安排最佳步驟
　　合理、嚴密的步驟是實驗成敗的重要因素之一。大多數實驗都有嚴密的實驗步驟，不能隨便變換實驗步驟，如“證明pH值對酶活性的影響”的實驗中，調節pH值一定要放在加入酶之前。個別實驗允許變換某些步驟，如證明淀粉酶的催化作用時，可在加有淀粉溶液各2ml、碘液各2滴的2支試管中，分別加入淀粉酶、水各2ml，置于60℃的水浴中，觀察藍色的褪去情況。在此實驗中，碘液也可以安排在最后加入，通過觀察試管中是否顯藍色來判斷酶是否產生了催化作用。