变量的确认与控制_生物学验证性实验设计的关键

使其充分进行光合作用。 取一叶片 , 放入盛有酒精的烧杯中 , 水浴加热 , 使 叶绿素溶于酒精中。 将已脱绿的叶片取 出 , 平铺在 一个 培养皿 内 , 用 碘 - 碘化钾检测有无葡萄糖的特异颜色反应出现。 该实验方案有几项明显错误 , 请指出 错误并改正。 解析 : 首先本实验 有两个 明显错 误 : 步骤 中红 色 安全灯应改 为绿 色安 全灯 ; 步 骤 中 葡 萄糖 应 改为 淀 粉。下面再从实验设计思 想方面 看看该 实验方 案的 不 足。本实验要揭 示的是 CO2 的有 无与能 否进行 光合 作 用之间的联系。所以 , CO2 就是本 实验中要确 认的实 验 变量。实验变量的操纵过程是 :
课本中涉及到的 用甲状 腺制剂 饲喂 蝌蚪与 正常情 况下蝌蚪不作任何处理对照 温度对淀粉酶活性影响的实验中 0 、 100 等温度
虽给对照组施以部分实验因素 , 但不是 所要研究的 处理因素 对照和实验都在同一研究对象上进行 不单设对照组 , 而是几个实验相互对照
下的对照 将过氧化氢酶加入 H2 O2 液中说明酶是生物催化剂 证明玉米根的生 长方向 与地心 引力 的关系 中不同 方向放置的玉米种子之间的对照
的适宜条件下培养 , 并对溶 液通气 , 观察 比较两 组植 物 的生长发育情况。 2) 实验 2: 取生 长状 况一致 的大 豆幼苗 , 栽 培在 盛 有砂性土壤的容器中 ( 砂性 土壤肥 力均匀 , 容器 符合 实 验要求 ) , 对照组浇以蒸馏水 , 实验组浇以蒸馏水配 制的 镁盐溶液 , 两组置于 相同的 适宜条件 下培 养 , 观 察比 较 两组植物的生长发育情况。 3) 实验 3: 取生 长状 况一致 的大 豆幼苗 , 栽 培在 盛 有砂性土壤的容器中 ( 砂性 土壤肥 力均匀 , 容器 符合 实 验要求 ) , 对照组浇以含 有植物必 需的各 种元素 的完 全 营养液 , 实验组浇以 不含镁 离子的完 全营 养液 , 两组 置 学 通 报 2003 年第 38 卷第 5 期
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明确实验变量和无关变量 验证性实验往往探究的是 某一因 素与所 研究生 命 现象之间的 联系 , 则 该 因素 是实 验中 应确 定的 惟一 一 个对实验结果有影响的变量 , 即实 验变量 ( 也 叫实验 因 子) , 是实验 中所操纵的变 量。操纵实 验变量 所引起 的
1) 操纵实验变 量 这 是实验的 核心问 题。我们 正 是通过操纵 实 验 变量 来 观察 或 测 量实 验 结果 的 变 化 的。其过程可表示为 : 施加实验变量 反应变量 取消或改变实验变量 反应变量消失或程度改变 2) 控制无关变量 由于 无关变 量也会对 实验结 果 产生影响 , 要考察实验变 量对实 验结果 产生的 影响 , 必 须对无关变 量 进行 控制 , 以 消除 无关 变量 对实 验结 果 的影响。这是实验设计最显 著、 最重要 的特点 , 是实 验 设计必须遵循的准则。对照 实验是 消除无关 变量的 有 效方法。对照的常用方法有以下几种 :
变量的确认与控制
生物学验证性实验设计的关键
李敬红 ( 湖北省宜昌市第七中学 湖北宜昌 443003)
能运用恰当的 方法验 证简单 的生物 学事实 , 并 对 结果进行解释和分析 是生物学高考的能力要 求。这 一 要求在 2000 年、 2001 年、 2002 年连续 3 年 的全国高考 理 科综合考试 生物学部分 得到了 很好体 现。生物 学验 证 性实验设计已经成为度和能力要求比较高 , 学生往 往 感到困难。笔者认为 , 突破实验设计这一制约考生成 绩 颈瓶 的关键是变量的确认与控制。 我们知道 , 生物学揭示的是生命活动这一最复 杂的 物质运动形式 , 某一问题往往受到多种因 素( 变量 ) 的影 响。因此 , 要揭 示某 一因 素 与所 研究 问 题间 的 必然 联 系 , 就应该正确地确定变量并在实验中加 以控制。其基 本思路如下 :
玻璃罩中有 CO2 ( 施加实验变量 ) 成 植物叶片有淀粉生成 植 物叶片 无淀粉 生 玻璃罩中没有 CO2( 取消实 验变量 )
植物的生长发育状况还受植物实验前的生长状况、 培养条件( 光照、 温度、 根的通气状况等 ) 、 植物生活的 其 他必需元素等变量的影响 , 这些变量与植物生长状况 之 间的联系不 是 本实 验的 研究 目的 , 是 本 实验 的无 关 变 量。要揭示镁与植物生长状况之间的联系 , 必需设立 对 照组以排除无关变量对实验的干扰。即 : 取生长状况 一 致的大豆幼苗 , 用符合实验要求的容器进行培 养。对 照 组盛有含植物必需的各种矿质元素的完全培养液 , 实 验 组盛有不含镁离子的完全培养液 , 两组置于相同的适 宜 条件下培养 , 并对溶液通气。观察比较两组植物的生 长 发育情况。在无关变量一致的情况下 , 成功地操纵实 验 变量 , 就可得出科学结论。 实验 1 中无关变量 ( 其 他的 必需元 素 ) 对实 验结 果 产生了干扰 , 实验组和对照组植物生长均不正 常。实 验 2、 实验 3 中对照组中也存在镁元素 , 没有 遵循单一变 量 原则 , 无法操纵实验 变量。因 此 , 这 3 个 实验思 路均 不 能达到实验目的。 例 2( 2001 年广东 ) , 为 证实 二氧 化碳 是光 合作 用 合成有机物必需的原料 , 某同学设计了下列实验方案 : 1) 实验目的 ( 略 ) ; 2) 实验材料和用具 ( 略 ) ; 3) 实验方法和步骤 : 用一 适当大小的玻 璃罩罩住 一株 生长正 常的 盆 栽绿色植物和一杯 NaOH 溶液 , 密封不 漏气。 将上述植物及装置放在暗室中饥饿 , 消耗掉叶 片 内贮藏的有机物。暗室内装有红色安全灯。 饥饿一定时间后 , 自暗室中取出 , 照光若干小时 ,
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实验结果的捕获与分析 仔细地 观察并准确记 录符合预 期现 象或与 预期 现 象相对立 的实验 现象 , 有时 需要根据 已有知 识推测 实 验现象 , 并依据实验现象作出相应的实验结 论。 例 1( 2002 年理科 综合 ) , 为 验证 镁是 植物 生活 的 必需元素 , 3 位同学进行了实验 设计 , 下列是 实验的 基 本思路。请 分别指出 3 个实验思路能否达到 实验目的 , 为什么 ? 再写出你的设计思路。 1) 实验 1: 取生 长状况 一致 的大 豆幼苗 , 用 符合 实 验要求的容器进行培养。对照组容器内只盛有蒸馏水 , 实验组盛有 用蒸馏水配 制的镁 盐溶液。 两组置 于相 同 36 生 物
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生
物
学
对照种类对照方法举例空白对照不给对照组任何处理因素课本中涉及到的用甲状腺制剂饲喂蝌蚪与正常情况下蝌蚪不作任何处理对照温度对淀粉酶活性影响的实验中0100等温度条件对照虽给对照组施以部分实验因素但不是所要研究的处理因素对照和实验都在同一研究对象上进行下的对照将过氧化氢酶加入h2o2液中说明酶是生物催化剂自身对照相互对照不单设对照组而是几个实验相互对照证明玉米根的生长方向与地心引力的关系中不同方向放置的玉米种子之间的对照3实验结果的捕获与分析仔细地观察并准确记录符合预期现象或与预期现象相对立的实验现象有时需要根据已有知识推测实验现象并依据实验现象作出相应的实验结论
举 例
变化 ( 实验 结果 ) 叫反 应变 量。可表 示为 : 实 验变 量 反应变量。它们的确定是进行实验设计的前题。 无关变量是指除实验变量 外也影 响实验 效果的 变 量 , 只是它们不是本实验所要探究、 关心的变量。 2 控制变量 它包括两方面 :
对照种类 空白对照 条件对照 自身对照 相互对照 对照方法 不给对照组任何处理因素
于相同的适宜条件下培养 , 观察比较两组植物的生长 发 育情况。 4) 下面由你进行实验设计 , 请写出你的设计思路。 解析 : 本实验所要揭示的是镁与植物生长状况之 间 的联系。因 此 , 镁是本实验中应确认的实验变量。操 纵 实验变量的过程是 :
培养液中含有镁 ( 施加实验变量 ) 培养液中没有镁 ( 取消实验变量 ) 植物生长发育正常 植物生长发育异常
提高 叶绿体中色素的提取和分离 实验效果经验点滴
学生在 做高 中生 物学 叶绿 体中 色素 的提 取和 分 离 实验时 , 常 有部 分学 生得不 到明 显的实 验结 果 , 所 以 , 对本实验做了以下改进的尝试 : 1 用 Na2CO3 取代 CaCO3 因学生 把握 不好 CaCO3 的 用量 , 致使 难溶 于水 的 CaCO3白色粉沫 明显 地残 存于 滤液 中 , 影 响实 验 效果。 经过实验 , Na2CO3 同样具有保 护叶绿素 的作用 , 且有 易 溶于水的优点 , 故可改用少许 Na2CO3 代替 CaCO3 。 2 充分研磨后再加丙酮 在研钵中 , 2 mL 丙酮室温下 1 min 45 s 即可挥 发完 毕。若先加丙 酮 再 研 磨 , 不 等 研磨 完 , 丙 酮已 全 部 挥 发 , 失去作用 , 故加丙酮的时间应在研磨后。 3 纱布过滤制滤液 取消漏斗基部放脱脂 棉这一 步 , 而 用 3~ 4 层纱 布 包裹充分研磨过的菜叶 , 通过漏 斗将汁 液挤于 试管中 , 得滤液。因研磨过的菜叶自然过滤很难得到滤液。 实验证明 , 改进后较改进前实验 效果明显。 曹宏英 ( 赤峰市宁城县天义第一中学 内蒙古赤峰 024200) ( BZ) 通 报 37
实验中还 存 在植 物生 长 状况、 玻 璃 罩的 大 小和 颜 色、 饥饿处理的环境、 NaOH 的 浓度及 用量、 鉴定 有机 物 方法的 选择等无关变 量。这些无 关变量 都会对 实验 造 成干扰和误差。为了消除和平衡无关变量的影响 , 应对 变量加以控制 , 即在 无关变 量相同的 条件 下 , 观 察确 认 的实验变量 ( 即 CO2 的有无 ) 对光合作用的影响 , 以 便对 实验结 果进行 科学 的分 析 , 增强 实验 的 可信 度 和说 服 力。本实验中有 实验组 , 但缺 少对照 组 , 无法排 除无 关 变量对实验结论的干扰。对照组的设计如下 : a. 装 置同 题干中的步骤 , 且 玻璃罩 大小颜色 均相 同 , 但 其内 用 同一种生长状况相同的另一株植物代替题干中的植物 ; 用一杯清水代替 NaOH 溶 液 ( 即 条件 对照 ) 。 b. 重复 改 正后的步骤 !。 综上所述 , 在设计验 证性生 物学 实验 时 , 必 须先 仔 细研究课题 , 找出实 验中的 各种变量 , 然 后构思 实验 变 量的控制方法和实验结果的捕获手段 , 最后选择适 宜的 实验材料 , 在考虑各实验步骤关联性的前提下表达 实验 的方法步骤。其中变量的 确认与 控制是 设计好 生物 学 实验的关键。 ( BZ)