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谈谈生物实验设计
作者:李显荣 点击数:2803 更新时间:2013/1/5 17:01:00

实验是人为控制条件下研究事物(对象)的一种科学方法,是依据假设,在人为条件下对实验变量的变化和结果进行捕获、解释的科学方法。

所谓实验设计,就是要求学生设计实验原理,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的现象。它包括设计实验方案、设计实验步骤、设计实验改进方法等。以下从几个方面谈谈对生物实验设计的要求。

一、高考对生物实验设计的能力要求和考查形式

高考生物科《考试大纲》中对实验考查的能力要求是:“理解所学实验的实验内容,包括实验目的、原理、方法和操作步骤,掌握相关的操作技能;具备验证简单生物学事实的能力,并能对实验现象和结果进行解释、分析和处理;能对一些生物学问题进行初步探究性研究。”具体的能力考查要求包括两部分:一方面是考生能够设计简单的生物学实验,另一方面则是能够对实验结果进行解释和分析。

高考对生物实验设计的考查形式主要是:考查考生设计实验方案、验证生物学事实的能力;考查考生对实验结果分析、解释和推导结论的能力;以及根据某些实验条件和部分结果,推测下一步实验结果的能力;同时也考查考生对生物学实验中常以图、表等抽象形式所表达的生理学意义的理解能力;准确描述相关的现象、原理的能力。这种考查目标适合于高考的新一轮改革,适应学科之间实验的交叉和渗透、更适应对学生创新能力的自我展现。这就要求考生能明确掌握生物学实验设计的基本原则和方法,只有这样,才能设计出一个完整严谨的实验方案,也才能有根有据地分析解释实验结果、推导结论,根据部分实验结果推测、预期后续实验步骤的结果及理解、表述等,完整的实验设计既要求考生有较强的思考及操作能力,也要求考生有较强的分析综合和逻辑思维能力,也就是说实验设计考查的是考生的综合能力。

二、生物实验设计应遵循的原则

1.科学性原则

所谓科学性,是指实验目的要明确,实验原理要正确,实验材料和实验手段的选择要恰当,整个设计思路和实验方法都不能偏离生物学基本知识和基本原理以及其他学科领域的基本原则。

2.可行性原则

可行性原则是指在设计生物学实验时,从实验原理、实验的实施到实验结果的产生,都具有可行性,注意不要设计出天方夜谭式的方案。

3.简便性原则

设计实验时,要考虑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,实验操作比较简单,实验步骤比较少,实验时间比较短。

4.可重复性原则

重复、对照、随机是保证实验结果准确的三大原则。任何实验都必须有足够的实验次数才能判断结果的可靠性,设计实验只能进行一次而无法重复就得出“结论”是草率的。

5.单一变量原则

不论一个实验有几个实验变量,都应确定一个实验变量对应观测一个反应变量,这就是单一变量原则,它是处理实验中的复杂关系的准则之一。

⑴实验变量与反应变量。实验变量(以叫自变量)是实验中由实验者操纵的因素或条件,而反应变量(以叫因变量)是指由实验变量而引起的变化结果,两者之间是前因后果的关系。实验的目的就在于获得和解释前因与后果。例如:关于“唾液淀粉酶水解淀粉”的实验中,低温(冰块)、适温(37℃)、高温(沸水)就是实验变量,而这些变量引起的实验变化结果就是反应变量,该实验旨在获得和解释温度变化(实验变量)与酶的活性(反应变量)的因果关系。

⑵无关变量与额外变量.无关变量是指实验中除实验变量外的影响实验结果与现象的因素条件。由无关变量引起的变化结果就叫额外变量。它们之间也是前因后果的关系,但它们的存在对实验与反应变量的获得起干扰作用。例如“唾液淀粉酶水解解淀粉”的实验中,除实验变量(温度)外,试管的洁净程度、唾液的新鲜程度、淀粉浓度、温度处理的时间长短等等就属于无关变量。

如无关变量中的任何一个或几个对三组实验不等同、不均衡,就会产生额外变量,影响实验的真实结果。实验变量,或称自变量,指实验假设中涉及的给定的研究因素。反应变量,或称因变量,指实验变量所引起产生的结果或结论。而其他对反应变量有影响的因素称之为无关变量,观察其对实验结果的影响。

6.对照性原则

实验中的无关变量很多,必须严格控制,要平衡和消除无关变量对实验结果的影响,对照实验的设计是消除无关变量影响的有效方法。由于同一种实验结果可能会被多种不同的实验因素所引起的,因此如果没有严格的对照实验,即使出现了某种预想的实验结果,也很难保证该实验结果是由某因素所引起的,这样就使得所设计的实验缺乏应有的说服力。可见只有设置对照实验,才能有效地排除其他因素干扰实验结果的可能性,才能使设计显得比较严密,所以大多数实验,尤其是生理类实验往往都要有相应的对照实验。

1)如何设置对照实验呢?所谓的对照实验是指除所控因素外其他条件与被对照实验完全相等的实验。对照实验设置的正确与否,关键就在于如何尽量去保证“其他条件的完全相等”。具体来说有如下四个方面:

①所用生物材料要相同

即所用生物材料的数量、质量、长度、体积、来源和生理状况等方面要尽量相同或至少大致相同。

②所用实验器具要相同

即试管、烧杯、水槽、广口瓶等器具的大小型号要完全一样。

③所用实验试剂要相同

即试剂的成分、浓度、体积要相同,尤其要注意体积上等量的问题。

④所用处理方法要相同

如:保温或冷却;光照或黑暗;搅拌或振荡都要一致,有时尽管某种处理对对照实验来说,看起来似乎是毫无意义的,但最好还是要作同样的处理。

2)设置对照组有4种方法:

① 空白对照:即不给对照组作任何处理。例如:在“唾液淀粉酶催化淀粉”的实验中,实验组滴加了唾液淀粉酶液,而对照组只加了等量的蒸馏水,起空白对照作用。课本中涉及到的用甲状腺制剂饲喂蝌蚪与正常情况下蝌蚪不作任何处理对照就属于空白对照。

②条件对照:即虽给对照组施以部分实验因素,但不是所研究的实验处理因素。这种对照方法是指不论实验组还是对照组的对象都作不同条件的处理,目的是通过得出两种相对立的结论,以验证实验结论的正确性。例如:在“动物激素饲喂小动物”的实验中,采用等组实验法,甲组为实验组(饲喂甲状腺激素),乙组为条件对照组(饲喂甲状腺激素抑制剂)。课本中涉及到温度对淀粉酶活性影响的实验中0℃、100℃等温度下的对照则为条件对照。显然,通过条件对照,实验说服力大大提高。

③自身对照:指对照组和实验组都在同一研究对象上进行,不再另外设置对照组。例如:“质壁分离与复原”实验。自身对照简便,但关键要看清楚实验处理前后的现象及变化差异。课本中涉及到将过氧化氢酶加入H2O2溶液中说明酶是生物催化剂,则属于自身对照。

④相互对照:不单独设置对照组,而是几个实验相互为对照。这种方法常用于等组实验中。“植物向光性”实验中,利用若干组燕麦胚芽的不同条件处理的实验组之间的对照,说明了生长素与植物生长弯曲的关系。在证明玉米根的生长方向与地心引力的关系实验中,不同方向放置的玉米种子之间则属于相互对照。

根据实验目的要求,凡是涉及确定变化因素之间的因果关系的实验中,一般都需要设计对照组实验,中学阶段所要求的实验设计一般多采用对照的原则,因为科学合理地设置对照可以使实验方案简洁明了,且使实验结论更有说服力。

另外,对实验结果的分析要注意分析方法的选择,有时还要求用图表表示有关结果或事实,这也是常用的基本技能。

三、实验设计的关键环节

1.实验设计中的假说

 在实验设计中,每一个实验目的的确定,都是一个实验假说的形式过程。我们在作出实验假说时,必须在注意假说的预见性的同时,强调客观性和多样性。

2、实验材料和实验手段的选择

这经常是实验能否进行的关键.

选择恰当的材料和手段,是所设计的实验能否达到预期结果的重要保证,我们也可以从实验材料中得到启发,检验实验设计的正确与否。

3、反应变量的确定和控制

实验是否准确有效,就看这一步了。尤其是对照实验,一定要明确该实验的单一变量是什么,以变量为依托来设计实验步骤,这一点十分重要。

四、实验设计的基本内容

一份完整的生物学实验设计方案,主要包括以下七大部分:实验目的→实验假设→实验原理→实验对象、器材、药品→实验步骤→实验结果→实验结论。

1 实验目的

实验目的即本实验要验证或探究的“生物学事实” 是什么?要验证或探究“生物学事实”的哪一个方面?通过本实验,要让学生学习或掌握哪些实验技能?高考实验设计题的实验目的,一般是前面两个方面。

如《观察细胞质的流动》实验,实验目的是:①通过实验观察,帮助学生理解细胞质流动是一种生命现象;②通过实验,了解内外因素对细胞质流动的影响。

实验目的决定实验步骤的设计方向,同一实验,原理相同,目的不同,在步骤设计上就不同。如同为光合作用实验,验证光合作用产生O2和验证光合作用需要CO2,在设计实验步骤时就不相同。

2 实验假设

实验假设是对该实验所提出的问题,提出一种可检测的解释,假设不是凭空而想的,它要根据观察到的事实和已知的科学原理,加上创造性的思维而提出。

生物实验分为验证性实验和探究性实验,验证性实验因为有明确而具体的实验原理,实验目的只是为了通过实验进一步证实这一原理,所以验证性实验的实验假设一般就是肯定实验原理或实验目的;控究性实验一般只有比较抽象的实验原理,更具体的原理就是本实验要探究的。因此,实验假设就只能在抽象原理的基础上,提出更具体的猜测。

3 实验原理

科学实验都是利用已知的科学理论,验证或探究未知的东西。所以,实验都是在一定理论指导下的实验。

实验原理即本实验所依据的科学原理是什么?涉及到生物学或相关学科中的哪些方法和原理?或者换句话说,该实验的理论依据是什么?

实验原理指导实验的全过程,实验步骤围绕实验原理而设计,实验结果及分析,也是以实验原理为依据来作出分析和判断的。

如鉴定生物组织中还原糖实验的实验原理是:还原糖与斐林试剂发生作用,可以生成砖红色沉淀,根据这一色反应,可以鉴定生物组织中还原糖的存在。

4 实验对象、器材和药品

实验对象即能体现出此“生物学事实”的具体对象,生物实验的实验对象一般是生物的细胞、组织、器官或个体,如验证光合作用的叶片、验证质壁分离所用的紫色洋葱鳞片叶等。实验器材和药品是完成此实验所需的所有仪器、用具和试剂。

5 实验步骤

实验步骤是围绕实验目的,依据实验原理而设计的科学实验程序,它是一个实验成败的关键。实验设计有许多原则,如科学性原则、对照原则、单一变量原则等等都在实验步骤中体现出来。其实,实验步骤就是在实验中操作者要做的每一件事,整个实验步骤的全过程除了要遵循实验设计的相关原则外,还要做到各步之间相互关联,要一环套一环,安排好最佳程序,有的实验题,题干中已给出部分实验步骤,特别是给出中间或后面的步骤,你所设计的前面步骤必须与相对应且衔接好。一个实验,到底设计多少步最佳,并没有绝对标准,一般来说,每做一件事即为一步。如配制药品、连接装置、处理实验对象等都各为一步,同一处理分为多组,一般作为一步,特别强调的是,生物实验中,培养、观察、记录等都是实验步骤。有的实验题,题干中已经把该实验分为几步限制好了,那就是要把本实验的全部操作安排好,划分为对应的步骤写到答案中。

6 实验结果

实验结果即本实验过程所能观察到的现象或数据等,验证性实验的实验结果一般只有一种,即根据实验原理所推导出来的与实验假设一致的结果,探究性实验属于猜测实验结果,即本实验最终会是什么结果从已学的知识和理论中推导不出来,只能作出猜测,这就要求分析全面,把各种可能的结果都作出预测。

原则上实验结果,只要说出现象或数据即可,如果题目只要求写出实验结果,可以在结果之后作一简单分析,如果题目中结果和分析是作两步提出,则实验结果只能说出看到了什么(验证性实验)或将可能看到什么(探究性实验)?

7、实验结论

实验结果与实验结论是两件事,实验结果是现象,是客观事实、实验结论是理论、观点,是从结果出发,对准实验目的,依据实验原理,寻找事物间的相互关系,推导出一般性的规律,验证性实验的结论一般只有一个,即肯定假设,探究性实验的结论与预测的结果相对应。一般有三种,要么肯定假设,要么否定假设,要么与假设无关(即既不能肯定假设,也不能否定假设)。

一份完整的完整设计方案,还应包括实验课题、实验报告等。

实验课题,是对生物学现象或事实进行长期观察之后,所提出来的有意义的、值得验证或探究的问题,就学生实验而言,实验课题一般是实验目中的主要问题。

实验报告是对实验现象、结果作出记录,并写出结果分析或结论。

五、生物实验设计应注意的问题

1、在掌握实验目的(即需要验证的生物学事实)、原理的基础上确定实验方法。

2、严格遵循实验设计的基本原则,准确设置对照或变量。

3、注意实验程序的科学性、合理性。

4、对实验现象进行准确的观察、测量、记录。

5、准确地预测实验结果,实验设计的最后往往还需要预测实验结果,在结果预测上要全面、准确。而在这一环节上,学生往往会出现各种各样的错误。例如:

1)测交结果预测,除了全黑、有白有黑外,还有全白。

2)加碘后,“不变蓝”不等于“无色”或“没有颜色变化”;另外“不变”也不能说成“无现象”。

3)用亚甲基蓝做菌量检测时,不能把“褪色”说成“无色”。

4)在验测甲状腺激素对促进幼小动物发育的作用时,不能把“发育”说成“生长”。能够预测可能出现的实验结果及其导致原因,并能够得出科学的实验结论。

6、合理地设计操作过程

基本的实验方法选定以后,紧接着就要编写具体的操作细节,这些操作细节的设计要合理规范、切实可行,否则也会造成很大的失分。如:

(1)从动物体内取血,是从臀大肌中抽取,还是从血管中抽取?取血前是否要用酒精棉球对取血部位进行消毒?

(2)向淀粉糊中加了唾液后是否要振荡试管?

(3)酶促反应的试管如何加热?是直接加热,还是水浴保温?

(4)在用酒精溶解叶中叶绿素时,酒精要加热,是直接加热,还是隔水加热?

(5)使甲状腺制剂、胰岛素、生长激素进入动物体内的方法应如何操作?是饲喂,还是注射?

(6)不同的情况下要合理地选用不同的水。如:清水、池水、凉开水、蒸馏水、生理盐水。

7、简明地组织语言文字。

1)步骤设计一般不宜连续描述,往往需要分段叙说,并加以编号。

2)试管(或烧杯、水槽等)要加以编号,如AB或甲、乙等,这样可使叙说简洁一些。

3)叙说中尽量要用规范的实验术语,不能用含糊的口语,如“盖玻片”不能说是“薄的玻璃片”;“等量的”不宜说成“一样多的”;“振荡”不宜说成“晃动”“摇动”等等。

六、实验设计题的解题思路

根据以上讲述的实验设计的基本理论和注意事项,进行生物实验设计和解答实验设计题时可以从以下几个方面去考虑:

1,恰当选择实验对象,选择最能体现此生物学事实的具体对象,如细胞、组织、器官或生物个体。

2,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。

3,合理设计实验步骤,要注意实验步骤的关联性和延续性、实验操作的程序性。

4,精心设置对照组实验,控制和消除无关变量对实验结果的影响。

5,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)。

6,仔细观察实验现象,详细记录实验结果,只考虑单一实验变量对结果的影响。

实验设计题的解答,一般有以下几个环节:(1)认真阅读题干,了解题目要求;(2)明确实验目的;(3)提出实验假设;(4)找出实验原理;(5)选定或分析实验对象、器材和药品;(6)确定实验思路;(7)设计实验步骤;(8)预测结果;(9)解释或分析结果;(10)写出实验结论。

前面进过,实验设计方案,主要由七大部分组成,但作为实验考试题,不可能要求回答全部方案的七个部分,一般是已知其中的某些部分,或部分内容题上已给出,要求学生对未知进行作答。

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