实验的变量与对照
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实验的变量与对照
实验的变量与对照是实验的基本问题。
理清实验的变量与对照是形成实验思维的基础。
但在具体的情境中，学生对这一基本问题却含糊不清，阻碍了实验思维的进一步拓展。
究其原因，虽然确认变量是生物高考大纲要求学生具备的基本能力之一，但因教材对此问题无专门论述，教师在教学中又“口径不统一”，致使学生不清楚实验变量的概念；不明白实验变量与对照之间联系，也就谈不上对这一重要分析工具的运用。
为此，本文从实验变量的概念入手，通过实例分析，帮助学生解决存在的问题。
1.什么是实验既然变量与对照是实验的基本问题，哪么，在讨论这一问题
之前我们先得
清楚实验这一背景。
根据不同类型的实验，人们对实验总结出了如下两种表述：①实验是实验目的支配下落实实验原理的过程；②实验是人为控制条件影响常态而进行的观察。
例如，Ⅰ鉴定生物组织中的还原性糖，原理是还原性糖与斐林试剂发生作用，可生成砖红色沉淀。
要达到这一目的就得设法使生物组织中的物质与斐林试剂发生作用，观察砖红色沉淀的生成，符合表述①；Ⅱ验证胰岛素具有降低血糖浓度的作用，肯定要给处于常态下的相应实验动物注射适量胰岛素以施加影响并与常态比较，观察反应的差异来确定胰岛素的作用，符合表述②。
识记并不断运用这两种表述，对建立实验思维具有很大的帮助，而实验变量就是从表述②中生发出来的。
2. 实验变量的概念对存在变量的实验来说，实验有三个变量：自变量、因变量、无关变量（干扰变量）。
自变量是实验目的或原理（假设）要求的人为控制的对实验材料的处理因素。
这一概念中“目的或原理（假设）要求”、“人为控制”是关键词，前者表明自变量是服务于实验目的或原理（假设）的，后者表明自变量必须是人为控制的。
前者是对后者的限定，后者是对前者的落实，因此其特点是可控制。
如前述实验Ⅱ中“胰岛素”既是实验目的要求的，也是人为能够控制的，就是自变量。
当然，自变量的确定并非如此简单，后面结合实验对照还要进行讨论。
因变量是自变量引起的可观测的结果。
受人类观测能力或观测条件的限制，实验中好多步骤的处理其目的就是为了构造出可观测的结果。
同例中“血糖浓度下降”是预期结果，应该是因变量，但如果我们缺乏检测血糖浓度的仪器呢？在这种情况下，实验动物出现“低血糖症”就是因变量，故其特点是可观测。
无关变量是非实验目的或原理（假设）要求的但可能会对因变量造成影响的因素。
无关变量本质是有关变量，“无关”是因为“非要求”，所以把无关变量又叫干扰变量，其特点是需排除。
下面结合教材实例来综合分析。
探索淀粉酶对淀粉和蔗糖的作用
1.取两支洁净的试管，编上号，分别加入淀粉溶液和蔗糖溶液2ml，再向两支试管中分别加入淀粉酶溶液2ml。
2.轻轻振荡试管，使液体混匀。
将试管的下半部浸到60℃左右的热水中，保温5min。
3.取出试管，各加入2ml斐林试剂，边加入边轻轻振荡试管使液体混匀。
4.将两支试管的下半部放进盛有热水的大烧杯中，用酒精灯加热，煮沸1min。
5.观察并记录两支试管内的变化。
问题：实验步骤中为什么取两支试管？为什么前后两次用不同温度的水浴加热，其目的是什么？能颠倒吗？为什么两支试管中除加入的淀粉溶液与蔗糖溶液不同外，其它如液体量、水浴、加热时间都是相同的？
分析：因为实验目的要求用淀粉酶处理淀粉溶液和蔗糖溶液两种实验材料，所以取两支试管，淀粉酶就是自变量。
第一次水浴加热是为淀粉酶提供适宜的催化温度，第二次是斐林试剂作用的条件，目的是加热均匀，促使砖红色沉淀的生成，若颠倒，淀粉酶高温失活，失去对淀粉和蔗糖水解的催化作用，达不到实验目的。
这里砖红色沉淀是因变量。
液体量、水浴、加热时间等因素非实验目的要求，但会对实验结果造成影响，属无关变量，相同且适宜的目的是为了排除影响。
由此看来，实验步骤确立的核心是处理实验变量之间的关系。
需要强调的是，根据对实验的第②条表述，自变量的另一条件是影响常
态，若处理因素对常态无影响，则该因素不能称自变量。
例如，用高倍显微镜观察叶绿体和细胞质的流动，所有的处理都是为了观察到常态而不是影响常态。
所以不是所有的实验都有自变量。
结构观察类实验通常无自变量。
3. 实验的对照对照就是对比参照。
对有自变量影响的实验而言，对照是必须的。
通过设计对照，排除了自变量之外其它因素的干扰，突出了自变量的作用，增强了实验结果的可信度和说服力。
对照的首要问题是确定实验组和对照组。
3.1 实验组和对照组的确定用自变量处理的组是实验组，其它组为对照组。
看来实验组与对照组的确定根本上还是自变量的确认问题。
举例：验证光是植物光合作用的必要条件。
有如下三种设计，要求区分实验组和对照组。
Ⅰ①将同品种的生长发育状况相同的植株分成A、B两组，②A组正常光照，B组处于黑暗条件下，两组植株培养相同的时间，③观察两组植株的生长情况。
预期结果：A组正常生长，B组生长不良。
Ⅱ①将生长发育良好的植株在黑暗条件下处理一段时间，②将植
株叶片的一半遮光，一半曝光，③一段时间后，用碘蒸气处理叶片。
预期结果：曝光的一半显蓝色，遮光的一半无颜色变化。
Ⅲ①将同品种的生长发育状况相同的植株在黑暗条件下处理一
段时间，②将植株分成A、B两组，③A组人工光照，B组继续黑暗。
预期结果：A组正常生长，B组生长不良。
上述Ⅰ和Ⅱ设计的共同点是光照组是常态组，因为植物本来就是生长在太阳光下的，人为控制的方法是通过“减去光照”来影响常态，其自变量是黑暗，实验组分别是B组和遮光部分。
设计Ⅲ中对同处黑暗中的植物均进行非常态处理，A组人工光照，B组黑暗，这里的焦点是“人工光照”，即通过“加上光照”来影响植物，A组是实验组，B组是对照组。
这就如同验证翅是鸟飞翔的条件，剪掉翅的是实验组，不剪的是对照组，但如果给你的都是剪掉翅的鸟，则安装了假翅能飞翔的组是实验组，没安装的组是对照组。
3.2 对照的类型对照的基本类型有三种，分别是空白对照、条件对照和相互对照。
自身对照隶属于这三种对照，只不过对照在同一研究对象上进行。
空白对照指对实验材料不处理或处理后对材料无影响，即常态组，如上述设计Ⅰ中
的A组和设计Ⅱ中的叶片曝光部分。
条件对照是对照组中的非常态组，如验证
酶的专一性实验，根据实验原理用淀粉酶处理淀粉溶液的组是实验组，用淀粉酶处理蔗糖溶液的组是对照组。
相互对照指实验组之间的对照，如探究温度对酶活性的影响，各组之间的对照即为相互对照，同理，前述探索淀粉酶对淀粉和蔗糖的作用实验中，两组均为实验目的要求的对实验材料的处理组，均为实验组。
在实验的变量与对照问题中，重点和难点是自变量的确认。
从上面的分析看出，同一设计，实验目的不同，自变量不同（验证酶的专一性、探索淀粉酶对淀粉和蔗糖的作用）；同一目的，人为控制的方式不同，自变量不同（验证
光是植物光合作用的必要条件），但最根本的还是要抓住“实验目的或原理（假设）要求”、“人为控制”、“影响常态”这三个关键词来综合分析。
实验变量亦称自变量,指实验中由实验者所操纵、给定的因素或条件。
反应变量亦称因变量或应变量，指实验中由于实验变量而引起的变化和结果。
实验变量是原因，反应变量是结果，实验中要设法使一个实验变量对应于一个反应变量，然后解释这种前因后果就可得出结论。
由于在实验中，可能有多种因素影响实验变化和结果，除实验变量以外的影响实验变化和结果的因素或条件就称为无关变量或控制变量，由于无关变量所引起的变化和结果称为额外变量或干扰变量。
高中生物课本中若干实验的变量：：
实验四：比较过氧化氢酶和Fe3+的催化效率
自变量：催化剂种类（Fe3+和过氧化氢酶）
因变量：用气泡产生速度，卫生香燃烧程度
无关变量：用具洁净度、环境温度、相同材料的量、各试剂的量、反应时间等等实验五：探索淀粉酶对淀粉和蔗糖的作用
自变量：底物种类（淀粉和蔗糖）
因变量：淀粉水解了、蔗糖未水解
无关变量：淀粉与蔗糖的量、水浴温度及处理时间，斐林试剂的用量与加热时间、操作程度等
实验七：观察植物细胞的质壁分离和复原
自变量：外界溶液的浓度（高渗及低渗溶液）
因变量：质壁分离（液泡失水缩小、颜色变浓、原生质层与细胞壁分离）；质壁分离复原（液泡恢复原状、颜色变浅、原生质层恢复原状）
实验十：植物向性运动的实验设计和观察
自变量：①是否单侧光照（黑暗、单侧光照、均匀光照）
①改变幼苗的空间位置以接受重力影响
因变量：①幼苗的弯曲状况；②根的弯曲方向
无关变量：①幼苗的种类及生长状况、环境温度、培养条件、处理部位、装置的合理性等；
②萌发种子的种类及萌发状况、环境温度、培养条件等
实验十二：观察二氧化硫对植物的影响
自变量：不同浓度的二氧化硫
因变量：植物生长状况的变化
无关变量：实验装置与器材的一致性、实验植物的生长状况、二氧化硫浓度的控制，培养条件、观察时间长短、操作程序等
选修实验一：温度对酶活性的影响
自变量：温度（60℃热水、沸水、冰水）
因变量：加碘液后，溶液颜色的变化
无关变量：试管洁净度、淀粉液的量、温度处理时间、碘液的加入量、操作程序等。