1、一、生物实验的理论和方法 生物学作为一门以实验为基础的自然科学，实验是获取生物学知识的重要手段，是科学研究过程的重要环节，从孟德尔对遗传定律的研究中便不难发现实验的重要性，并且可从中了解科学研究的基本过程。（一）生物实验程序生物科学实验的一般程序为：观察并提出问题提出假说设计并完成实验分析数据，得出结论。1.观察，提出问题 在观察基础上提出有意义的值得探讨的问题。2.提出假说 假说也称假设或猜测，指用来说明某种现象但未经证实的论题，也就是对所提出的问题所做出的参考答案。假说一般分为两个步骤：第一步，提出假说，即依据发现的事实材料或已知科学原理，通过创造性的思维，提出初步假定。第二步，作出预测推
2、断，依据提出的假说，进行推理得出假定性结论。如：孟德尔“对分离现象解释的验证的测交”实验的假说是：F1(Dd)产生配子时，产生含有基因 D 和含有基因 d 的两种配子，并且它们的数量相等。而预期是测交结果的后代中高茎与矮茎之比为 1：1。3.设计完成实验 实验是完成假设和解决问题的最终途径，指在人为控制的条件下研究事物变化的一种方法。如孟德尔在验证“对分离现象的解释”这一假设时，便巧妙地设计了“测交”实验。4.分析数据，得出结论 观察、实验的目的在于获取验证性的结果。所以在实验中要记录实验的事实、现象、数据，捕捉、记录由实验变量带来的反应变量。据此论证、说明实验中的自变量与因变量的因果关系，进
3、而得出实验结论。如果所获取的结果与假设相符，则肯定假设；如果结果与假设不相符，则否定假设；如果结果与假设无关，则无从判断，可另做假设。实验过程必须客观、真实。（二）生物实验的基本步骤一个完整的生物学实验包括以下基本步骤：1.确定课题，明确目的原理做什么实验；解决什么问题；依据什么原理。2.提出假设提出初步假定，并对可见现象提出一种可检测的解释，具体为：假设不成立不符合事实假设成立符合事实寻找证据提出假设 例如，孟德尔“对分离现象解释的验证”的测交实验假设是：“F1(Dd)产生配子时，产生含有基因 D 和基因 d 的两种配子，并且它们的数目相等”。3.作出实验预期在检测实验假设前，先提出实验预期
4、结果(一个假定的结果)，若预期结果没有实现，说明假设不成立；若预期结果实现，则假设成立。4.设计实验根据实验目的和提出的假设，确定实验基本思路，确定选材、装置及实验对照等，设计实验的具体方法步骤，并按设计的方案进行操作。5.观察、记录实验现象和收集数据客观如实地观察、记录实验现象，得出实验结果，并通过一定方式将实验结果呈现出来。6.分析作结对记录的数据(包括现象和结果)进行整理分析，归纳出一般概括性判断，并用文字、表格、绘图等形式作出简明的总结。7.推论根据实验事实进行推理得出结论。8.交流写出实验报告。（三）生物实验的变量、原则 生物实验设计应该注意以下几个方面的问题：1.科学实验应先确定实
5、验变量 在实验过程中，变量是指可被操纵的特定因素或条件。据其在实验中的作用，可分为两类：(1)实验变量与反应变量 实验变量，也称为自变量，指实验中由实验者操纵的因素或条件。反应变量，亦称因变量，指实验中由于实验变量引起的变化和结果。通常实验变量是原因，反应变量是结果，二者具有因果关系。实验的目的在于获得和解释这种前因后果。例如在“唾液淀粉酶水解淀粉”的实验中，所给定的低温、适温和高温是实验变量，而由于低温、适温和高温条件变化，唾液淀粉酶水解淀粉的反应结果也随之变化，这就是反应变量，该实验即获得和解释温度变化(实验变量)与酶的活性(反应变量)的因果关系。(2)无关变量与额外变量无关变量也称控制变
6、量，指实验中除实验变量外的影响实验现象和实验结果的因素或条件。额外变量也称干扰变量，指实验中由于无关变量引起的变化和结果。显然额外变量会对反应变量起干扰作用。如：上述实验中除实验变量以外，试管的洁净程度、唾液新鲜程度、可溶性淀粉浓度和纯度、试剂溶液的剂量、浓度和纯度、实验操作程序、温度处理的时间长短等，都属于无关变量。如果无关变量的任何一个或几个因素或条件，对三个实验组的给定不等同、不均衡、不稳定，则会对实验结果造成干扰，产生误差。在实验设计和操作中，要尽量减少无关变量，而且不同的实验组中的无关变量应完全相同，这样就会避免实验结果的差异是由于无关变量引起的可能性，便于清晰地研究实验变量与反应变
7、量的关系。(3)教材中相关实验的变量实验自变量因变量无关变量实验 4比较过氧化氢酶和Fe3的催化效率 过氧化氢酶、Fe3)催化效率的高低(以点燃但无火焰的卫生香燃烧的猛烈程度表示或气泡产生速度表示)试管等用具的洁净度、环境温度、相同材料的量、各种试剂的量、反应时间等 实验 5探索淀粉酶对淀粉和蔗糖水底物的种类(淀粉、蔗糖)淀粉酶将淀粉水解(处理后加斐林试剂，加热出现砖红色沉淀)，但不能水解蔗糖(处理后加斐林试剂并加热，无砖红色沉淀出现)淀粉与蔗糖溶液的量、水浴的温度与处理时间、斐林试剂的使用量与加热时间、操作程序等 解的作用 实验 8植物向性运动的实验设计和观察 是否黑暗、单侧光照、均匀光照)
8、改变幼苗空间位置以接受重力影响 幼苗弯曲状况根的弯曲方向 幼苗的种类及生长状况、环境温度、培养条件、处理的部位、装置的合理性等萌发种子的种类及萌发状况、环境温度、培养条件等 实验 9观察植物细胞的质壁分离和复原 外界溶液的浓度即高渗及低渗溶液)质壁分离(液泡失水缩小、颜色变深、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)溶液的种类及浓度；分离与复原现象的观察；装片的洁净度及临时装片的制作；材料的选择等。实验 12观察 SO2对植物的影响 不同浓度的 SO2 植物体的生长状态的变化 实验装置及器材的一致性、实验植物生长状况、SO2浓度的控制、培养的环境条件、实
9、验操作程序、观察时间的长短等 实验 13（选修）、温度对酶活性的影响 温度(60热水、沸水、冰块)加碘液后溶液颜色的变化 试管的洁净度、淀粉溶液的量、不同温度的处理时间长度、操作程序、碘液的加入量等 研究课题设计实验观察生长素或生长素类似物对植物生长发育的影响 生长素(或类似物)的不同浓度 扦插枝条的生根状况的差异果实发育状况的差异落花落果状况在使用前后的差异 实验材料的一致性、激素浓度的准确性、处理时间的一致性等 2.实验设计的原则(1)科学性原则 所谓科学性原则，是指实验的原理要符合科学原理，实验结果的预期有科学依据，实验的各个环节不能偏离生物学基本知识和基本原理，以及其他学科领域的基本原
10、则。科学性原则具有两个方面的含义。首先，必须保证实验的设计不出现科学性错误；其次，实验设计要具有科学思想和科学方法的因素。具体地说，科学性原则体现在以下几个方面：实验原理的科学性 实验原理是实验设计的依据，也是用来检验和修正实验过程中失误的依据，因此它必须经前人总结或经科学检验得出的科学理论。如 2000 年全国高考试题中第 25 题，要求学生通过实验验证“钙离子在血液凝固中的作用”。题中给出了两个实验原理：血液中的钙离子在血液凝固过程中起重要作用，若缺少它则血液不凝固；草酸钾溶液能与钙离子发生反应，形成草酸钙沉淀，因此具有抗凝血作用。这两条原理科学而且完整，学生可由此产生明确的设计思路。实验
11、材料选择的科学性 根据实验目的和实验原理选择恰当的实验材料，是保证实验获得预期结果的关键因素之一。孟德尔选用自花传粉的豌豆作为杂交实验材料，以及“植物细胞的质壁分离和复原实验”选用紫色洋葱作为实验材料都是经典的成功选材的范例。再如，新鲜的黑藻嫩叶是“观察细胞质流动”实验的理想材料，因其新鲜，故能保证观察到的是活细胞；因其含水量多，故能保证细胞质流动的流动速度快，实验现象明显；因其含叶绿体，故能使细胞质的流动速度和流动方向清晰可见；因其叶片薄，故便于制片且能在显微镜下观察。另外，黑藻在一年四季都可以培养，取材方便。有了这样的实验材料，再加上科学的方法，就可以顺利达到实验目的。实验方法的科学性 只
12、有科学的实验方法，才能得出正确而可靠的实验结果，如证明植物的光合作用过程中释放CO2的实验是这样设计的：通入的空气先经过 NaOH 溶液除去其中的 CO2，再经过 Ca（OH）2溶液检验 CO2是否完全除尽，最后才通入装有萌发的种子的密封容器中。只有经过这样的步骤，才能完全排除干扰因素，证明瓶中的 CO2确实来源于种子的呼吸作用。实验结果的科学性 这是指对于实验得出的结论不能简单对待，而应该首先记录，然后整理，最后再经过仔细分析，找出它们所能透露给我们的最大的信息量。如下面这个实验：用含有各种必需矿质元素的溶液培养大麦，48 小时后测定几种离子的浓度占该离子开始浓度的百分比，实验结果如下：实验
13、条件 水分消耗(mL)Ca2 K Mg2 光照 1090 135 27 179 黑暗 534 105 35 113 上面的结果因为经过了记录和整理，所以使人一目了然。观看这个实验结果，首先要看出该实验中设计了哪些对照组，由上表可知，表中出现三组对照：一组是有光与无光；一组是水分的吸收与矿质元素的吸收；还有一组是不同的矿质元素的吸收情况比较。所以我们分析实验结果时，也应从这三个方面人手，得出如下结论：一是植物对水分和矿质元素的吸收与光有关；二是植物对水分和矿质元素的吸收是两个相对独立的过程；三是植物对矿质元素的吸收具有选择性。(2)平行重复原则 任何实验必须有足够的实验次数，才能避免结果的偶然性
14、，使得出的结论准确、科学。平行重复原则要求控制某种因素的变化强度，观察其对实验结果的影响程度。下面的这道题就是根据平行重复原则设计的实验。在用质壁分离法测定细胞液浓度的实验中，把剪成小块的洋葱表皮分别放人下面各组溶液中，结果如下表：培养皿 蔗糖溶液浓度(mol/L)发生质壁分离细胞占观察细胞数目的百分比 1 O.2 无 2 O.3 无 3 0.4 15 4 O.5 40 5 O.6 80 6 0.7 99 7 O.8 100 请回答：(1)该洋葱细胞液等渗浓度范围为 。(2)在以上基础如何改进实验，将测定的洋葱表皮细胞的细胞液浓度范围精确到小数点后两位数。A.需设置的蔗糖溶液浓度分别为 。B.
15、。C.观察。D.结果与分析。实验的第二步需要根据平行重复原则设计实验来得出结论。(3)单一变量原则 该原则可使实验中的复杂关系简单化，使结果更准确。其含义是：不论一个实验有几个实验变量，都应做到一个变量对应观测一个反应变量。实验中要尽可能避免无关变量及额外变量的干扰。例如，在“探索淀粉酶对淀粉和蔗糖水解作用”的实验中，加入的淀粉和蔗糖是单一变量，而加入的淀粉酶的量、反应温度、pH 则应控制成相同条件，否则这些因素的差异将作为无关变量，干扰实验结果及对实验结果的分析。再如：某兴趣小组为了研究阳光对大豆发芽的影响，而在两个花盆里种了大豆，并设计如下实验：花盆阳光温度水I光照20充足暗室20不充足在
16、这一实验设计中，应该改正的错误是()A.两个花盆应该放在向阳的地方 B.两个花盆都应放在暗处 C.两个花盆的温度不应该一样高 D.两个花盆都应该浇给充足的水 这个实验要研究的是阳光对大豆发芽的影响，因此阳光应该为自变量。根据单因子变量的原则，其他因素都应相同，两花盆该浇给同样充足的水，这样既保证了单一变量，又使大豆不会因为缺水而影响发芽。而如果两个花盆都浇水不足，两个花盆中的大豆就会因为缺水而使发芽不良，也会导致实验的失败。因此，在考虑单因子变量原则时，还应尽量使常量能够满足实验成功的条件。(4)控制与平衡控制原则该原则是指要严格地操纵自变量，以获取因变量。同时，要严格地均衡无关变量，以消除额
17、外变量干扰。即尽量消除实验误差，以取得较为精确的结果。常用的方法有单组、等组及轮组实验法。单组实验法对一组(或一个)对象，既用 A 法，又用 B 法，顺序随机或轮流循环，这是生物实验常用的实验方法。例如，“观察植物细胞的质壁分离与复原”实验，通常是将做好的紫色洋葱鳞片叶表皮细胞装片，先用蔗糖溶液做质壁分离观察，接着又用清水做质壁分离复原观察，这就是单组实验法。由于对象同一，无关变量的影响也就被平衡和抵消了。等组实验法将状况相等的对象，分成两组或多组，一组用 A 法，另一组用 B 法，这也是生物实验常用的实验方法。例如，“植物激素与向性”实验，设计了 5 组实验，其对象是玉米幼苗，要求品种、萌发
18、期、粗细、大小、长势等状况都是相同的，这就是等组实验法，对无关变量的影响起到了平衡和消除作用。轮组实验法对两组或两组以上的对象，循环进行两个或两个以上的实验处理。如甲组A 法、B 法；乙组B 法、A 法等，这样能有效的平衡和抵消无关变量的影响。自然，操作起来要麻烦一些。例如，“植物向光性”实验，可随机取 2 株(组)生长状况并不相等的玉米幼苗，做如下实验处理：后“不透光”处理先“单侧光”处理乙组：玉米幼苗后“单侧光”处理先“不透光”处理甲组：玉米幼苗.dcba 实验结果则是 ad(“不透光”)和 bc(“单侧光”)的比较，这就是轮组实验法。无论先用单侧光处理，还是先用不透光处理，两株长势不同的
19、玉米均表现向光性，均由单侧光引起，可见这种实验处理的匹配，对平衡、消除无关变量更有说服力。(5)对照原则 对照原则是中学实验中最常用的原则，如有关酶的高效性、专一性和影响酶活性的条件的实验，观察植物细胞质壁分离和复原实验都采用了对照。通过设置对照实验，既可排除无关变量的干扰，又可增加实验结果的可信度和说服力。在一个对照实验中，可包括实验组和对照组。实验组是接受自变量处理的对象组，对照组是不接受自变量的处理的对象组，一般是随机决定的。常用的对照组类型有以下几种：空白对照对照组为不作任何处理的对象组。如“探索影响淀粉酶活性的条件”实验中，1 号试管加 1 mL蒸馏水，2 号、3 号试管分别加等量的
20、 NaOH、HCl 溶液，1 号试管即为典型的空白对照组；用小狗做活体材料设计实验，证明动物生长激素的分泌器官及作用时，用不做任何处理的小狗作对照，与切除了脑垂体的小狗进行比较。自身对照实验与对照在同一对象上进行，不另设对照组。如“观察植物细胞质壁分离和复原”实验，既是典型的自身对照实验处理前的对象状况为对照组，实验处理后的对象变化为实验组。条件对照给实验组某种处理，给对照组另一条件的处理。如在验证唾液淀粉酶发挥作用的最适温度的实验中的 O和 80下的对照。再如在“验证甲状腺激素促进幼小动物发育”的实验中，存在以下实验组和对照组。甲组：饲喂甲状腺激素(实验组)乙组：饲喂甲状腺激素抑制剂(条件对照组)丙组：对蝌蚪不作任何处理(空白对照)相互对照指不另设对照组，而是利用几个实验组相互对照。如验证温度对唾液淀粉酶活性影响的实验中 60、O、37之间的对照；验证 pH 对唾液淀粉酶活性影响的实验中，不同 pH 溶液之间的对照。再如在“植物向光性”的实验设计中，如下图所示，2 与 l 对照可证明感光部位在胚芽鞘尖端，3 也可与 1 对照，4 也可与 l 对照，也可与 2 对照。