管窺實驗設(shè)計的基礎(chǔ)理論及其在解題中的應(yīng)用

楊得俊

【摘 要】隨著教育教學(xué)和考試命題改革的不斷深入，對生物實驗教學(xué)有了更高的要求，開放性的實驗設(shè)計已成為當前生物老師與廣大學(xué)生的一個新課題。實驗設(shè)計基礎(chǔ)理論及其應(yīng)用的教學(xué)具有瓶頸效應(yīng)，結(jié)合實際加強實驗設(shè)計基礎(chǔ)理論及其應(yīng)用的教學(xué)在實驗設(shè)計和解題中具有重要意義。

【關(guān)鍵詞】實驗設(shè)計；基本原則；設(shè)計方案；實例分析

生物科學(xué)是一門實驗科學(xué)，目前隨著教育教學(xué)和考試命題改革的不斷深入，對生物實驗教學(xué)有了更高的要求，開放性的實驗設(shè)計已成為當前生物老師與廣大學(xué)生的一個新課題。從近幾年的實驗題在高考中的題型變化來看，借助實驗方法創(chuàng)設(shè)新情境，側(cè)重考查學(xué)生對實驗進行解釋和分析得能力已成為命題趨向，其中設(shè)計型實驗題更是熱點。由于實驗設(shè)計是較高的能力要求，除要具備一定的知識基礎(chǔ)外，還需要具有一定的創(chuàng)造能力。所設(shè)計的實驗是建立在科學(xué)的基礎(chǔ)上的，還應(yīng)具有一定的觀察和發(fā)現(xiàn)問題的能力。下面結(jié)合本人幾年來如何進行實驗設(shè)計的實踐，談一點自己的體會。

1.實驗設(shè)計的內(nèi)容

所謂實驗設(shè)計，就是要求學(xué)生在明確實驗?zāi)康牡幕A(chǔ)上，設(shè)計實驗原理，選擇實驗器材，安排實驗步驟，設(shè)計數(shù)據(jù)處理的方法及分析實驗現(xiàn)象得出實驗結(jié)論的過程。實驗設(shè)計，主要考查學(xué)生確認變量的能力，以及是否理解實驗原理，是否具有靈活運用實驗知識的能力，是否具有在不同情境下遷移知識的能力等。

一個完整的實驗設(shè)計過程包括5個環(huán)節(jié)。發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、實驗設(shè)計（包括假說和預(yù)期）、實驗實施、結(jié)論（包括推導(dǎo)和運用結(jié)論）。其中實驗設(shè)計是聯(lián)系問題和結(jié)論的必要橋梁。

實驗設(shè)計的基本原則有科學(xué)性原則、平行重復(fù)性原則、單一變量原則、對照原則。基本原則的應(yīng)用主要是針對實驗的基本變量和實驗材料而言，如操縱自變量是用單一變量原則，控制無關(guān)變量時用對照原則，檢測因變量和選擇生物材料是科學(xué)性原則、平行重復(fù)性原則等。

一個比較完整的實驗設(shè)計方案，一般包括這樣幾方面的內(nèi)容：①實驗題目的確定；②提出假設(shè)；③設(shè)計實驗方法和步驟；④提出實驗的預(yù)期結(jié)果；⑤要觀察和搜集的數(shù)據(jù)及方法。書寫實驗設(shè)計方案通常包括：“實驗課題”、“實驗假說”、“實驗預(yù)期”、“實驗?zāi)康囊蟆?、“實驗材料用具”、“實驗方法步驟”和“實驗結(jié)論與討論”等項目。在此應(yīng)對學(xué)生的表述能力以相應(yīng)模式強化訓(xùn)練，如對實驗?zāi)康牡谋硎瞿Ｊ娇煽偨Y(jié)為：“探究（驗證）……（自變量）對……（實驗材料）有……的影響（自變量）”等。

2.實驗中要注意的問題

在實驗設(shè)計中可以從以下幾個方面去考慮：①明確實驗?zāi)康?，即需要驗證的生物學(xué)事實，確認變量和實驗材料，提別是自變量、因變量和無關(guān)變量；②嚴格遵守實驗原理，實驗所依據(jù)的科學(xué)原理，涉及到的生物學(xué)及相關(guān)學(xué)科的方法和原理；③恰當選擇實驗對象，選擇最能體現(xiàn)生物學(xué)事實的具體對象，如細胞、組織、器官或生物個體；④細心注意對實驗條件、材料用具和裝置的理化條件和生物學(xué)方法處理后，認真研究實驗裝置設(shè)計的嚴密性和合理性；⑤合理設(shè)計實驗方法步驟，要注意實驗步驟的關(guān)聯(lián)性和延續(xù)性，實驗操作的程序性，以及實驗要完成的基本任務(wù)（選擇處理生物材料、控制無關(guān)變量、操縱自變量、檢測因變量）；⑥精心設(shè)置對照組實驗，控制和消除無關(guān)變量對實驗結(jié)果的；⑦提出假設(shè)條件，預(yù)測結(jié)果，假設(shè)是對可見現(xiàn)象作出可以檢測的解釋，假設(shè)的成立與否依賴證據(jù)（預(yù)測結(jié)果符合事實或?qū)崿F(xiàn)則假設(shè)成立，反之則假設(shè)不成立）；⑧注意實驗現(xiàn)象和實驗結(jié)果，考慮單一實驗變量對結(jié)果的影響；⑨對實驗進行多角度、多方位的分析討論。

實驗設(shè)計的實例分析

例 為證實“二氧化碳是光合作用合成有機物必需的原料”，某同學(xué)制定了下列實驗方案：

⑴實驗?zāi)康模裕?/p>

⑵實驗材料和用具（略）

⑶實驗方法和步驟

A.用一適當大小的玻璃罩罩住一株生長正常的盆栽綠色植物和一杯NaOH溶液，密封不漏氣。

B.將上述植物及裝置放在暗室中饑餓，消耗掉葉片內(nèi)貯藏的有機物。暗室內(nèi)裝有紅色安全燈。

C.饑餓一定時間后，自暗室中取出，照光若干小時，使其充分進行光合作用。

D.取一葉片，放入盛有酒精的燒杯中，水浴加熱，使葉綠素溶于酒精中。

E.將已脫綠的葉片取出，平鋪在一個培養(yǎng)皿中，用碘液檢測有無葡萄糖的特異顏色反應(yīng)出現(xiàn)。

該實驗方案有幾項明顯錯誤，請指出錯誤并改正。

分析：這是一道實驗方案的評價題，往往會因分析片面或缺乏必要的實驗分析能力而誤答。錯因主要是忽略了平時的實驗設(shè)計訓(xùn)練。

正確思路：首先根據(jù)實驗?zāi)康拇_認實驗變量及其操作方法：自變量是CO2有無，用NaOH溶液的有無操縱；因變量是光合作用合成有機物，主要是淀粉有無，用碘液遇淀粉變藍色檢測；無關(guān)變量是光照等其他影響光合作用合成有機物的因素，設(shè)置對照進行控制。其次看實驗過程操作是否與實驗?zāi)康牡南嚓P(guān)聯(lián)和是否正確，易見實驗中不能用紅色安全燈，因為色素能夠吸收紅光，進行光合作用，影響實驗結(jié)果；淀粉遇碘變藍是淀粉特有的顏色反應(yīng)，而不是葡萄糖的顏色反應(yīng)。鑒定還原糖（葡萄糖）的存在應(yīng)用的試劑是班氏試劑等。

正確答案是：⑴實驗步驟中暗室內(nèi)用“紅色安全燈”是錯誤的，應(yīng)改為綠色安全燈（此項不改，僅在對照中提到也給分）；⑵實驗步驟E中的“葡萄糖”是錯誤的，改為淀粉；⑶未設(shè)對照，對照的做法是：a.裝置同題干的步驟，但玻璃罩內(nèi)用同一種生長狀況相同的另一株植物代替題干中的植物；用一杯清水代替NaOH溶液。b.將上述植物及裝置放在暗室中饑餓，消耗掉葉片內(nèi)貯藏的有機物。暗室內(nèi)裝有綠色安全燈。c.重復(fù)題干中的步驟。d.重復(fù)改正后的題干中的步驟。