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生物实验设计总结 |
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来源：互联网 作者：未知 发布时间：2006-11-12
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实验设计是生物实验中的一种类型，它能较全面的考查学生的实验知识和基本技能，分析问题和解决问题的能力以及创造能力，因而在高考中相对稳定。由于学生缺乏实验设计的有关理论知识，平时的练习也偏少，因此，遇到这类题型，就会感到茫然，无所适从。为解决这一问题，现将有关实验设计的基本理论、实验设计的思路方法和常见的类型作一介绍，以期增加学生理论知识，提高学生分析问题和解决问题的能力之目的。
Ⅰ实验设计的背景资料
实验在生物教学中有十分重要的地位。自然科学学科设立目的是帮助学生掌握科学的世界观和方法论，理解和掌握一定的科学知识。但是由于近代的科学教育太注重教材和书本知识，使得科学的本质被淹没在一般的科学知识的细枝末节之中了。生物教学也是如此，使生物实验变成了知识的简单验证和再现。
目前，改变这一现状显得尤为迫切。随高考的不断改革，高考对生物学实验有不更高的要求，集中表现在开放性实验设计题的出现上。而这一类题型在高考复习中是令学生非常头痛的问题。要解决这一难题首先要明确实验在科学研究方法中的意义和地位。
科学的本质特点是探索真理和发现真理。因此，其最有生命力的价值是"发现"，是不断指向未来与未知的过程，所以，实验是科学的基础。
美国科学家科南曾经将一般科学方法归结为六个步骤：
1.根据经验或现象的观察提出或确定问题，树立研究目标。
2.观察并记录有关的数据、资料。
3.根据观察数据提出解释性假说，以解释观察到的现象。
4.根据假说进行推演，构造理论体系，同时提出判决实验方案。
5.用实际的实验对假说进行检验。
6.根据实验所得结果，接受、修改或放弃假说。
这样的一种以归纳为核心内容的方法，作为科学方法的一般程序，是得到公认的。这种方法适用于一切科学研究过程。要进行实验，首先必须对研究对象所表现出来的现象提出某种可能的解释。也就是提出某种设想或假说，然后设计实验来验证这个设想或假说。由此可见，在科学的研究方法中，实验起着重要的作用。它不仅意味着某种精确地操作，而且是一种思考的方式。
只有理解了实验的本质以后，才可能将注意力从记忆转移到思考和创造上来。才能理解科学本来是一种探索真理的活动。
Ⅱ实验设计的基本理论
实验是科学研究过程中的一个重要环节，是在人为控制条件下，研究对象的变化，以其结果论证科学结论的一种科学方法。由于研究问题性质的不同，科学研究的方法也有差异，但通常分为以下几步：
一、观察
观察是科学研究方法的第一步，这里的观察，是在处于自然常态条件下进行。对事物进行观察时必须周详，并将它记录下来。而尤为重要的是要保持客观的态度。人们常希望看到人想要看或应该看到的现象，因此而影响观察结果，产生偏差。
二、提出问题
人们对事物作缜密观察以后，常常由于好奇心或想作进一步的了解而提出问题，虽然任何人都能提出问题，但只有有意义的问题才值得探讨，因此，进行研究时，不仅要提出问题，而且要提出确切的问题。此外，对问题的表述，也要清楚而正确，例如"蚯蚓如何借肌肉的收缩和舒张而移动身体？"
三、假说
科学方法的第三步是假说。假说，也称假设或猜测，指用来说明某种现象但未经证实的论题，也就是对所提出的问题所作出的参考答案。假说一般分为两个步骤：第一步，提出假说，即依据发现的事实材料或已知的科学原理，通过创造性思维，提出初步假定；第二步，作出预期(推断)，即依据提出的假说，进行推理，得出假定性的结论；例如，新编高中生物的"动物激素饲喂小动物的实验"，其假说是："甲状腺激素对动物的生长发育有影响"；其预期结果是："用适量的甲状腺激素饲喂蝌蚪，将促使蚪蝌的生长发育加速"。实验预期是较具体的推断。
一个问题常有多个可能的答案，但通常只有一个是正确的。因此，假设是对还是错，还需要加以验证，即依据假设或预期，设计实验方案，进行实验验证。
四、实验
实验是验证假说和解决问题的最终途径，指在人为控制的条件下研究事物的变化的一种方法。这是科学方法的最大特色，也是科学方法中最困难的一步。如何求证假设可充分展现研究者的才华。在科学实验中，要掌握或贯彻以下几点：
(一)变量
变量，或称因子，是指实验过程中所被操作的特定因素或条件。按性质不同，通常可分为两类：
l.实验变量与反应变量
实验变量，也称为自变量，指实验中由实验者所操纵的因素或条件。反应变量，亦称因变量，指实验中由于实验变量而引起的变化和结果。通常，实验变量是原因，反应变量是结果，二者具有因果关系。实验的目的在于获得和解释这种前因后果。例如，在"温度对酶活性"的实验中，所给定的低温(冰块)、适温(37℃)、高温(沸水浴)就是实验变量。而由于低温、适温、高温条件变化，唾液淀粉酶水解淀粉的反应结果也随之变化，这就是反应变量，该实验即在于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。
2.无关变量与额外变量
无关变量，也称控制变量，指实验中除实验变量以外的影响实验现象或结果的因素或条件。额外变量，也称干扰变量，指实验中由于无关变量所引起的变化和结果。显然，额外变量会对反应变量有干扰作用，例如，上述实验中除实验变量(低温、适温、高温)以外，试管洁净程度、唾液新鲜程度、可溶性淀粉浓度和纯度、试剂溶液的剂量、浓度和纯度，实验操作程度，温度处理的时间长短等等，都属于无关变量，要求对低温、适温、高温3组实验是等同、均衡、稳定的；如果无关变量中的任何一个或几个因素或条件，对3个实验组的给定不等同、不均衡、不稳定，则会在实验结果中产生额外变量，出现干扰，造成误差。实验的关键之一在于控制无关变量或减少额外变量，以减少误差。
(二)单一变量原则
单一变量原则是处理实验中的复杂关系的准则之一。它有两层意思：一是确保"单一变量"的实验观测，即不论一个实验有几个实验变量，都应做到一个实验变量对应观测一个反应变量；二是确保"单一变量"的操作规范，即实验操作中要尽可能避免无关变量及额外变量的干扰。例如，上述实验遵循单一变量原则，第一，在观测上要做到：低温处理观测记录低温下的变化和结果，高温处理观测记录高温下的变化和结果，反应变量不能混淆；第二，在操作上要做到；对3个实验一要在预先的低温、适温、高温条件下做实验处理，常见的错误是先在常温下做处理再放到低温、适温、高温条件中进行观测；这样就混入了"常温"这个无关变量及额外变量。总之，实验设计、实验的全过程，都应遵循单一变量原则。
(三)控制与平衡控制
保证实验不受干扰或将干扰因素降低到最低程度控制，是处理实验中变量关系的又一准则，指实验要严格地操纵实验变量，以获取反应变量。与此同时，还要严格地均衡无关变量，以消除额外变量干扰。一句话，通过实验控制，尽量消除实验误差，以取得较为精确的实验结果。
如果说"单一变量"原则，主要是对实验变量与反应变量的控制而言，而这里的"平衡控制"，则主要是对无关变量与额外变量的控制而说的，意思是说，实验中的无关变量的因素条件，很难
避免，只能设法平衡和抵消它们的影响，常用的方法有：
l. 单组实验法
对一组(或一个)对象，既用A法，又用B法，顺序随机或轮流循环，这是生物实验常用的实验方法。例如，"观察植物细胞的质壁分离与复原"实验，通常是将做好的洋葱紫色鳞片叶表皮细胞装片，先用蔗糖溶液做质壁分离观察，接着又用清水做质壁分离复原观察，这就是单组实验法。由于对象同一，无关变量影响也就被平衡和抵消了。
2.等组实验法
将状况相等即对象，分成两组或多组，一组用A法，另一组用B法，这也是生物实验常用的实验方法。例如，"植物激素与向性"实验，设计了5组实验，其对象是玉米幼苗，要求品种、萌发期、粗细、大小、长势等状况都是相同的，这就是等组实验法，对无关变量的影响起到了平衡和消除作用。
3.轮组实验法
对两组以上的对象，循环进行两个或两个以上的实验处理，如甲组--A法、B法；乙组--B法、A法等，这样就有效地平衡和抵消无关变量的影响。自然，操作起来要麻烦一些。例如，"植物向光性"实验，可随机取2株（组）生长状况并不相等的玉米幼苗，作如下实验处理：
甲组：玉米幼苗--A先用"不透光"处理
B后用"单侧光"处理
乙组：玉米幼苗--C先用"单侧光"处理
D后用"不透光"处理
实验结果，则是A+D(不透光)和B+C(单侧光)的比较，这就是轮组实验法。这种实验处理的匹配，对平衡、消除无关变量和额外变量更有说服力。
(四)对照
对照是实验控制的手段之一，目的还是在于消除无关变量对实验结果的影响。实验对照原则是设计和实施实验的准则之一。通过设置实验对照对比。既可排除无关变量的影响，又可增加实验结果的可信度和说服力。
通常，一个实验总分为实验组和对照组。实验组，是接受实验变量处理的对象组：对照组，也称控制组，对实验假设而言，是不接受实验变量处理的对象组，至于哪个作为实验组，哪个作为对照组，一般是随机决定的，这样，从理论上说，由于实验组与对照组的无关变量的影响是相等的，被平衡了的，故实验组与对照组两者之差异，则可认定为是来自实验变量的效果，这样的实验结果是可信的。按对照的内容和形式上的不同，通常有以下对照类型：
l.空白对照
指不做任何实验处理的对象组。例如，在"生物组织中可溶性还原糖的鉴定"的实验中，向甲试管溶液加入试剂，而乙试管溶液不加试剂，一起进行沸水浴，比较它们的变化。这样，甲为实验组，乙为对照组，且乙为典型的空白对照。空白对照能明白地对比和衬托出实验组的变化和结果，增强了说服力。
2.自身对照
指实验与对照在同一对象上进行，即不另设对照组。单组法和轮组法，一般都包含有自身对照。如"植物细胞质壁分离和复原"实验，就是典型的自身对照。自身对照，方法简便，关键是要看清楚实验处理前后现象变化的差异，实验处理前的对象状况为对照组，实验处理后的对象变化则为实验组。
3.条件对照
指虽给对象施以某种实验处理，但这种处理是作为对照意义的，或者说这种处理不是实验假设所给定的实验变量意义的。例如，"动物激素饲喂小动物"的实习实验，采用等组实验法，其实验设计方案是：
甲组：饲喂甲状腺激素(实验组)；
乙组：饲喂甲状腺抑制剂(条件对照组)；
丙组：不饲喂药剂(空白对照组)；
显然，乙组为条件对照。该实验即设置了条件对照，又设置了空白对照，通过比较、对照、更能充分说明实验变量--甲状腺激素能促进动物的生长发育。
4.相互对照
指不另设对照组，而是几个实验组相互对比对照，在等组实验法中，大都是运用对照，如"植物的向性"的等组实验中，5个实验组所采用的都是相互对照，较好的平衡和抵消了无关变量的影响，使实验结果更具有说服力。
五、结论
观察、实验的价值即在于获得验证性的结果。因此，在实验中要记录实验的事实、现象和数据，即捕捉、记录由实验变量而带来的反应变量。然后，论证、说明实验中的自变量与因变量的因果关系，从而得到实验的结果。①如果所获得的结果与假设相符，则肯定假设；②如果结果与假设不相符，则否定假设；③如果结果与假设无关，则无从判断。最后得出结论。
科学实验必须遵循真实、客观的基本准则，即实验中的观察一定要实事求是，一切从实验出发，使获取的材料(事实、现象、数据)尽可能的反映客观事物的本来面目，不能凭空胡诌，不能片面武断。
以上科学方法是进行实验设计，制定实验方案的理论依据。
Ⅲ实验设计的思路
一、实验设计的含义
实验设计是指在正式进行科学实验之前，实验者根据一定的日的和要求，运用有关的科学知识、原理，对实验过程中的材料、手段、方法、步骤等全部方案的制定。
二、实验设计的原则
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的确定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。如：淀粉酶水解淀粉的顺序问题。
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。
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，实验操作挝程比较简便，实验步骤比较少，实验时间比较短。
4.
可重复性重复、随机和对照是保证实验结果正确性的三大原则，多年来为研究者所公认。因此，在实验设计中也必须注意实验的可重复性。任何实验部必须要有足够的实验次数，才能判断结果的可靠性，设计的实验不能只能进行一次，在无法重复的情况下，作为正式结论，这样的结论易被推翻。
三、实验设计的内容
一个比较完整的实验设计方案，一般包括以下几方面的内容：①实验题目的确定；②提出假说；③设计实验方法和步骤；④提出实验的预期结果；⑤要观察和搜集的数据及方法。书写实验设计方案通常包括："实验课题"、"实验假说"、"实验预期"、"实验目的要求"、"实验方法类型"、"实验对照类"、"实验材料用具"、"实验方法步骤"和"实验结论与讨论"等项目。而在中学生物课本的实验指导中，实验假说和实验预期大都隐含在"实验原理"中。实验方法类型、实验对照类型则一般隐含在"方法步骤"里。
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