生物学经典实验

第四章实验评估型

第一节基本原理与方法

自然科学作为一种高级复杂的知识形态和认识形式，是在人类已有知识的基础上，利用正确的思维方法、研究手段和一定的实践活动而获得的，它是人类智慧和创造性劳动的结晶。因此，在科学研究、科学发明和发现的过程中，是否拥有正确的科学研究方法，是能否对科学事业作出贡献的关键。正确的科学方法可以使研究者根据科学发展的客观规律，确定正确的研究方向；可以为研究者提供研究的具体方法；可以为科学的新发现、新发明提供启示和借鉴。

一、科学探究法

探究性实验是科学实验的一种。科学探究需要通过观察和实验等多种途径来获得事实和证据。设置对照实验，控制单一变量，增加重复次数等是提高实验结果可靠性的重要途径。

实验是验证假说和解决问题的最终途径，实验是指在人为控制的条件下研究事物的变化的一种方法。实验变量，也称自变量，是指实验中由操作者所控制的因素或条件。反应变量，也称因变量，是实验过程中由于实验变量而引起的变化或结果。实验变量和反应变量二者具有因果关系。在科学探究中，常常要注意以下原则：

（一）对照原则

对照原则是指对照实验只有一个变量，按对照的内容和形式的不同，一般有以下几种类型：

1.空白对照

空白对照是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。这时甲试管为实验组，乙试管为对照组，且乙试管为典型的空白对照。

2.自身对照

自身对照是指实验与对照在同一对象上进行，即不另设对照组。当我们采用单组法和轮组法开展实验时，实验中就包含有自身对照。如“植物细胞质壁分离和复原”实验，就是典型的自身对照。自身对照的关键是要看清楚实验处理前后现象或数据、证据变化的差异，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

条件对照是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，采用等组实验法开展“动物激素饲喂小动物”实验时，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）。那么，乙组为条件对照。该实验既设置了条件对照，又设置了空白对照，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

相互对照是指不另设对照组，而是几个实验组相互对比，在等组实验法中，大都是运用相互对照的方法，如“植物的向性”的等组实验中，５个实验组所采用的就是相互对照，较好地平衡了无关变量的影响，实验结果也更具有说服力。对照实验是科学研究常用的实验方

法，目的是通过对比实验的结果，找到想要研究的因素对实验的影响作用，从而为科学研究提供数据或证据。

对照实验设计要注意以下事项：

（1）明确实验目的

一切从目的出发，认真审题，明确实验的类型，是探究性实验还是验证性实验，该实验要解决什么问题，探索哪方面的规律，是否需要设置对照，做到有的放矢，目的明确。

（2）弄清实验原理

实验原理是实验的根据和思路。如已知淀粉遇碘显蓝色，蛋白质遇碘显黄色，现有浆糊、蛋清液、唾液、碘液等材料，设计实验验证酶的专一性。验证酶的专一性可利用淀粉酶只催化淀粉水解，不催化蛋白质水解来证明。

（3）合理选取材料

选取材料时，要考虑材料的相似性和一致性；使用性和可控性；易行性和经济性；可靠性。如实验“动物激素喂小动物的实验”中，首先要选择幼体，而且能体现出发育的，则首选材料为蝌蚪。因青蛙的胚后发育属于变态发育，而且又是在短时间内完成，实验现象明显，容易观察。

（4）设置单一变量

单因子变量原则，即控制其他因素不变，而只改变其中某一因素，观察其对实验结果的影响。通常的单因子变量一般是所要验证的事实。如“证明温度对酶活性的影响”的实验中，变量为温度，除了温度不同外，其他实验条件完全相同。

（5）防止干扰

实验设计不仅要设置单一变量，而且要使无关变量（除单一变量外，对实验结果也有影响的变量）不影响实验结果。如“如证明pH值对酶活性的影响”的实验中，要使除pH以外的其它变量不影响酶的活性，如温度要保持在最适温度，以保证酶能发挥出最佳催化效果。此外单一变量也要考虑度、量的问题，以体现出应该有的结果差异。

（二）重复原则

实验设计过程中必须遵循的又一个重要原则是重复原则。由于个体差异等影响因素的存在，同一种处理对不同的受试对象所产生的效果不尽相同，其具体指标的取值必然有高低之分，只有在大量重复实验的条件下，该处理的真实效应才会比较确定地显露出来。例如，在物理学中测量一个电流表的电阻，需要重复实验3~5次，根据每次测量的数据，取平均值以减小误差。

重复通常有三层含义，分别是重复实验、重复测量和重复取样。重复实验是指在相同的实验条件下，进行两次或两次以上独立的实验，目的是为了降低以个体差异为主的各种实验误差。重复测量是指受试对象接受某种处理后，在不同时间点或对称的不同部位上被重复观测某定量指标的数值大小，目的是看定量指标随时间推移的动态变化趋势或部位改变条件下定量指标的分布情况。重复取样就是在同一个时间点从同一受试对象身上或同一个样品中取得多个标本，目的是看各标本中某定量观测值的分布是否均匀或检测方法是否具有重现性。

（三）随机原则

除了对照和重复之外，在实验研究中，还要求各组间除了处理因素外，其他可能产生混杂效应的非处理因素尽可能保持一致。贯彻随机原则是提高组间均衡性的一个重要手段，也是资料统计分析时进行统计推断的前提。在实验设计中贯彻随机原则的重点在于如何保证每个实验对象都有同等的机会被随机分配到对照组和实验组，以便减少外在因素和人为因素的

干扰。

随机主要有两种，一是随机分组，二是随机抽样。随机分组是要保证试验对象分到每个组别的概率是相等的，随机抽样是要保证所有总体研究对象都有相同的机会被抽取到。随机的实现主要是靠随机数字。在手工计算的时代，随机数字主要是通过随机数字表，显得比较繁琐，以致不少科研人员对其望而生畏。而现在我们完全可以利用Excel产生随机数字，实现随机化。例如，某研究比较食物交换份法和基于血糖负荷概念的食物交换份法对妊娠期糖尿病孕妇的治疗作用，将符合入选标准的80例研究对象分为试验组和对照组。首先按一定条件（如入院时间）将所有患者编号，然后利用Excel的随机函数产生80个随机数字，与患者编号一一对应，即每人编号对应一个随机数字。将这80个随机数字由小到大排序，前40个随机数对应的患者分入试验组，后40个随机数对应的患者分入对照组。

（四）科学探究的过程

科学探究的一般过程：提出问题→作出假设→制订计划→实施计划→得出结论→表达交

二、数学建模法

在科学研究中，经常需要进行科学抽象，并通过科学抽象，运用数学方法去定量揭示研究对象的规律性，其基本过程是：（1）先将研究的原型抽象成理想化的物理模型，也就是转化为科学概念；（2）在此基础上，对理想化的物理模型进行数学科学抽象（科学抽象的一种形式），使研究对象的有关科学概念采用符号形式的量化，达到初步建立起数学模型，即形成理想化了的数学方程式或具体的计算公式；（3）对数学模型进行验证，即将其略加修正后运用到原型中去，对其进行数学解释，看其近似的程度如何：近似程度高，说明这是一个较好的数学模型，反之，则是一个较差的数学模型，需要重新提炼数学模型。例如，在生物学中种群增长率的测定，就需要进行数学建模，形成理想化的计算公式：N t=N0λt。这样就能够估算种群密度，研究种群数量变化，对于有害动物的防治、野生生物资源的保护和利用，以及濒危动物种群的拯救和恢复，都有很重要意义。