高中生物实验设计的一般原则

王 兴

近几年全国理科综合考试,高中生物考题中经常会出现实验设计题,主要是考查学生设计实验方案、独立完成实验、分析实验结果,得出实验结论,验证生物学事实的能力。对实验设计过程中应遵循的原则教材中并没有作专门具体的概括和总结,这就要在学习课本知识的过程中认真体会教材中的每个学生实验,思考实验者的设计思路,迁移知识技能。要能明确掌握生物学实验设计的基本原则和方法,才能设计出一个完整、严谨的实验方案,也才能科学地分析解释实验结果、推导结论。笔者就前人智慧的基础上,对高中生物实验设计的一般原则做一分析、归纳和总结。

实验设计的类型主要分为开放型(只给出课题,自选材料、试剂、用具等,自行设计实验方案)、条件型(给出课题、原理、材料、试剂、用具等,设计实验方案)、改错型(提供实验器材、试剂、方案,对其中的不完善的地方提出改进方案)。不论哪一种类型的实验设计,都必须遵循实验设计的一般原则:

1.实验设计要遵循科学性原则

实验设计的科学性,是指在设计实验时必须有充分的科学根据。是指实验目的要科学,实验原理要正确,实验材料和实验手段的选择要恰当,实验操作程序要规范,整个设计思路和实验方法不能偏离生物学基本知识、基本原理。即:实验的原理要科学,实验材料的选择要科学,实验的方法步骤要科学,实验的结果、结论要科学。

生物学实验中,一种生命现象的发生往往有其复杂的前因后果,从不同角度、不同方面全面地分析问题就是科学性的基本原则。如探究细胞衰老的原因时,要考虑到不同物种、不同性别、不同年龄、不同环境等多方面的因素,要综合考虑,全面分析。要有充分的依据,科学地设计才能得出正确的实验结论。

2.实验设计要遵循对照性原则

没有对比就没有鉴别,对照性原则是实验设计的最基本的原则。对照有多种形式:有空白对照(对照组不加任何处理因素。如研究甲状腺激素对蝌蚪个体发育的影响时,实验组的饲料添加甲状腺素,对照组的饲料不添加任何制剂)、条件对照(如探究唾液淀粉酶的活性需要有适宜的PH值,设立过酸、过碱、接近中性实验条件,进行相互对比)、自身对照(对照与实验在同一受试生物上进行。如观察一条雄性鲫鱼对注射雄性激素前、后的活动变化情况)、相互对照(不独立设立对照组,而是几个实验组之间相互对照。如比较过氧化氢酶和氯化铁对催化过氧化氢水解反应的催化活性。)、标准对照(不设立对照组,实验结果与标准值或正常值对比。如测试人体摄入500克葡萄糖80分钟后血糖浓度是否正常)。设计实验时可根据实验研究的目的和内容加以合理选择。

3.实验设计要遵循变量唯一性原则

变量唯一性原则也叫单一变量性原则,指的是在一组实验中实验组和对照组之间只能有一个反应变量。任何一个生物学实验,影响其结果的变量都是多方面的,控制其他变量相同,只改变所要研究的某一变量,通过设立对照组,观察其对实验结果的影响。变量唯一能使复杂的问题简单化,变量唯一才能正确地找出实验组和对照组的差别,从而证明实验变量的作用。如在验证唾液淀粉酶具有专一性的时候,对照组和实验组的温度、PH值、所采用的试管大小、试剂多少、反应条件、溶液量等均要一致,只有一个变量,即实验组为淀粉溶液,对照组为蔗糖溶液。

4.实验设计要遵循等量性原则

等量性原则是指实验组和对照组除一个实验变量不同外,其他无关变量要全部相同,以消除无关变量对实验结果的影响。如探究PH值对酶活性的影响时,实验变量是PH值,除PH值不同外,其他无关变量(如温度、试管大小、添加的溶液量、试剂多少、实验时间等)在实验组和对照组中要完全相同、等量。

5.实验设计要遵循可操作性原则

可操作性原则是指设计生物学实验时要尽量做到实验材料容易获得,实验装置比较简单,实验药品比较便宜,实验步骤比较少,实验时间比较短,实验效果比较明显,而且在常态下可操作,具有可行性。即原理正确、实验成本低、步骤简洁、现象明显、结果准确、具可行性。

6.实验设计要遵循重复性原则

重复是保证实验结果可靠性的重要措施。由于实验对象的个体差异等原因,一次实验结果往往不够真实可靠,需要多次重复实验方能获得可靠的结果。在实验设计中也必须注意实验的可重复性,任何实验都必须要有足够的实验次数,才能判断结果的可靠性。

7.实验设计要遵循随机性原则

随机是指实验样本的抽取是在实验对象的总体中随机抽取的,它们的机会是均等的。如果在同一实验中存在许多个因素,则各因素作用顺序的机会也是均等的。随机抽取的样本能够代表总体,减少抽样误差,从而使实验因素产生的效应更加客观,便于得出正确的实验结论。例如用等量的黑白棋子代表一对同源染色体上的一对等位基因,随机抽取,看得到的分离比时,一是要随机,不能有人为因素,二是每次抽取后要将棋子放回并充分混合,使每次抽取到两种颜色棋子的机遇相等。

8.实验设计要遵循严整性原则

要使实验设计完整、无漏洞,必须要注意实验设计中的严整性。 实验设计的严整性是指实验目的明确、实验原理科学、实验操作严谨规范、实验步骤简洁明了、实验现象明显、实验结果准确、实验推断科学合理。

总之,生物学的实验设计要做到科学、严密,必须遵循实验设计的每一个原则,要有科学的理论依据。在解答实验题时,要注意审好题意,明确实验设计的思路,遵循实验设计的一般原则,运用生物学的基本知识和基本原理合理作答。

收稿日期:2009-10-02

作者地址:河北省定兴县第三中学072650