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實驗設(shè)計經(jīng)常出現(xiàn)在生物教材和習題中，也是高考所親睞的題型。因為這類試題不但能考查學生在實驗方面的基礎(chǔ)知識，而且能考查其動手能力、分析問題和解決問題的能力以及創(chuàng)新能力，這也恰恰是新課標所要求的。在生物實驗教學中，目前存在的問題主要有：一是對教材中屬于實驗設(shè)計方面的內(nèi)容沒有真正嘗試著去設(shè)計；二是沒有掌握實驗設(shè)計的一般方法；三是缺乏動手實驗。筆者下面僅從實驗設(shè)計應(yīng)遵循的單一變量原則和等量原則兩個方面來總結(jié)該類問題的一般規(guī)律。

一、單一變量原則和等量原則的主要內(nèi)容

1.單一變量原則。實驗中可以發(fā)生變化的因素稱為變量，通常分為自變量與因變量。自變量是指由人為改變的因素或條件，因此也稱為實驗變量；隨著自變量的變化而引發(fā)的變化或結(jié)果叫因變量，因此因變量也叫反應(yīng)變量。實驗設(shè)計的目的就在于證明和解釋這種因果關(guān)系。實驗中除了自變量以外，可能還會存在一些可變因素，從而對實驗結(jié)果造成影響，這些變量稱為無關(guān)變量。在設(shè)計實驗時應(yīng)該讓實驗組和對照組只能有一個變量，只有這樣，當實驗組和對照組出現(xiàn)不同現(xiàn)象或結(jié)果時，我們才能確定造成這種不同的原因是這一變量引起的，從而證明所要探究的實驗因素的作用。

2.等量原則。等量原則與單一變量原則相比較，只不過是強調(diào)的側(cè)面不同，二者的實質(zhì)是統(tǒng)一的。前者強調(diào)的是自變量的單一性，而后者強調(diào)的是除了自變量之外的無關(guān)變量必須嚴格控制相同。在控制無關(guān)變量時不但要等量，而且要在適宜條件下，只有如此才能排除其他因素對實驗結(jié)果的干擾，并得出正確的結(jié)論。該原則在敘述上經(jīng)常體現(xiàn)在以下方面。（1）各分組中所用植物的種類、長勢和數(shù)量等相同；所選動物的性別、大小、生理狀況等一致。（2）各分組中所加入的試劑的成分、體積、濃度等相同。（3）各分組實驗控制在適宜且相同的溫度、光照、水分等條件下。（4）在相同時間內(nèi)觀察實驗現(xiàn)象。

二、課文中滲透的實驗設(shè)計

在高中生物教材中隨處可見實驗設(shè)計的內(nèi)容，且充分體現(xiàn)了實驗設(shè)計的單一變量原則和等量原則。例如，證明某一種無機鹽是植物生長發(fā)育所必需的；研究細胞核是否為活細胞所必需；恩格爾曼的實驗；促胰液素的發(fā)現(xiàn)；生長素發(fā)現(xiàn)過程中的實驗。在學習這些內(nèi)容時應(yīng)該有意識地引導(dǎo)學生分析其中的變量，也可以嘗試不同的設(shè)計思路。

三、學生實驗中的實驗設(shè)計

高中生物必修課本中的學生實驗有20多個，可將這些實驗分為：觀察驗證類、探究類、調(diào)查類和模擬制作類。在以上實驗尤其是探究實驗的教學中有意識地強調(diào)以上原則，可以幫助學生明晰實驗?zāi)康模岣叻治鰡栴}和解釋現(xiàn)象的能力。現(xiàn)將一些實驗的各種變量歸納如下。

1.比較過氧化氫在不同條件下的分解。其中自變量是催化劑種類，因變量是過氧化氫分解速率，無關(guān)變量是底物的量、反應(yīng)時間等。

2.影響酶活性的條件。其中自變量是溫度（或pH），因變量是淀粉與碘呈藍色的深淺，無關(guān)變量是底物的量、pH（或溫度）、反應(yīng)時間等。

3.探究酵母菌細胞呼吸的方式。其中自變量是氧氣的有無，因變量是二氧化碳、酒精的產(chǎn)生，無關(guān)變量是空氣中原有的二氧化碳等。

4.環(huán)境因素（如光照強度）對光合作用的影響。其中自變量是光照強度，因變量是葉圓片浮起的數(shù)量，無關(guān)變量是溫度、二氧化碳濃度等。

5.生物體維持pH穩(wěn)定的機制。其中自變量是實驗材料的不同，因變量是pH的變化，無關(guān)變量是加入酸或堿的量等。

6.探究生長素類似物促進插條生根的最適濃度。其中自變量是類似物的濃度，因變量是生根的快慢、數(shù)量，無關(guān)變量是插條種類、數(shù)量、溫度、時間、光照等。

7.探究不同時間土壤中小動物類群豐富度。其中自變量是白天與晚上，因變量是小動物種類和數(shù)量，無關(guān)變量是土壤等。

8.探究土壤微生物能分解落葉。其中自變量是土壤是否進行滅菌處理，因變量是落葉腐爛程度，無關(guān)變量是溫度、含水量等。另外，在模擬探究細胞大小與物質(zhì)運輸?shù)年P(guān)系、探究培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的動態(tài)變化、探究水族箱中的群落演替實驗中，我們也可以試著找出其中的各種變量。

四、生物實驗設(shè)計習題舉例

案例：下面是某小組學生為證明某種細菌對植物遺體的分解作用提出的3種實驗方案。他們將同一種樹的落葉均分成甲、乙兩組。在實驗過程中不斷地滴加蒸餾水，使樹葉保持潮濕。方案1：將甲組放在無菌條件下，乙組放在自然條件下（暴露在空氣中），觀察記錄落葉的變化。方案2：將甲組滅菌后放在無菌條件下，乙組放在自然條件下（暴露在空氣中），觀察記錄落葉的變化。方案3：將甲、乙兩組均滅菌后，甲組置于無菌條件下，乙組放在自然條件下（暴露在空氣中），觀察記錄落葉的變化。該實驗的目的是證明某種細菌對植物體的分解作用。該實驗的自變量是有無某種細菌，因變量是落葉的分解程度。題目中已經(jīng)明確所用材料是同一種樹的落葉均分成甲、乙兩組，并且使樹葉保持潮濕。其原因就是除了有無細菌的條件不同外，其他條件應(yīng)完全相同，但僅做到這一點還不夠。我們再來分析3種方案。方案1：甲、乙兩組均未進行滅菌處理，甲組雖然放在無菌條件下，但因為在此之前可能就攜帶有微生物，所以落葉也會被分解而失去對照作用。在自然條件下，空氣中含有多種微生物，這時我們就無法確定乙組落葉分解只是由該細菌引起的。方案2：在自然條件下，空氣中不僅含有細菌，且含有分解落葉的其他微生物，因此也不能說乙組落葉分解就是由該細菌引起的。方案3：同樣在自然條件下會有其他微生物的干擾，不能達到實驗?zāi)康摹Ｕ_的方案應(yīng)該是：將甲、乙兩組葉片均先進行滅菌處理，甲組放在無菌條件下，乙組接種該細菌后放在無菌條件下，其他條件相同，觀察記錄落葉的變化。

在實驗設(shè)計中，通過單一變量原則、等量原則的確立，實驗中復(fù)雜的問題就能簡單化、明晰化，從而使結(jié)果更準確。因此，在平時實驗教學中，教師要不斷提高設(shè)計實驗的能力，一方面要親自動手做有關(guān)實驗，培養(yǎng)動手能力；另一方面要掌握實驗設(shè)計的基本方法和規(guī)律，以此提高分析問題和解決問題的能力。同時，可以嘗試不同的實驗設(shè)計，培養(yǎng)學生的科學態(tài)度和創(chuàng)新精神，提高學生的生物科學素養(yǎng)。

作者：李興義 溫育棟 單位：河北衡水中學 河北省張家口市教育技術(shù)裝備管理站