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1、1生物实验中的合理分组设计摘要：实验设计体现一种思维方式，而合理分组能呈现出思维的严谨、科学，要做到合理分组首先要了解各方各面可能存在的影响因素。关键词：分组 对照 自变量 因变量在实验步骤中第一步是分组，不同组处理方式不同，合理的分组将排除无关变量的影响，有效的体现自变量与应变量之间的必然因果关系，增加实验结果的可信度和说服力；同时合理的分组可以避免繁琐、不必要的实验设计出现，节约有限的资源。影响分组的因素较多，主要由以下方面：一、对照类型及搭配一般进行某种试验以阐明一定因子对一个对象的影响和处理效应或意义时，除了对试验所要求研究因子或操作处理外，其他因素都保持一致，并把试验结果进行比较，这
2、种试验为对照试验 2。对照设置有四种类型：空白对照、自身对照、相互对照、条件对照。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：目前市场上有许多水果、蔬菜是用植物激素刺激生长发育成熟的，人们担心儿童吃了这类水果、蔬菜后会出现性早熟。中科院上海植物生理生态研究所赵毓橘教授介绍，大部分植物激素是植物自身合成的“内源激素” 。 赵教授说：“激素水果不会引起儿童性早熟。 ”给你 12 只未成熟的长势、体重和年龄相同的同种幼小雄兔，适量的兔饲料，普通水果，植物激素，动物雄性激素，其它所需条件均满足，请你设计一实验探究：“激素水果”
3、是否会引起儿童性早熟。这个实验可以设置给实验动物添加雄性激素和普通水果这组，作为条件对照，与激素水果这组的结果比较，进一步肯定了性早熟只由动物激素引起，与植物激素无关。步骤：把 12 只雄兔平均分成三组，并标记为 A 组、B 组、C 组，分开饲养。定时定量进行饲喂：A 组喂以拌有普通水果的普通饲料， B 组喂以拌有激素水果的普通饲料，C 组喂以拌有雄性激素和普通水果的普通饲料。放在相同的条件下进行饲养，观察记录雄兔的发育情况。相互对照指不另设对照组，而是几个实验组相互对比对照，例如：为了验证根总是向着重力方向生长，根的摆放位置为自变量，不同的摆放形成相互对比，证明根的原始方向与根的向地生长无关
4、。步骤：取已萌发的玉米 4粒，分别放在培养皿的四个位置上(如图所示) ，并且幼苗的根尖都朝向培养皿的中心。将滤纸剪成培养皿大小，盖在玉米粒上，再盖上湿棉花，直到填满整个培养皿。然后盖上培养皿盖，使玉米粒不能移动位置。用胶布将培养皿和盖粘牢。把培养皿竖立放在恒温箱内(无光照)，不让其滚动，在适宜的温度下培养。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。包括自身前后对照和自身不同位置对照。例如：研究植物根具有向重力性，茎具有背重力性，将一植株横放于培养基上，让其自然生长，经过一段时间后，便可观察到根向重力生长，茎背重力生长。空白对照指不做任何处理的对象组。一般指不施加自变量。但不意味着不
5、做任何操作，在动物实验中，为保持动物处于正常状态，给动物注射生理盐水、饲喂蒸馏水等等的操作，也属于空白对照的一种类型。有的实验中甚至需要将自变量对无关变量的操作作为空白对照。例如：pH 对酶活性的影响这个实验，在没有酶存在的情况下，pH 对底物本身是否有ABCD2影响，以此作空白对照加以说明。实验中无论设计为自身对照，或条件对照，或相互对照，一般都需再加上一组空白对照。从而使结论更具严谨，更有说服力。例如：利用以下实验材料和器材设计实验，探究不同浓度生长素类似物对种子萌发率的影响。材料和用具：萝卜种子、试管、移液管、蒸馏水、铺有滤纸的培养皿、浓度分别为 10-5mg/L 、10 -3mg/L、
6、10 -1mg/L、10mg/L、10 3mg/L 的生长素类似物溶液 (实验材料和用具的数量不限)。5 种浓度之间做相互对照，再设一组不添加生长素类似物的做空白对照。通过与空白对照的比较，来体现某一生长素类似物的浓度对种子萌发率是促进还是达到抑制。实验步骤：取 6 支试管，编号，依次分别加入不同浓度生长素类似物，有 1 支试管加入蒸馏水，在各支试管中分别放入 20 粒种子。取与试管相同数量的培养皿，编号（与试管对应） ，分别用与对应试管相同的溶液浸湿滤纸。24 小时后取出种子，分别放入对应培养皿，放在条件相同且适宜的环境中培养。每天向培养皿补充适量的相应溶液。计数根的数量，测量根长度。例如：
7、右图表示的是测定保湿桶内温度变化实验装置。某研究小组以该装置探究酵母菌在不同条件下呼吸作用的情况。材料用具：保温桶（500mL） 、温度计、活性干酵母、质量浓度 0.1g/mL 的葡萄糖溶液、棉花、石蜡油。自变量是氧气，一组为有氧环境，一组为无氧环境。为了要测定装置是因呼吸作用引起温度变化量，而非环境，还需要增加一个组，作为空白对照。在这个组里加入死亡的酵母菌。在探究实验中，如果要做到预期结果全面完整，同样也需要设空白对照。例如：探究高温能否影响甲状腺素的活性。实验材料：三只相同的洁净玻璃水槽、30 只发育状况相同的蝌蚪、无污染河水、普通饲料、甲状腺激素制剂拌匀的饲料、用 80热水处理过的甲状
8、腺激素制剂拌匀的饲料。从实验假设对应到预测结果，存在这几种可能：1.高温使甲状腺素完全失去作用，2、高温使甲状腺素失去部分作用，3、高温不影响甲状腺素，4、高温使甲状腺素活性增强。因而这个实验需要设置 3 个组，一组添加不含甲状腺素的饲料，一组添加含甲状腺素的饲料，一组添加含高温处理过的甲状腺素饲料，通过 3 组实验结果的对比来到预期的结果。实验步骤：把三只相同的洁净玻璃水槽编号 A、B、C，分别注入等量的河水；将 30 只蝌蚪分成三等份分别放入 A、B、C 水槽中，将三只水槽放在相同的适宜的外界条件下培养蝌蚪，每天同时向 A、B、C 三只水槽内分别投放等量的普通饲料、甲状腺激素制剂拌匀的饲料
9、、用 80热水处理过的甲状腺激素制剂拌匀的饲料，过一段时间后比较各水槽中蝌蚪的发育状况。二、自变量自变量又称之为操作变量、实验变量，是指研究者主动操纵，而引起因变量发生变化的因素或条件 1，自变量一般隐藏在实验课题名称中或在实验目的中。一般书写实验题目时，要求含有自变量和因变量，探究题目格式为“探究自变量对因变量的影响”如：探究生长素浓度对该植物枝条生根的影响，其中生长素浓度就是自变量。有时候自变量藏在原理中，如：根的向地生长与根表面 H+分布相关性的探究实验中，其原理是细胞膜上转运氢离子的载体将氢离子向膜外运输，使细胞壁酸化，酸化后的细胞壁变得松弛，使细胞伸长生长。反之，细胞伸长越大，壁酸化
10、程度越高，在这个实验中我们能操作的变量就变成了根的摆放位置，不同的摆放都会产生相同的结果，即向地生长，但横放会产生弯曲现象，而竖直放不会发生弯曲。有弯曲现象就意味着根两侧细胞伸长程度是不同的，此时根两侧的 H+多少就成了因变量。3有些实验研究一个问题，只涉及一个自变量，也存在由多个自变量构成的实验，涵括了多个问题，它往往比分别做多个实验效率高，通过比较使结果更有价值。最简单的多自变量实验中存在 2 个自变量，假设每个自变量有两个水平，该实验就有 22 个平行组。例如：探究“大豆幼苗生长最佳的日温和夜温组合”的实验方案，预测最佳的温度组合，实验材料和用具：大豆幼苗若干、大小相同的装有等量完全营养
11、液的玻璃瓶若干、温箱(可满足幼苗生长)若干、量尺等，提示（温度组合范围：日温 2030、夜温 1722，幼苗生长其它件相同） 。自变量：日温和叶温，如果日温、夜温都各有高、低两个温度值，那么两个自变量之间的组合就有 4 个。实验步骤为：取生长状况一致的大豆幼苗若干，分成多个组(或 4 组) ，分别移栽到编好号的玻璃瓶内，将各组大豆幼苗分别置于不同日温和夜温的组合下培养 (写出不同日温与夜温的具体组合如：高日温、高夜温；高日温、低夜温；低日温、高夜温；低日温、低夜温与写出具体温度数值均可得分)，其他条件相同， 一段时间后分别测量幼苗的生长高度。由于在实验中通过两两对照，保证了单一变量的存在，而自
12、变量之间如果不存在累加作用，在设计组别时有些组可以删减。例如：某同学从植物生理学书中查到“幼嫩叶片可产生生长素；生长素可阻止叶柄脱落”的结论，于是他设计了一个实验，想证实该结论。他的实验步骤为：取一盆生长状况良好的植物，去掉幼叶的叶片(如图所示)； 观察幼叶叶柄的脱落情况。指出该同学实验设计的不足之处。在这个实验中，既要研究生长素的产生部位，又要研究生长素的作用。因而幼嫩叶片和生长素同时成为自变量。经自变量组合，产生四组：幼嫩叶片和生长素同时存在，有幼嫩叶片而无生长素，有生长素无幼嫩叶片，两者都没有。按单一变量原则，两两结果对比，有幼嫩叶片而无生长素这组可以省略。因而这个实验分 3 组就可说明
13、问题，同时要避免顶芽的存在带来生长素影响结果。实验步骤为：取同一品种长势相同的三株植物，均切除顶芽，依次编号为 A、B、C。B、C 切去近顶端一幼叶叶片，保留叶柄，A 不做处理，B 切面上涂一定浓度的生长素溶液，在相同适宜条件下培养一段时间，观察 A、B、C三植株去叶片的叶柄的脱落情况。对于多自变量的实验设计，如果搭配上不同的对照设计类型，会出现不同的分组。例如：为了验证叶片在光合作用和呼吸作用过程中有气体的产生和消耗，请用所提供的实验材料与用具，在给出的实验步骤和预测实验结果的基础上，继续完成实验步骤的设计。实验材料与用具：烟草幼苗、试管两支、蒸馏水、NaHCO 3 稀溶液（为光合作用提供原
14、料） 、真空泵、暗培养箱、日光灯（实验过程中光照和温度等条件适宜，空气中 O2、CO 2 在水中的溶解量及无氧呼吸忽略不计） 。实验步骤：（1）剪取两小块相同的烟草叶片，分别放入盛有等量蒸馏水和 NaHCO3 稀溶液的两支试管中。此时，叶片均浮在水面上。 （2）用真空泵抽去两支试管内液体中和叶肉细胞间隙中的气体，敞开试管口，可观察到叶片均下沉到试管底部。 （3）CO2 和光照为两个自变量，由于实验只给出两个试管，一个有 CO2 (NaHCO3)，一个无CO2 (NaHCO3)，关于光照这个自变量就只能做前后自身对照。先做光照，再做黑暗。实验步骤：（3）将这两支试管放在日光灯下，照光一段时间。结
15、果：NaHCO 3 稀溶液中的叶片上浮，蒸馏水中的叶片仍在试管底部。 （4）再将这两支试管放在暗培养箱中一段时间。结果：NaHCO 3 稀溶液中的叶片下沉，蒸馏水中的叶片仍在试管底部。4三、存在额外变量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。在实验分组中要消除额外变量。例如：“幼嫩叶片可产生生长素；生长素可阻止叶柄脱落”这个实验，当材料中存在空白琼脂块，而生长素需要以琼脂块为介质慢慢进入叶柄，作为无关变量的琼脂块有可能会干扰到实验结果。因而需要再设置另外的组来平衡这一变量带来的结果。如增设一组切口处放置不含生长素的琼脂块；另一组改为切口处放置含有适宜浓度生长素的琼脂块。这
16、样就需要四组来说明问题。四、因变量与观察指标之间存在的关系因变量是因为自变量的变化而产生的现象变化或结果，有的实验因变量就等同于观察指标，有的实验因变量不能直接进行观测，或因材料的限制直接测定因变量很困难，就需要用观测指标来代替，此时就需要在分组中考虑观察指标、因变量、自变量三者之间的关系。例如：为了验证“胰高血糖素具有升高血糖的生理作用” ，请以小白鼠为实验对象设计实验步骤，预测和解释实验应出现的结果。实验材料和用具：正常实验小白鼠 2 只，生理盐水，用生理盐水配制的适宜浓度的胰高血糖素溶液，班氏糖定性试剂，注射器，试管，烧杯等。 （实验提示：采用腹腔注射给药，给药剂量不作实验设计要求；给药 1 小时后，用注射器在小鼠膀胱处穿刺取尿液） 。显然这个实验血糖浓度是因变量，观察指标是尿液在班氏糖定性试剂中显色后的颜色。由于尿液中的糖来自血糖，所以这个观察指标可以直接体现因变量。实验分 2 组就可以。实验步骤：确定 1 只鼠为实验鼠，腹腔注射胰高血糖素溶液；另一只鼠为对照鼠
