高中生物實驗設(shè)計的原則和方法

隨著高考改革的深入，生物實驗命題的趨勢呈現(xiàn)出新的發(fā)展方向，“實驗設(shè)計題”由于能較全面地考查學(xué)生的實驗知識和基本技能、分析問題和解決問題的能力以及創(chuàng)造能力，因而成為高考理綜考試以及生物單科考試的“壓軸題目”。但由于學(xué)生缺乏實驗設(shè)計的有關(guān)理論知識，遇到這類題型，就會感到茫然，無所適從。為解決這一問題，現(xiàn)就有關(guān)生物實驗設(shè)計的一些原則和方法略做歸納，以期增加學(xué)生的理論知識，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

一、實驗設(shè)計的基本理論

實驗設(shè)計是指正式進行科學(xué)實驗之前，根據(jù)一定的目的要求，運用相關(guān)的科學(xué)知識和原理，對實驗過程中的材料、手段、方法、步驟等全部方案的制定。

一個比較完整的實驗設(shè)計方案，一般包括以下內(nèi)容：實驗題目、實驗?zāi)康摹嶒炘怼嶒灢牧稀嶒炗镁摺嶒灱僭O(shè)、實驗預(yù)期、設(shè)計實驗步驟、觀察和收集數(shù)據(jù)、分析、推論、交流。

在設(shè)計一個完整方案時應(yīng)遵循一些基本原則。

二、實驗設(shè)計的基本原則

1.科學(xué)性原則

指實驗?zāi)康囊鞔_，實驗原理要正確，實驗材料和實驗手段的選擇要恰當(dāng)，整個設(shè)計思路和實驗方法的確定都不能偏離生物學(xué)基本知識和基本原理以及其他學(xué)科領(lǐng)域的基本原則。

2.可行性原則

指在設(shè)計生物實驗時，從原理、實驗的實施到結(jié)果的產(chǎn)生，都要具有可操作性。

3.嚴(yán)謹(jǐn)性原則

欲使實驗設(shè)計完整、無漏洞，必須注意嚴(yán)謹(jǐn)性。

4.簡便性原則

設(shè)計實驗時，要考慮到實驗材料容易獲得，實驗裝置比較簡單，實驗藥品比較便宜，實驗操作過程比較簡單，實驗步驟比較少，實驗時間比較短。

5.可重復(fù)性原則

任何實驗都必須要有足夠的實驗次數(shù)，才能判斷結(jié)果的可靠性。設(shè)計的實驗不應(yīng)該只能進行一次，在無法重復(fù)的情況下，作為正式結(jié)論，這樣的結(jié)論容易被推翻。

6.隨機性原則

指被研究的樣本是從總體中隨意抽取的，意義在于：可以消除或減少系統(tǒng)誤差，使顯著性測驗有意義；平衡各種條件，減少實驗結(jié)果中的偏差。

7.實驗條件的一致性原則

在實驗中，除欲處理的因素外，其他諸實驗條件必須保持前后一致，不能在實驗過程中隨意變動，否則可能有未被控制的因素干擾實驗結(jié)果。

8．單一變量原則

在實驗中“變量”是一個非常重要的要素。

（1）變量（因子）：指實驗過程中被操縱的特定因素或條件。如：“溫度對酶活性的影響”實驗中的“溫度”就是變量。一般可分為兩類：①實驗變量和反應(yīng)變量：實驗變量（自變量）是一種假定為原因的變量，是由實驗者主動操縱的給定的因素或條件，通過它的變化來引起其他變量發(fā)生變化。反應(yīng)變量（因變量）是指實驗中由于實驗變量而引起的變化和結(jié)果。一般實驗變量是原因，反應(yīng)變量是結(jié)果，二者具有因果關(guān)系。實驗的目的即在于捕獲解釋這種前因后果。②無關(guān)變量和額外變量：無關(guān)變量（控制變量）是指除實驗變量以外的一切可能影響實驗現(xiàn)象和結(jié)果的因素或條件。額外變量（干擾變量）是指實驗中由于無關(guān)變量所引起的變化和結(jié)果。額外變量會對反應(yīng)變量起干擾作用，所以實驗的關(guān)鍵在于控制無關(guān)變量進而減少額外變量。

（2）單一變量原則：有兩層含義：①確保“單一變量”的實驗觀測，要做到一個實驗變量對應(yīng)觀測一個反應(yīng)變量。②確保“單一變量”的操作規(guī)范，在實驗實施中要避免無關(guān)變量及額外變量的干擾。簡單地說，實驗中不論有幾組實驗，只要控制無關(guān)變量不變，改變實驗變量，觀察其對反應(yīng)變量的影響。

9．控制與平衡控制的原則

實驗在嚴(yán)格操縱實驗變量以獲取反應(yīng)變量的同時，還要嚴(yán)格地均衡無關(guān)變量以消除額外變量。該原則主要針對的是對無關(guān)變量和額外變量的控制。一般實驗中的無關(guān)變量很難避免，只有設(shè)法平衡和抵消它們的影響。增設(shè)對照組是常用的方法。

（1）單組實驗法：對一組（或一個）對象，既用甲法、又用乙法，順序隨機或輪流循環(huán)。

（2）等組實驗法：將狀況相等的對象，分成兩組或多組，一組用甲法，另一組用乙法。

（3）輪組實驗法：對兩組或兩組以上的對象，輪番循環(huán)兩個或兩個以上的處理，如A組——甲法、乙法；B組——乙法、甲法等。這樣能有效平衡和消除無關(guān)變量的影響。

10.設(shè)立對照原則

這是中學(xué)實驗中最常用的原則，通過設(shè)置對照實驗，既可以排除無關(guān)變量的干擾，又可以增加實驗結(jié)果的可信度和說服力。在一個對照實驗中，一般應(yīng)設(shè)計實驗組和對照組。

實驗組：是接受實驗變量處理的對象組。

對照組（控制組）：對實驗假設(shè)而言，是不接受實驗變量處理的對象組。

一般有以下幾種對照。

（1）空白對照：給對照組施以對研究對象沒有任何影響的處理因素或不給對照組任何處理因素。所謂“空白”絕不是什么影響因素都不給予，而是針對實驗組所要研究的因素給予空白，以突出或純化所要研究的因素。

（2）條件對照：給對象組施以某種實驗處理，但不是所要研究的處理因素，而是作為對照意義的。

（3）自身對照：指實驗組和對照組在同一研究對象上進行，不另設(shè)對照。如“植物細(xì)胞質(zhì)壁分離和復(fù)原”實驗，是典型的自身對照。自身對照處理前的對象狀況為對照組，處理后的對象變化為實驗組，該方法較簡便。

（4）相互對照：不另設(shè)對照組，而是幾個實驗組相互對比對照。

（5）標(biāo)準(zhǔn)對照：生物體的某些生理、生化項目也都有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，因而將實驗數(shù)據(jù)與規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值相比較，即可確定其正常與否。

（6）陽性對照：給對照組施以已經(jīng)被證明是一種有效的處理因素。

三、實驗設(shè)計的基本方法

有人說：知識+方法=能力。因此教師在“授之以魚”的同時，還必須“授之以漁”。在做實驗設(shè)計題時，可以從以下幾個方面把握。

1.準(zhǔn)確把握實驗?zāi)康暮蛯嶒炘?/p>

實驗?zāi)康氖钦麄€實驗設(shè)計的靈魂，所有實驗步驟的設(shè)計都要圍繞這個核心來進行。通過仔細(xì)審題，要明確該實驗要解決的問題或者要探究、驗證的“生物學(xué)事實”是什么。只有明確了實驗?zāi)康模乱徊綄嶒灢拍苡械姆攀浮㈨樌归_。在題中實驗?zāi)康耐浴膀炞C……”、“證明……”、“探究……”、“觀察……”、“調(diào)查……”、“鑒定……”、“分離提純……”等形式呈現(xiàn)出來。如：必修一的實驗五“探索淀粉酶對淀粉和蔗糖的作用”，這就是實驗?zāi)康摹６鴮嶒炘硎菍嶒炓罁?jù)的科學(xué)根據(jù)、生物學(xué)原理，實驗原理是實驗設(shè)計的根據(jù)和出發(fā)點，有了實驗原理的指導(dǎo)，實驗設(shè)計就有了方向性。明確實驗原理可以幫助理清實驗設(shè)計思路，合理安排實驗步驟，正確分析實驗結(jié)果和結(jié)論。

2.明確實驗變量和反應(yīng)變量以及無關(guān)變量，精心策劃實驗方法

實驗變量是該實驗所要研究的變量，一般是題目已知的或可以根據(jù)題目提供的已知條件來獲取的。反應(yīng)變量是實驗中由實驗變量而引起的變化和結(jié)果。在實驗中實驗變量是可以人為改變實驗條件，該條件的改變將引起反應(yīng)變量的相應(yīng)改變。確定實驗變量的方法是：往往要“驗證什么”、要“證明什么”、要“探究什么”，“什么”就是實驗變量。無關(guān)變量的排除方法主要是設(shè)置對照實驗，在對照組和實驗組中，無關(guān)變量必須做到相同且適宜，以抵消或排除無關(guān)變量對研究對象的干擾。實驗方法的精心策劃是整個實驗設(shè)計的精髓，是一個好的實驗設(shè)計最富創(chuàng)意的閃光之處，也是搞好實驗設(shè)計的關(guān)鍵所在。根據(jù)實驗原理和實驗要求，結(jié)合實驗條件分清是定性實驗還是定量實驗，從而確定實驗變量的操縱方法、無關(guān)變量的控制方法、反應(yīng)變量的檢測方法等。

3.嚴(yán)格設(shè)置對照實驗，正確書寫實驗步驟

基本的實驗方法選定以后，緊接著就要設(shè)計具體的操作細(xì)節(jié)，這些操作細(xì)節(jié)的設(shè)計要合理規(guī)范、切實可行、言簡意賅。大多數(shù)實驗要求具備對照實驗，對照實驗設(shè)置的質(zhì)量高低將會直接影響到實驗結(jié)果的精確度和說服力。對照實驗的類型有多種，究竟采用哪一種對照方式還要根據(jù)具體的實驗具體對待。書面表達(dá)是解答實驗設(shè)計題最關(guān)鍵的部分，在書寫實驗步驟時應(yīng)注意以下幾點。

（1）步驟設(shè)計一般不宜連續(xù)描述，往往需要分段敘述，并加以編號。

（2）為使敘述更簡潔，對試管、燒杯等一般要加以分組、編號，如A、B或甲、乙等。

（3）敘述中盡量要用規(guī)范的實驗術(shù)語，不能用含糊的口語，如“等量”不宜說成“一樣多”，“振蕩”不宜說成“搖動”等。

（4）一般在時間、溫度、物質(zhì)的量上難以做到準(zhǔn)確的量化描述，盡可能用“定性”的語言表達(dá)。實驗設(shè)計中適時出現(xiàn)“其他培養(yǎng)條件相同”、“培養(yǎng)一段相同時間后”等都是很好的得分點。

（5）題目給出的實驗材料和試劑一般應(yīng)充分利用；除非題目條件允許，否則不能自己隨意增減實驗材料和試劑。

（6）由于實驗設(shè)計是一種開放性試題，可能存在多種實驗步驟，但一般應(yīng)遵循簡便性、可行性、安全性和精確性的要求。

4.記錄實驗現(xiàn)象，收集實驗數(shù)據(jù)

在實驗中將觀察到的現(xiàn)象如實、準(zhǔn)確地記錄下來，除了用文字進行記錄，還可以用數(shù)據(jù)符號或表格進行記錄。

5.準(zhǔn)確預(yù)測實驗結(jié)果，得出科學(xué)結(jié)論

實驗設(shè)計方案完成后，根據(jù)理論知識和實驗原理對實驗結(jié)果作出預(yù)期分析，對可能出現(xiàn)的現(xiàn)象進行預(yù)測性判斷。實驗結(jié)果的預(yù)期有兩種情況：一種是驗證性的實驗，其假設(shè)是既定的，那么實驗結(jié)果的預(yù)期一般是唯一的，要么支持要么不支持，兩者都是對假設(shè)的證明。另一種是探究性實驗，預(yù)期結(jié)果有多種可能，一般要注意這類實驗預(yù)期的完整與準(zhǔn)確，必須將可能出現(xiàn)的實驗結(jié)果都寫下來，結(jié)果當(dāng)然也就有多種可能。結(jié)論與結(jié)果是不同的，結(jié)論是在結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過推理揭示出隱藏在事實背后的規(guī)律性的東西，結(jié)果和結(jié)論的書寫方法一般為：如果出現(xiàn)……（結(jié)果），則說明……（結(jié)論）

掌握了實驗設(shè)計的基本方法后，具體到不同的題型還會有不同的處理方法。常見的題型有以下幾種：實驗方案補充題、實驗方案評價題、實驗結(jié)果預(yù)測和分析題、實驗方案設(shè)計題、開放性實驗設(shè)計題等。不同題型的具體分析處理方法在這里就不一一贅述。

俗話說“教學(xué)有法，教無定法”。實驗設(shè)計題雖然是學(xué)生感覺最難、最不易把握的一類題型，但如果掌握好基本的原則和方法，再適當(dāng)?shù)刈鲂┚毩?xí)，相信一定能克服這一難題的。

（責(zé)任編輯 楊 子）