管窥实验设计的基础理论及其在解题中的应用

杨得俊

【摘 要】随着教育教学和考试命题改革的不断深入，对生物实验教学有了更高的要求，开放性的实验设计已成为当前生物老师与广大学生的一个新课题。实验设计基础理论及其应用的教学具有瓶颈效应，结合实际加强实验设计基础理论及其应用的教学在实验设计和解题中具有重要意义。

【关键词】实验设计；基本原则；设计方案；实例分析

生物科学是一门实验科学，目前随着教育教学和考试命题改革的不断深入，对生物实验教学有了更高的要求，开放性的实验设计已成为当前生物老师与广大学生的一个新课题。从近几年的实验题在高考中的题型变化来看，借助实验方法创设新情境，侧重考查学生对实验进行解释和分析得能力已成为命题趋向，其中设计型实验题更是热点。由于实验设计是较高的能力要求，除要具备一定的知识基础外，还需要具有一定的创造能力。所设计的实验是建立在科学的基础上的，还应具有一定的观察和发现问题的能力。下面结合本人几年来如何进行实验设计的实践，谈一点自己的体会。

1.实验设计的内容

所谓实验设计，就是要求学生在明确实验目的的基础上，设计实验原理，选择实验器材，安排实验步骤，设计数据处理的方法及分析实验现象得出实验结论的过程。实验设计，主要考查学生确认变量的能力，以及是否理解实验原理，是否具有灵活运用实验知识的能力，是否具有在不同情境下迁移知识的能力等。

一个完整的实验设计过程包括5个环节。发现问题、提出问题、实验设计（包括假说和预期）、实验实施、结论（包括推导和运用结论）。其中实验设计是联系问题和结论的必要桥梁。

实验设计的基本原则有科学性原则、平行重复性原则、单一变量原则、对照原则。基本原则的应用主要是针对实验的基本变量和实验材料而言，如操纵自变量是用单一变量原则，控制无关变量时用对照原则，检测因变量和选择生物材料是科学性原则、平行重复性原则等。

一个比较完整的实验设计方案，一般包括这样几方面的内容：①实验题目的确定；②提出假设；③设计实验方法和步骤；④提出实验的预期结果；⑤要观察和搜集的数据及方法。书写实验设计方案通常包括：“实验课题”、“实验假说”、“实验预期”、“实验目的要求”、“实验材料用具”、“实验方法步骤”和“实验结论与讨论”等项目。在此应对学生的表述能力以相应模式强化训练，如对实验目的的表述模式可总结为：“探究（验证）……（自变量）对……（实验材料）有……的影响（自变量）”等。

2.实验中要注意的问题

在实验设计中可以从以下几个方面去考虑：①明确实验目的，即需要验证的生物学事实，确认变量和实验材料，提别是自变量、因变量和无关变量；②严格遵守实验原理，实验所依据的科学原理，涉及到的生物学及相关学科的方法和原理；③恰当选择实验对象，选择最能体现生物学事实的具体对象，如细胞、组织、器官或生物个体；④细心注意对实验条件、材料用具和装置的理化条件和生物学方法处理后，认真研究实验装置设计的严密性和合理性；⑤合理设计实验方法步骤，要注意实验步骤的关联性和延续性，实验操作的程序性，以及实验要完成的基本任务（选择处理生物材料、控制无关变量、操纵自变量、检测因变量）；⑥精心设置对照组实验，控制和消除无关变量对实验结果的；⑦提出假设条件，预测结果，假设是对可见现象作出可以检测的解释，假设的成立与否依赖证据（预测结果符合事实或实现则假设成立，反之则假设不成立）；⑧注意实验现象和实验结果，考虑单一实验变量对结果的影响；⑨对实验进行多角度、多方位的分析讨论。

实验设计的实例分析

例 为证实“二氧化碳是光合作用合成有机物必需的原料”，某同学制定了下列实验方案：

⑴实验目的（略）

⑵实验材料和用具（略）

⑶实验方法和步骤

A.用一适当大小的玻璃罩罩住一株生长正常的盆栽绿色植物和一杯NaOH溶液，密封不漏气。

B.将上述植物及装置放在暗室中饥饿，消耗掉叶片内贮藏的有机物。暗室内装有红色安全灯。

C.饥饿一定时间后，自暗室中取出，照光若干小时，使其充分进行光合作用。

D.取一叶片，放入盛有酒精的烧杯中，水浴加热，使叶绿素溶于酒精中。

E.将已脱绿的叶片取出，平铺在一个培养皿中，用碘液检测有无葡萄糖的特异颜色反应出现。

该实验方案有几项明显错误，请指出错误并改正。

分析：这是一道实验方案的评价题，往往会因分析片面或缺乏必要的实验分析能力而误答。错因主要是忽略了平时的实验设计训练。

正确思路：首先根据实验目的确认实验变量及其操作方法：自变量是CO2有无，用NaOH溶液的有无操纵；因变量是光合作用合成有机物，主要是淀粉有无，用碘液遇淀粉变蓝色检测；无关变量是光照等其他影响光合作用合成有机物的因素，设置对照进行控制。其次看实验过程操作是否与实验目的的相关联和是否正确，易见实验中不能用红色安全灯，因为色素能够吸收红光，进行光合作用，影响实验结果；淀粉遇碘变蓝是淀粉特有的颜色反应，而不是葡萄糖的颜色反应。鉴定还原糖（葡萄糖）的存在应用的试剂是班氏试剂等。

正确答案是：⑴实验步骤中暗室内用“红色安全灯”是错误的，应改为绿色安全灯（此项不改，仅在对照中提到也给分）；⑵实验步骤E中的“葡萄糖”是错误的，改为淀粉；⑶未设对照，对照的做法是：a.装置同题干的步骤，但玻璃罩内用同一种生长状况相同的另一株植物代替题干中的植物；用一杯清水代替NaOH溶液。b.将上述植物及装置放在暗室中饥饿，消耗掉叶片内贮藏的有机物。暗室内装有绿色安全灯。c.重复题干中的步骤。d.重复改正后的题干中的步骤。