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1、生物实验验设计的的理论和和方法220099.4西青教研研室 吴亚亚男生物学作作为一门门以实验验为基础础的自然然科学，实实验是获获取生物物学知识识的重要要手段，是是科学研研究过程程的重要要环节。生物课课程标准准中在在能力目目标上是是这样表表述的：初步学学会生物物科学探探究的一一般方法法，发展展学生提提出问题题、作出出假设、制制定计划划、实施施计划、得得出结论论、表达达和交流流的科学学探究能能力。在在科学探探究中发发展合作作能力、实实践能力力和创新新能力。 在初中中生物教教材中，就就科学探探究的一一般过程程提出了了这样的的程序：提出问问题作出假设设 制订订计划 实施施计划 得得出结论论 表表达和交
2、流。下下面我们们就科学学探究的的一般程程序作出出进一步步的说明明。一、生物物实验程程序1.观察察，提出出问题在观察基基础上提提出有意意义的值值得探讨讨的问题题。我们在七七年级做做的第一一个调查查就是“调查我们们身边的的生物”，不知知老师们们有没有有尝试着着在学生生观察（调调查）结结束后让让学生提提出问题题呢？什么样的的问题才才是有意意义的、值值得探讨讨的问题题？对于于初中学学生来说说，可以以从三个个方面去去评价：（1）问问题的科科学性：面对同同一个事事物，不不同的人人可能会会从不同同的角度度提出不不同的问问题。比比如：（展展示图片片树，问问你面对对这棵大大树想知知道什么么问题吗吗？这就就是你所
3、所提出的的或探究究的问题题）面对对一棵枝枝叶繁茂茂的松树树，科学学家可能能会问它它的分类类地位、树树龄、虫虫害等问问题；诗诗人可能能感叹它它历经多多少风霜霜，对完完善人格格有哪些些启迪；商人可可能关心心它作为为木材值值多少钱钱。前者者是科学学问题，后后二者则则不是。科科学课以以探讨科科学问题题为主，其其他问题题也不能能一概排排斥。（2）问问题的探探究价值值：主要要看提问问题时调调动已有有知识和和惊讶的的广度和和深度。比比如（示示图探究花花生果实实大小的的变异），关于花生果实大小的变异，“大花生的果实中有个小的吗？”这一问题就比较简单；“把大花生的种子种到贫瘠的土壤里，结出的果实会怎样呢？把小花
4、生的种子种到肥沃的土壤里，结出的果实又会怎样呢?”这一问题就有一定的深度了，它调动了学生关于性状与遗传、变异和环境关系的知识。探究的价值更高。此外，提出有探究价值的问题，往往还需要丰富的联想和想象，从学生想象空间的广阔程度来评价问题的价值也是重要的。（3）问问题的明明确具体体：举例例说明一一下-比比如你明明天要擦擦车，关关心明天天会不会会下雨。你你可能会会问：“明天天天气怎样样？”别人不不知道你你具体指指什么，可可能会回回答：天天气预报报说明天天有五级级风；或或明天是是20度。你你还得问问：“下不下下雨呢？”人家才才知道你你想问的的到底是是什么。在举一个生物的例子。在学习水中生活的动物一节时，
5、如果提出问题探究“鲫鱼的外部形态中有哪些特点与其水生生活相适应”，问题就明确，但是如果说“鲫鱼的外部形态有哪些特点”时，可能答案就会多种多样了。可见从产生疑问到提出问题，有时还需要进行深入思考的。2.作出出假设：假设：也也称假说说或猜测测，只用用来说明明某种现象但但未经证证实的论论题，也也就是对对所提出出的问题题所作出出的参考考答案。假设一般般分为22个步骤骤：第一步：提出假假设，即即依据发发现的事事实材料料或以知知科学原原理，通通过创造造性的思思维，提提出初步步假定。第二步：作出预预测推断断，依据据提出的的假说，进进行推理理得出假假定性结结论。例如：细细菌学家家弗莱明明发现抗抗生素的的过程中
6、中，发现现了问题题：培养养基的其其余部分分都布满满了葡萄萄球菌的的菌落，只只有青霉霉菌菌落落的周围围没有葡葡萄球菌菌的菌落落。这是是为什么么呢？他他作出的的假设：青霉能能够产生生一种杀杀死或抑抑制葡萄萄球菌生生长的物物质。他他作出预预测：在在放入了了青霉菌菌的培养养液能阻阻止细菌菌的生长长和繁殖殖。3.制定定计划、实实施计划划（设计计并完成实实验）：实验是完完成假设设和解决决问题的的最终途途径。当当确定了了实验课课题、建建立了假假设，实实际上已已进入了了实验方方案制定定的程序序。实验验方案设设计可以以包括两两个层面面：一个个是确定定实验目目的和实实验原理理，这是是实验设设计的“隐性”部分，另另
7、一层面面是实验验过程的的设计和和预期实实验结果果。实验验过程的的设计是是依据实实验目的的和实验验原理设设计的实实验操作作过程，包包括实验验材料和和实验手手段的选选择、实实验方法法步骤的的安排、反反应变量量的确定定与控制制、实验验现象与与结果的的纪录等等。这是是实验设设计的“显性”部分。实实验目的的和实验验原理虽虽然是抽抽象的，不不可见的的，但在在具体的的生物学学实验中中，对可可操作部部分起着着重要的的指导作作用。实实验过程程设计是是实验设设计的中中心环节节，因为为只有通通过实验验过程的的设计和和实施，才才能修订订和验证证假设，获获得合理理的结论论，实现现实验目目的要求求。4.分析析数据，得得出
8、结论论：观察实验验目的在在于获取取验证性性的结果果，所以以在实验验中要客客观如实实地观察察、记录录实验现现象，得得出实验验结果，并并通过一一定方式式将实验验结果呈呈现出来来。据此此论证、说说明实验验中的自自变量与与因变量量的因果果关系，进进而得出出实验结结论。如果所所获取的的结果与与假设相相符，则则肯定假假设；如果结结果与假假设不相相符，则则否定假假设；如果结结果与假假设无关关，则无无从判断断，可另另做假设设。实验验过程必必须客观观、真实实。5.表达达和交流流：写出出实验报报告二、 生生物实验验设计中要要注意的的几个问问题 （一）变变量问题题：在实实验设计计中我们们首先要要分清这这样的几几组概
9、念念： 在实验验过程中中，变量量是指可可被操纵纵的特定定因素或或条件。据据其在实实验中的的作用，可可分为两两类：(1)实实验变量量与反应应变量实验变量量，也称称为自变变量，指指实验中中由实验验者操纵纵的因素素或条件件。反应应变量，亦亦称因变变量，指指实验中中由于实实验变量量引起的的变化和和结果。通通常实验验变量是是原因，反反应变量量是结果果，二者者具有因因果关系系。实验验的目的的在于获获得和解解释这种种前因后后果。例如：在在探究光光对鼠妇妇生活的的影响的的实验中中，所给给定的光光亮、黑黑暗条件件是实验验变量，而而由于光光的变化化而引起起反应结结果（鼠鼠妇数量量）的变变化，鼠鼠妇数量量就是反反应
10、变量量。(2)无无关变量量与额外外变量无关变量量也称控控制变量量，指实实验中除除实验变变量外的的影响实实验现象象和实验验结果的的因素或或条件。额额外变量量也称干干扰变量量，指实实验中由由于无关关变量引引起的变变化和结结果。显显然额外外变量会会对反应应变量起起干扰作作用。如：上述述实验中中，除实验验变量以以外， 土壤的的干湿程程度、温温度等都都属于无无关变量量，如果果无关变变量的任任何一个个或几个个因素或或条件，对对实验组组的给定定不等同同、不均均衡、不不稳定，则则会对实实验结果果造成干干扰，产产生误差差。在实实验设计计和操作作中，要要尽量控控制无关关变量，这这样就会会避免实实验结果果的差异异是
11、由于于无关变变量引起起的可能能性，便便于清晰晰地研究究实验变变量与反反应变量量的关系系。科学实验验应先确确定实验验变量，注注意反应应变量，尽尽量控制制无关变变量。（二）实实验设计计的原则则1.科学学性原则则所谓科学学性原则则，是指指实验的的原理要要符合科科学原理理，实验验结果的的预期有有科学依依据，实实验的各各个环节节不能偏偏离生物物学基本本知识和和基本原原理，以以及其他他学科领领域的基基本原则则。科学性原原则具有有两个方方面的含含义。首首先，必必须保证证实验的的设计不不出现科科学性错错误；其其次，实实验设计计要具有有科学思思想和科科学方法法的因素素。具体体地说，科学性原则体现在以下几个方面：
12、实验原原理的科科学性 实验原原理是实实验设计计的依据据，也是是用来检检验和修修正实验验过程中中失误的的依据，因因此它必必须经前前人总结结或经科科学检验验得出的的科学理理论。如：甲状状腺激素素促进蝌蝌蚪生长长发育的的实验实验验原理：甲状腺腺激素促促进生物物生长发发育；检检验种子子成分中中是否含含有淀粉粉的实验验实验验原理：碘遇淀淀粉变蓝蓝。实验材材料选择择的科学学性根据实验验目的和和实验原原理选择择恰当的的实验材材料，是是保证实实验获得得预期结结果的关关键因素素之一。例如：“叶绿体体是光合合作用的的场所”实验，选选用银边边天竺葵葵做实验验材料，绿绿色部分分含有叶叶绿体，白白边不含含有叶绿绿体，选
13、选材就很很巧妙，“验证种子中含有蛋白质、脂肪、淀粉”的实验中，选用不同的种子（大豆、花生、玉米），这些实验材料，取材方便，效果显著，再加上科学的方法，就可以顺利达到实验目的。“植物细细胞的质质壁分离离和复原原实验”选选用紫色色洋葱作作为实验验材料是是经典的的成功选选材的范范例。实验方方法的科科学性只有科学学的实验验方法，才才能得出出正确而而可靠的的实验结结果。例例如，探究二二氧化碳碳是光合合作用的的原料的的实验，（1）将将植物暗暗处理一一昼夜 （2）按按下图装装置处理理实验材材料，玻璃钟罩塑料袋NaOH溶液蒸馏水玻璃板a装置b装置凡士林分析此图图中如何何体现实实验的科科学性的的？在实验中中，暗
14、处处理、NNaOHH、凡士士林、塑塑料、玻玻璃钟罩罩等设计计都体现现出了实实验的科科学性。实验结结果的科科学性 这是指指对于实实验得出出的结论论不能简简单对待待，而应应该首先先记录，然然后整理理，最后后再经过过仔细分分析，找找出它们们所能透透露给我我们的最最大的信信息量。如探究种种子萌发发的实验验中，设设置了三三组对照照实验，并并将结果果进行总总结、归归纳，得得出结论论，适量量的水分分、空气气、适宜宜的温度度是种子子萌发的的条件。三三者缺一一不可。2.平行行重复原原则 任何实实验必须须有足够够的实验验次数，才才能避免免结果的的偶然性性，使得得出的结结论准确确、科学学。平行行重复原原则要求求控制
15、某某种因素素的变化化强度，观观察其对对实验结结果的影影响程度度。例如：探探究酒精精对水蚤蚤心率的的影响的的实验，将将不同体体积分数数的酒精精刺激水水蚤，实验次数数酒精溶液液浓度水蚤的心心率15%210%315%420%讨论：酒酒精对水水蚤的心心率有什什么影响响？哪种种体积分分数的酒酒精对水水蚤有致致死作用用？3.单一一变量原原则 该原则则可使实实验中的的复杂关关系简单单化，使使结果更更准确。其其含义是是： 不论论一个实实验有几几个实验验变量，都都应做到到一个变变量对应应观测一一个反应应变量。实验中中要尽可可能避免免无关变变量及额额外变量量的干扰扰。如：某兴兴趣小组组为了研研究阳光光对大豆豆发芽
16、的的影响，而而在两个个花盆里里种了大大豆，并并设计如如下实验验：花盆阳光温度水 I光照20充足暗室20不充足在这一实实验设计计中，应应该改正正的错误误是( ) A.两个个花盆应应该放在在向阳的的地方 B.两两个花盆盆都应放放在暗处处 C.两两个花盆盆的温度度不应该该一样高高 D.两两个花盆盆都应该该浇给充充足的水水 这个实实验要研研究的是是阳光对对大豆发发芽的影影响，因因此阳光光应该为为自变量量。根据据单因子子变量的的原则，其其他因素素都应相相同，两两花盆该该浇给同同样充足足的水，这这样既保保证了单单一变量量，又使使大豆不不会因为为缺水而而影响发发芽。而而如果两两个花盆盆都浇水水不足，两两个花
17、盆盆中的大大豆就会会因为缺缺水而使使发芽不不良，也也会导致致实验的的失败。因因此，在在考虑单单因子变变量原则则时，还还应尽量量使常量量能够满满足实验验成功的的条件。4.对照照原则（实实验中对对照组和和实验组组的判断断） 对照原原则是中中学实验验中最常常用的原原则，如如探究馒馒头在口口腔中的的变化、探探究光对对鼠妇生生活的影影响、探探究种子子萌发的的条件等等实验都都采用了了对照。通通过设置置对照实实验，既既可排除除无关变变量的干干扰，又又可增加加实验结结果的可可信度和和说服力力。在一个对对照实验验中，可可包括实实验组和和对照组组。实验验组是接接受自变变量处理理的对象象组，对对照组是是不接受受自变
18、量量的处理理的对象象组。空白对对照“空白对对照”通常对照照组为不不作任何何处理的的对象组组。如七年级级下册PP31“证明唾唾液淀粉粉酶的作作用”的实验验中，每每支试管管都加入入馒头碎碎屑，第第一支试试管注入入2毫升升唾液，第第二支试试管注入入2毫升升清水，不不作任何何处理作作为对照照，这样样，第一一支试管管作为实实验组，第第二支为为对照，而而且是典典型的空空白对照照，空白白对照能能明白地地对比和和衬托出出实验组组的变化化和结果果，增强强说服力力。自身对对照实验与对对照在同同一对象象上或同一研研究对象象的不同同部位进进行对照照，不另另设对照照组。如“绿叶在在光下制制造有机机物”实验中中，一半半遮
19、光一一半曝光光处理，证证明光合合作用需需要光照照，遮光光的为对对照组，曝曝光的为为实验组组。探究究根的什什么部位位生长最最快实验验也是。如“观察植物细胞质壁分离和复原”实验，既是典型的自身对照实验处理前的对象状况为对照组，实验处理后的对象变化为实验组。条件对对照“条件对对照”是研究究在不同同条件下下实验现现象，从从严格意意义上讲讲各组都都是实验验组，而而各组之之间则是是相互对对比参照照，互为为对照组组或实验验组。通通常是给给实验组组某种处处理，给给对照组组另一条条件的处处理。如练习“探究草草履虫的的应激性性”实验中中，两滴滴培养液液边缘分分别加入入一粒食食盐和一一滴肉汁汁，作不不同的条条件对照
20、照；再如在在“验证甲甲状腺激激素促进进幼小动动物发育育”的实验验中，存存在以下下实验组组和对照照组。 甲组：饲喂甲甲状腺激激素(实实验组) 乙组：饲喂甲甲状腺激激素抑制制剂(条条件对照照组)丙组：对对蝌蚪不不作任何何处理(空白对对照)显然，乙乙组作为为条件对对照，该实验验既设置置了条件件对照，又又设置了了空白对对照，通通过比较较、对照照更能充充分说明明实验变变量-甲甲状腺激激素能促促进蚯蚓蚓的生长长发育。相互对对照指不另设设对照组组，而是是利用几几个实验验组相互互对照。如“探究种子萌发的环境条件”的实验中，用不同的湿度（或温度等）分别处理作为相互对照。那么具有种子萌发适宜条件的一组就成为了对照
21、组。例如：如七年级级上册课课后练习习“探究草草履虫的的应激性性”实验中中，两滴滴培养液液边缘分分别加入入一粒食食盐和一一滴肉汁汁，作不不同的条条件对照照。给实实验组某某种处理理，给对对照组另另一条件件的处理理。食盐盐和肉汁汁都为实实验组，又又互为对对照组。练习题：1.甲、乙乙两同学学对光合合作用所所需的条条件分别别进行了了如下探探究：（1） 甲同学将将盆栽的的天竺葵葵进行224小时时暗处理理（即放放到黑暗暗处一昼昼夜）；乙同学学对盆栽栽的带银银边的天天竺葵不不进行暗暗处理。（2） 甲、乙两两同学将将各自盆盆栽的天天竺葵移移到阳光光下照射射。（3） 几小时后后，甲、乙乙两同学学各自从从自己盆盆栽
22、的天天竺葵上上摘下叶叶片。（4） 甲、乙两两同学把把各自摘摘下的叶叶片放入入盛有酒酒精的两两个小烧烧杯里隔隔水加热热10155分钟（甲甲摘取的的叶片放放入A烧烧杯，乙乙摘取的的叶片放放入B烧烧杯）（5） 二者都用用清水漂漂洗叶片片，然后后再把各各自摘取取的叶片片放到两两个培养养皿里（甲甲摘取的的叶片放放入A培培养皿，乙乙摘取的的叶片放放入B培培养皿），向向叶片滴滴加碘液液。（6） 稍停片刻刻，再用用清水冲冲掉碘液液。实验现象象：乙摘摘取的叶叶片除银银边不变变蓝外，其其余部分分都变蓝蓝；甲摘摘取的叶叶片全部部变成蓝蓝色。请回答：（1）甲甲、乙两两同学分分别对光光合作用用所需的的光、叶叶绿体 条件
23、进进行了探探究（2）实实验结论论：光合合作用需需要光和和叶绿体体，产物物是淀粉粉 （3）你你认为甲甲、乙两两同学所所得到的的实验结结论可靠靠吗？并并说明理理由（对对实验结结论不可可靠的进进行说明明）甲不不可靠乙乙可靠；甲将整整个叶片片放在阳阳光下照照射，缺缺乏对照照实验（4）如如果让你你做该实实验，提提出你的的改进意意见甲用用黑纸片片把叶片片的一部部分从上上下两面面遮盖起起来然后后移到阳阳光下照照射。2.为了了探究“种子萌萌发是否否需要从从外界吸吸收营养养物质”，某同同学设计计了如下下实验：在A、BB两只烧烧杯中装装入适量量的土壤壤，各种种上一粒粒小麦种种子，然然后定期期在A烧烧杯中浇浇清水，
24、在在B烧杯杯中浇配配置的完完全培养养液，观观察两只只烧杯中中种子的的萌发情情况。（1） 本实验的的变量是是溶解在在水中的的营养物物质的有有无（2） 你认为该该同学设设计的AA、B两两组实验验能起到到对照作作用吗？为什么么？不能。原原因是土壤溶溶液中含含有一定定量的无无机盐和和有机养养料，不不应该选选择土壤壤介质 清水中中含有少少量的无无机盐，应应选择蒸蒸馏水 各放上上一粒种种子不合合适，因因为种子子的发芽芽率很难难达到1100%，可能能因为种种子自身身的原因因而不能能萌发，导导致实验验失败（3）如如果你认认为该实实验方案案还可以以改进，请请你提出出你的改改进意见见烧杯中各各种100粒种子子，改
25、清清水为蒸蒸馏水，不不需要土土壤条件件，可在在培养液液中垫纱纱布。四、探究究实验（学学习）中中的正确确表达1.提出出问题的的正确表表达提出的问问题要避避免所答答非所问问，首先先保证问问者能够够正确使使用疑问问代词，这这就从问问者的角角度杜绝绝了他人人的回答答不是自自己想要要知道的的问题。（1） 正确使用用疑问代代词要提出一一个可探探究的问问题，常常用的疑疑问代词词有三个个：为什什么、怎怎么样以以及是什什么。“为什么么”这类问问题是要要求对某某事物进进行解释释。例如如：植物物的叶片片为什么么在中午午时会出出现萎蔫蔫现象？在消化化系统中中，小肠肠为什么么是最长长的？家家兔为什什么有非非常发达达的盲
26、肠肠？等等等。“是什么么”（或什什么是、何何为等）这这类问题题是关于于研究对对象识别别与判断断的。例例如：盲盲肠是什什么或者者什么是是盲肠？什么是是遗传基基因或者者是遗传传基因是是什么？等等。“怎么样样”（或者者如何、多多么等）这这类问题题是询问问研究对对象的状状态及转转化过程程的。例例如：细细胞的结结构是怎怎样的？在生物物体内物物质和能能量是怎怎样相互互转化的的？眼的的结构到到底有多多么复杂杂？等等等。（2）回回避“是不是是”、“能不能能”、“可不可可以”等疑问问词常出出现在入入场的问问题之中中。2.作出出假设的的正确表表达作出假设设和回答答问题是是两个截截然不同同的概念念，因此此也有着着不
27、同的的表达方方式。作作出假设设就是“预测所所要探究究问题的的答案或或者结论论”。通常常在表达达的时候候要注意意：（1）用用陈述句句表示假假设，如如：适宜宜的温度度是种子子萌发的的条件之之一。（2）在在表述假假设的句句子前冠冠以“假设”或“作出假假设”，以表表示作出出的判断断是一个个假设，有有可能存存在这不不确定性性。最好好不用疑疑问句的的方式作作出假设设。3.预测测实验结结果（预预期）的的正确表表达预测实验验结果（预预期）就就是预测测当假设设正确时时能够产产生的实实验现象象，预测测的目的的在于保保障所作作出的实实验的科科学性、可可行性和和实效性性，其格格式一般般表达为为“如果那么”，因为作出出
28、的预测测是在假假设的基基础上进进行的，因因此，在在进行表表达的时时候，必必须要严严谨，要要把种种种可能产产生的现现象都想想到，要要求学生生正确表表达实验验预期。预测结果果并得出出结论的的一般规规律是：（1）若若条件XX存在，事事件P能能发生，条条件X改改变时事事件P不不能发生生，结论论是（2）若若条件XX存在，事事件P能能发生，条条件X改改变时事事件P能能发生，结结论是（3）若若条件XX存在，事事件P不不能发生生，条件件X改变变时事件件P能发发生，结结论是例如：现现有一种种植物的的种子，已已经知道道它的萌萌发条件件受水分分、温度度和氧气气的影响响，但是是不了解解其萌发发于光是是否有关关。为探探
29、究光的的有无对对该种子子萌发的的影响，请请你依据据所给材材料和用用品设计计实验的的方法步步骤，预预测可能能的实验验结果，并并分别得得出相应应的结论论。方法步骤骤：（1）取取A、BB两组培培养皿，倒倒入适量量的水，将将等量的的种子分分别放入入两组培培养皿中中（2）将将A置于于黑暗的的环境中中，B组组置于有有光的环环境中，培培养过程程中使两两组水分分、温度度、氧气气的状况况适宜且且相同可能的实实验结果果及相应应的结论论：（1）AA组萌发发，B组组不萌发发（或两两组萌发发率差异异不显著著），说说明光抑抑制该植植物种子子的萌发发；（2）AA组萌发发，B组组也萌发发（或AA组萌发发率高于于B组），说明该植物种子的萌发不受光的影响；（3）AA组不萌发，BB组萌发发（或BB组萌发发率高于于A组），说说明光是是该植物物萌发的的必要条条件之一一；14