生物學(xué)實驗設(shè)計題解題方法與例析
文章來源：生物學(xué)教學(xué)
從2001～2004年高考來看，實驗設(shè)計題已成為生物學(xué)高考實驗題的重點。高考生物科考試大綱能力要求中明確指出：學(xué)生應(yīng)具備驗證簡單生物學(xué)事實的能力，并能對實驗現(xiàn)象和結(jié)果進(jìn)行解釋和分析：能對一些生物學(xué)問題進(jìn)行初步的探究性研究，并能制訂研究方案。這說明，實驗設(shè)計題仍舊是高考命題的熱點。如何才能夠做好實驗設(shè)計題，下面筆者談?wù)勛约旱目捶ā?o:p>
一、實驗設(shè)計的原則
高考中的實驗題一般都是以經(jīng)典實驗、教材知識點或者新技術(shù)為命題背景，具有較強的科學(xué)性。從做題的角度出發(fā)，學(xué)生應(yīng)該特別注意以下兩種實驗設(shè)計的原則：
1.對照原則
實驗中的無關(guān)變量很多，必須嚴(yán)格控制，要平衡和消除無關(guān)變量對實驗結(jié)果的影響，對照實驗的設(shè)計是消除無關(guān)變量影響的有效方法。設(shè)置對照組有4種方法：
(1)空白對照，即不給對照組做任何處理。
(2)條件對照，給實驗組某種處理，給對照組另外一個條件處理，例如“驗證甲狀腺激素促進(jìn)小動物發(fā)育”實驗中，其對照如下表示：
| 缸別 | 飼料 | 方式 | 對照 |
| A | 等量飼料 | 適量未經(jīng)處理的甲狀腺激素 | 實驗組 |
| B | 等量飼料 | 不加激素 | 空白對照組 |
| C | 等量飼料 | 飼喂甲狀激素抑制劑 | 條件對照組 |
(3)自身對照，指對照組和實
(4)自身對照，指對照組和實驗組都在同一研究對象上進(jìn)行，例如雞的閹割實驗——閹割處理前雞的狀況作為對照組，閹割處理后的雞作為實驗組。
(5)相互對照，不單獨設(shè)置對照組，而是幾個實驗相互為對照，例如不同溫度對酶活性的影響。
2.單一變量原則
其含義為：(1)一個實驗變量對應(yīng)觀測一個反應(yīng)變量；(2)實驗中應(yīng)盡可能避免無關(guān)變量和額外變量的干擾，例如給切除甲狀腺的鼠注射一定量含甲狀腺制劑的溶劑，來觀察甲狀腺制劑對鼠代謝的影響這個實驗中，對照組的鼠應(yīng)該是切除甲狀腺并注射不含甲狀腺劑的溶劑，而不是只切除甲狀腺，否則變量就有甲狀腺制劑和溶劑兩個。
二、實驗設(shè)計的內(nèi)容與答題方法
1.實驗設(shè)計的內(nèi)容
完整的實驗設(shè)計一般包括下面幾個方面：(1)實驗題目；(2)實驗假設(shè)；(3)預(yù)期結(jié)果；(4)實驗方法；(5)觀察和搜集數(shù)據(jù)；(6)分析與結(jié)論。
2.答題方法
(1)實驗題目 包括三個方面：①研究對象；②研究現(xiàn)象；③作用于對象的因素。如pH對唾液淀粉酶活性的影響這個實驗，其研究對象是唾液淀粉酶活性，作用于對象的因素是不同的pH，研究現(xiàn)象是唾液淀粉酶活性隨pH發(fā)生的變化。通過仔細(xì)閱讀題干，找到以上三個方面的內(nèi)容，就能夠把實驗題目確定下來。
(2)實驗假設(shè) 根據(jù)題設(shè)要求，確定變量X，在實驗中要注意控制變量，一般只確定一個變量，即唯一一個對實驗結(jié)果有影響的變量。在此基礎(chǔ)上提出理論假設(shè)，它常?？擅枋鰹椋?#8220;當(dāng)條件X存在時，事件P能發(fā)生；當(dāng)條件X改變時，事件P不能發(fā)生或發(fā)生的程度會改變。”如根據(jù)“細(xì)菌的培養(yǎng)基中，偶然生出青霉菌，在其周圍沒有細(xì)菌生長”這個現(xiàn)象可以提出假設(shè)：青霉素產(chǎn)生可阻止細(xì)菌生長和繁殖的物質(zhì)。注意這里使用“阻止”而不是“影響”二字，說明假設(shè)中應(yīng)該具體闡述有何種“影響”。
(3)預(yù)期結(jié)果 首先要注意實驗是驗證性還是探究性。如果是驗證性，那么結(jié)果的預(yù)測應(yīng)該是與實驗的假設(shè)相一致的；如果是探究性的，那么就需要對實驗的結(jié)果進(jìn)行討論，對于討論要充分考慮到各種情況的可能性，大致可以有以下三種情況：①因變量與自變量正相關(guān)；②因變量與自變量負(fù)相關(guān)；③因變量與自變量無關(guān)。
(4)實驗方法 要抓住以下幾個關(guān)鍵點：①進(jìn)行對照組的準(zhǔn)備；②對照組的設(shè)置（注意單一變量原則）；③對照組的使用；④對照組控制條件的觀察。
例：研究性學(xué)習(xí)課題小組同學(xué)發(fā)現(xiàn)了某種細(xì)菌(R)的周圍其他細(xì)菌的生長繁殖受到抑制。他們把R細(xì)菌接種到專門的培養(yǎng)基上進(jìn)行培養(yǎng)。一段時間后，他們除去R細(xì)菌，用該培養(yǎng)基再培養(yǎng)其他細(xì)菌，結(jié)果其他細(xì)菌仍然不能在這個培養(yǎng)基上生長和繁殖。于是課題小組的同學(xué)就假設(shè)了“造成R細(xì)菌周圍其他細(xì)菌不能生長和繁殖的最可能原因是：R細(xì)菌產(chǎn)生了不利于其他細(xì)菌生存的物質(zhì)”。
問題：參照上述題目中所給出的有關(guān)材料，請設(shè)計一個實驗對該課題小組同學(xué)的假設(shè)進(jìn)行驗證。按照上面的四個步驟我們很容易可以得到答案：第一步：取兩個培養(yǎng)皿，標(biāo)記甲乙，按相同營養(yǎng)成分配制兩個培養(yǎng)基；第二步：在甲培養(yǎng)基上接種R細(xì)菌，培養(yǎng)一段時間后，除去細(xì)菌；乙培養(yǎng)基上不接種R細(xì)菌，作為對照；第三步：在這兩個培養(yǎng)基上分別接種相同的其他細(xì)菌；第四步：在相同條件下，讓甲乙兩個培養(yǎng)基上的細(xì)菌生長繁殖；第五步：對實驗現(xiàn)象進(jìn)行觀察、記錄和分析。
這里需要注意以下幾點：①在文字表述上要有技巧。如表述的語言要精煉、應(yīng)盡量使用題目中出現(xiàn)過的比較規(guī)范的表述、在使用器皿時用標(biāo)記號（甲燒杯、A試管、1號培養(yǎng)血……）來輔助，像上題中的“甲乙兩個培養(yǎng)基”，這樣在表達(dá)時一方面清晰明了，另一方面可以節(jié)省篇幅、節(jié)省時間。②要注意實驗對照組的設(shè)立，排除干擾因素。③實驗設(shè)計題的解答要注意條理性。即要用代號明確標(biāo)出實驗步驟，如例題中的實驗步驟序號“第一步、第二步……”，如果沒有明確的實驗步驟，整個實驗設(shè)計就會顯得雜亂無章，沒有條理。
(5)觀察和搜集數(shù)據(jù)：一般包括三部分內(nèi)容：①確定觀察和記錄的時間；②設(shè)計觀察和記錄內(nèi)容；③確定記錄方式。常用的記錄方式是：文字描述、表格描述、畫坐標(biāo)圖，其中后兩種記錄方式在近年的上海高考卷中出現(xiàn)。
對于此類記錄方式的考查，我們可以指導(dǎo)學(xué)生通過“二維設(shè)計”來解決，即一維自變量，一維因變量。用坐標(biāo)圖描述一般橫坐標(biāo)為自變量，縱坐標(biāo)為因變量；而表格描述為了設(shè)計方便往往是橫向為因變量，縱向為自變量，例如2002年上海高考卷“不同濃度香煙浸出液對水蚤的影響”一題，其記錄表格可以表示為：
(6)分析與結(jié)論：包括三個方面內(nèi)容：①正確處理實驗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)資料要用數(shù)學(xué)計算及統(tǒng)計、圖解（坐標(biāo)曲線圖、椎形圖表格等）等方法加以判斷、推理和分析。②深入分析實驗結(jié)果：敘述實驗結(jié)果及假設(shè)是否成立（預(yù)期結(jié)果得到實現(xiàn)，假設(shè)成立；預(yù)期結(jié)果沒有出現(xiàn)，假設(shè)不成立），并對結(jié)果加以說明、解釋或評價；對預(yù)期以外的結(jié)果做出恰當(dāng)?shù)姆治龊驼f明。③獲得結(jié)論：通過對現(xiàn)象的分析，概括出規(guī)律性的結(jié)論或問題。
三、典型例題分析
例1某生物學(xué)興趣小組開展“不同濃度生長素類似物(IBA)對種子萌發(fā)和幼苗生長的影響”，老師已經(jīng)為他們準(zhǔn)備了生長素類似物濃溶液和蘿卜種子。假如你是其中一員，請回答
(1)可以采取的測定指標(biāo)是＿＿、＿＿等。
(2)對該課題作出的實驗假設(shè)是＿＿＿；實驗預(yù)期是＿＿＿。
(3)實驗步驟：
①配置濃度分別為1000mg/L、10mg/L、0.1mg/L、1ug/L、0.01ug/L生長素類似物(IBA)溶液，取6支試管，編號待用。 ②＿＿＿＿＿。 ③＿＿＿＿＿。 ④＿＿＿＿＿。 ⑤一周后進(jìn)行觀察、測量，統(tǒng)計。
(4)設(shè)計一張表格，用于實驗時記錄數(shù)據(jù)。
分析：(1)仔細(xì)閱讀題干，通過實驗題目“不同濃度生長素類似物(IBA)對種子萌發(fā)和幼苗生長的影響”，可以知道研究對象是“種子萌發(fā)和幼苗生長情況”，作用于對象的因素是“不同濃度生長素類似物(IBA)”，因此可以確定測定指標(biāo)為種子萌發(fā)率和幼苗（根）長度。
(2)我們從題干同樣可以得知自變量X為“不同濃度生長素類似物(IBA)”，因變量是“種子萌發(fā)和幼苗生長情況”，再根據(jù)課堂上學(xué)習(xí)的知識就可以寫出假設(shè)：一定濃度的生長素類似物(IBA)溶液對種子萌發(fā)和幼苗生長會有促進(jìn)。實驗預(yù)期為：經(jīng)不同生長素類似物(IBA)溶液處理的種子，其種子萌發(fā)率和幼苗生長會有區(qū)別。
(3)題目已經(jīng)給出了實驗步驟中的對照組準(zhǔn)備。第二步是對照組設(shè)置，不同濃度的生長素類似物(IBA)溶液可以構(gòu)成相互對照，但很明顯，還缺少一個空白對照。所以：②在1～5號試管中加入等量的不同濃度的IBA溶液，6號試管加入與前面試管中IBA溶液等量的蒸餾水（空白對照）。第三步是對照組使用，就應(yīng)該是：③將等量種子分別放到各個試管中；④一段時間后取出放到墊有浸濕濾紙的培養(yǎng)皿中培養(yǎng)。
(4)已經(jīng)知道自變量X為“不同濃度生長素類似物(IBA)”，因變量是“種子萌發(fā)和幼苗生長情況”，通過“二維設(shè)計”就可以列出表格：
