生物学实验设计的相关理论和方法_生物论文

宋建陵广东省广州市六中（510300）

“创新是一个民族的灵魂，是国家兴旺发达的不竭动力”，指导学生进行生物学实验设计，是生物学教学中培养学生创新能力的一条有效途径。本文结合具体事例谈谈如何指导学生设计生物学实验。

1  生物学实验设计的含义  在进行生物学实验前，实验者根据一定的目的和要求，运用生物学的知识和原理，对实验过程中的材料、方法、步骤等全部方案的制定。

2  生物学实验设计的类型  根据课题要求，实验设计分为全部过程的设计和部分过程的设计两种类型。根据题目所给条件，又可分为开放型实验设计和限制型实验设计。如：“设计一个实验，验证ATP是生物直接的能源物质”属于开放型、全部过程的实验设计。近年来，广东省及上海市的高考生物学试题中的实验题则属于限制型、部分过程的实验设计。

3  设计生物学实验应遵循的原则

3．1  科学性原则   实验目的明确，实验原理正确，实验材料和方法选择恰当，实验步骤安排合理，实验设计的思路符合生物学基本知识和基本原理。

3．2  简便性原则   实验材料容易获得，实验装置比较简化，实验药品比较便宜，实验操作比较简单，实验步骤比较简短，实验现象比较明显。

3．3  严谨性原则   要使设计的实验方案具有严谨性，必须要做到：有效控制实验变量、设立对照实验，合理安排实验步骤、正确书写设计方案等。

3．3．1  控制实验变量  遵循“单因子变量原则”，即控制其他因素不变，而只改变其中某一因素，观察其对实验结果的影响。

例如：现提供编号为A、B、C的三支试管、淀粉、碘液以及将温度控制在37℃、0℃、100℃的3只水浴锅。请根据以上材料和条件，写出实验步骤3及其以后的实验步骤，以证明温度对酶的催化活性的影响。

实验步骤：

步骤1：制备5ml淀粉溶液并冷却至常温。

步骤2：收取唾液若干。

步骤3：

……

写出实验结果

本实验所设定的3个温度37℃、0℃、100℃就是实验因子，随着温度条件的变化，唾液淀粉酶水解淀粉的反应也发生变化，这就是反应因子。在实验步骤的设计上应根据所给出的3个不同温度、3支试管，设计为3组实验（其中0℃、100℃组为对照实验），并对3组实验要在预先37℃、0℃、100℃条件下做实验处理。同时要设计相应的表格，用于观察记录不同温度条件下的变化和结果。（“实验步骤”及“实验结果”略）

3．3．2  设置对照实验  遵循“消除无关因子原则”。对照是实验控制的手段之一，通过设置对照实验，可消除无关因子对结果的影响，增加实验结果的可信度和说服力。按形式和内容不同，对照可以分为以下几种类型：

----空白对照和条件对照  空白对照是指不做任何处理的对象组。条件对照是指给对象施以某种实验处理，但这种处理是作为对照意义的。

例如：设计甲状腺激素能促进蝌蚪的生长发育的实验：将15条同时孵化的同种蝌蚪（体长均为15），随机分为3组（每组5条），在相同水质、饲料、温度条件下饲养。A组加入甲状腺激素，B组加入甲状腺抑制剂，C组不加任何药物。在饲养和实验的10—12 天中，按时用标尺测量并观察蝌蚪的生长变化情况。

    在这个实验设计中，A组为实验组，B、C为对照组，其中，B组为条件对照，C组为空白对照。通过条件对照、空白对照的设置，更能充分说明实验因子——甲状腺激素能促进蝌蚪的发育。 

----相互对照和自身对照  相互对照是指不另设对照组，而是几个实验组相互比较。自身对照也是不另设对照组，实验与对照在同一对象上进行。

例如：设计一个实验方案，证明：N、P、K是水稻生长发育必需的矿质元素。

从实验的准确性、严谨性的角度来考虑，本实验应该设立相互对照：分别配置完全培养液、缺N、P、K（其余成分与完全培养液相同）的培养液；在4组培养液中分别栽培4株同样的水稻，在相同的条件下培养一段时间后，观察水稻生长发育的情况。通过与完全培养液中水稻生长发育状况的比较，说明这3种元素对水稻生长的必要性。要使实验更严谨，还可以设计自身对照：在表现缺乏症的水稻培养液中分别加入所缺乏的元素，观察其缺乏症是否会消失或得到改善。

3．3．3  书写实验方案  除了将实验方案包括的内容完整地、准确地书写出来以外，还要注意语言表达的形象化和直观性，尽量用简图（表）、曲线、流程图（线）来表示实验的步骤和结果。

4  实验设计的内容  一个完整的实验设计方案一般包括以下内容

4．1  实验题目  要求设计的实验课题。

4．2  原理假设  源于已知的生物学基本原理或对未知现象的一种假定性解释。

4．3  器材选择  选择所需的实验材料、药品、试剂、用具等。

4．4  实验步骤  包括实验的顺序、实验现象的观察记录、实验数据的收集整理等。

4．5  结果预测  预测实验的结果，如果实验结果与假设相符，则证明假设成立。否则，则说明假设不成立。

5  实验设计的方法  实验设计的常用方法有

5．1  “移植嫁接法”——利用已有或类似的实验原理、方法、步骤等，加以改造，设计出新的实验方案。例如“验证根对矿质元素离子吸收的部位”就需要“移植嫁接”“观察根对矿质元素离子的交换吸附现象”的实验方案。

5．2  “逆向思维法”——类似于数学中的“反证法”，从课题要求入手，进行逆向思维，去设计实验方案。

5．3  “反复尝试法”——这是多种方法、多样手段的综合运用。例如：设计“验证新鲜猪肝中含有大量的过氧化氢酶”的实验方案时，①器材的选择、步骤安排，类似于“酶的催化作用”实验；②确定实验方法（对照实验）、选择试剂（H₂O₂）及相关器材需要用逆向思维；③用什么方法检验O₂也要反复考虑。

6  实验设计举例

例1  请设计一个实验，证明ATP是生物直接的能源物质。

（1）实验题目：ATP是生物直接的能源物质

（2）实验假设：ATP中的能量可以直接用于发光

    （3）器材试剂：培养皿、试管，活萤火虫（取下尾部发光器，捣碎备用），ATP制剂、0.1%葡萄糖溶液、生理盐水、蒸馏水。

（4）实验步骤：（见下表）

（5）结论：ATP是生物直接的能源物质

例2  请设计一个实验，将一株盆栽幼苗培育成具有特定形状的植物。

实验设计方案见下表：