鸟取蜘蛛家的古怪:中学生物探究性实验方案设计的规范化

中学生物实验教学目标就是要教会学生生物学实验的基本实验技能和方法，培养他们自主分析和设计实验的科学思维与能力。成功的实验必须以严谨的实验方案设计为基础。诚然，中学生物探究性实验具有其一定的开放性，但实验设计的基本程序却是大致相同的，让学生明确实验基本程序的涵义，实现探究性实验方案设计的规范化，给学生建立一个实验设计的参照和自我评价标准，是教师达成实验能力教学目标的有效途径之一。

1 探究性实验方案所包含的主要设计内容

生物科学探究实验的一般程序为：明确目的，拟定实验的课题→提出假设→设计完成实验→分析实验现象→作出预期结果和结论。其中，实验目的及课题确立、实验运用原理、实验步骤设计、实验数据记录与分析、预期结果和结论，是实验方案设计中必须体现的主要内容。

2 探究性实验方案主要内容设计的规范化

2.1 实验课题设计格式的规范化

所谓实验的课题，是指实验者根据观察和现象分析，对提出的所要探究的问题核心的一句话概述，是达成实验主要目的的高度体现。而探究性实验的核心和目的则是通过实验去寻求一种因果关系。也就是说，实验课题应该是用高度概括性的语言去阐述探究性实验中的实验自变量和因变量所存在的可能性关系。这里的“实验自变量（因）、因变量（果）、可能性关系”就是构成一个实验课题陈述格式的三要素。例如：当我们看到“加酶洗衣粉”说明中的“温水浸泡”的字样时，我们会对其洗涤要求产生疑问，进而可以通过探究实验来寻找原因；这里的“温度、酶的活性、影响”便是实验中的探究核心，于是我们可以拟定“探究温度对酶的活性的影响”的实验课题，而写成“探究酶的活性”则不妥。

2.2 实验原理设计制定的规范化

所谓实验的原理，其实质是实验者在实验过程中所采用的方法和手段的理论依据。这里的方法和手段主要是为了实现实验自变量（因）与因变量（果）之间作用效果的易于观察和检测。通俗的说，当我们看到实验呈现的结果，就可以说明这是由施加实验自变量引起的，“为什么”，回答出“为什么”就是该实验的主要原理。常见的探究性实验原理主要包括实验反应原理、操作原理和装置原理。例如：由于斐林试剂遇还原性糖产生砖红色的Cu₂O沉淀，所以可作为鉴定生物组织中存在（还原性）糖的实验原理，这属于实验反应原理；由于叶绿体中的四种色素在层析液中的溶解度不同，溶解度小的扩散得慢，溶解度大的扩散得快，所以我们可以用“层析法”来分离，这属于实验操作原理；而当我们要研究处于某种状态的种子细胞呼吸强度实验时，我们采用密闭装置，通过玻璃弯管中小液滴的移动来观察、检测实验因变量的变化，密闭瓶中常放入适量的NaOH溶液用来吸收掉CO₂，这样细胞呼吸的耗氧量就可以通过小液滴的移动得以指示，这属于实验装置原理。在探究性实验设计中，实验原理是灵魂，确立合适的实验原理，不仅能使实验变得可行，而且能使实验方法变得巧妙、实验操作变得简洁、实验结果变得明朗。例如：在恩格尔曼探究植物光合作用的实验中，他用好氧性细菌去指示氧气的产生部位，将微观变宏观，这种实验方法操作原理的应用，使得整个实验变得简单而易行，显得独到而具创新。

2.3 实验步骤设计安排的规范化

明确实验设计的基本步骤，遵循科学性、可操作性、对照、等量、单一变量等设计原则，根据实验目的、原理和思路，精确控制实验中的各种变量，是实现实验步骤设计安排的规范化的基础和保障。

一般来说，实验设计的基本步骤不外乎三大步：实验备材和处理→实验操作顺序与过程的制定→实验结果的观察和记录。具体到某个实验，实验者可以根据需要对实验的基本步骤进行合理的拆分或扩充。

2.3.1          实验备材和处理

这一步主要包括实验实验材料、器材、试剂的选用、分组和初处理等。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。

选材。孟德尔为实现纯种杂交而选用自花传粉的豌豆作为杂交实验材料，恩格尔曼为实现极细光束的定位照射而选用具有带状叶绿体的水绵细胞作为探究光合作用场所的实验材料，赫尔希和蔡斯为实现DNA和蛋白质的分离而选用大肠杆菌噬菌体（只含DNA和蛋白质）作为探究遗传物质的实验材料，这都是成功选材的经典范例。从这些选材范例中，我们不难看出选材的标准依据是：材料本身要尽量符合变量控制要求，要突现实验变量作用效果，减少无关变量的干扰。例如：选用带有紫色中央液泡的洋葱表皮细胞做“质壁分离和复原”实验就是为了清楚地看到细胞外液的浓度变化对植物细胞的渗透作用的影响效果，选用淀粉酶而不选用H₂O₂酶做“温度对酶活性的影响”实验是为了避免实验过程中温度直接导致H₂O₂分解所产生的无关变量对实验结果的干扰。

分组。实验为了实现控制与平衡控制原则，即要严格地操纵自变量，以获取因变量，均衡无关变量，常用的方法有单组、等组及轮组实验法。对于等组及轮组实验法，实验前则需要分组，建立空白对照、条件对照和相互对照。实验材料的分组须遵循“随机、均等、一致”的等量原则，随装置或器材编号。

处理。根据实验的需要，有时对实验材料进行恰当的初步处理是非常必要的。例如：在“噬菌体侵染大肠杆菌”的实验中，为了实现同位素示踪DNA和蛋白质的去向，需对噬菌体分别用P³²和S³⁵标记处理；在“生长素的发现”探究实验中，为了证明胚芽鞘尖端的确产生了一种促进生长的物质，需对胚芽鞘尖端进行切除培养处理；在“探究植物光合作用”的相关实验中，当我们要用碘液去指示淀粉的存在来达到实验因变量测定时，需对实验前植株作“暗处理”。实验目的不同，采用的实验原理和实验方法不同，材料处理往往不同，但材料处理的目的通常是相同的，那就是为了顺利而准确的达到实验过程变量的控制，以彰显实验过程中自变量和因变量的线性关系。

2.3.2          实验操作顺序与过程的制定

实验作顺序与过程制定就是围绕实验目的，依据实验原理而设计的科学实验程序，它是一个实验成功的关键。这一过程设计实验者要严格遵循科学性原则、对照原则，等量原则、单一变量原则等，要注意实验各步之间的关联性、延续性，安排好最佳程序。以下几个关键环节尤为重要。

合理设置对照。探究因果关系的实验通常都需要设置对照，以平衡控制和抵消无关变量的影响。实验研究的问题不同，方法各异，采用何种对照形式当然也不一样。一般来说：单组实验设置自身（前后）对照；等组及轮组实验设置相互对照和空白对照，有时还需要设置条件对照。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观察初始状态，然后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，这就是单组实验自身（前后）对照；“探究玉米幼苗的最适生长素浓度范围”实验，按照不同的生长素梯度浓度设置多组实验，这就是等组实验相互对照，而其中的浓度为零的那一组又可看作空白对照，常说的“对照组”指的就是“空白对照”；在艾弗里探究“转化因子”的实验中，他除了分别对S型肺炎双球菌的各种成分进行独立转化实验外，还增加了一组“DNA＋DNA酶”的实验，这就是条件对照，“DNA酶”就是人为附加的“条件”，目的是增强实验结果的可信度和说服力。

单一变量操作。这是针对实验自变量在实验过程中的一种操作要求。探究性实验强调“因果关系”在实验过程中的单线运作，即“一因一果”，否则，难以达到探究实验的最终目的。例如：在“探究温度对酶活性的影响”的实验中，温度变化即为实验自变量被作用于实验组，此时其他变量（如PH值的变化）则不可以再被同时作用于该实验组。但是，有时我们为了达到“节约实验”的目的，会同时去探究“温度和PH值”对酶活性的影响，这样该实验就有了“温度”和“PH值”两个实验自变量，此时在实验操作中我们就得强调：须设置“温度相同适宜且，而PH值不同的”实验对照说明“PH值”的影响，再设置“PH值相同适宜，而温度不同的”实验对照说明“温度”的影响；而当一个实验必须得同时研究两个或以上实验变量（如“探究生长激素和甲状腺激素对幼小动物生长发育的影响”）时，我们更应如此。由此可见，“单一变量”不能完全视为一个实验只允许研究一个“实验变量”或者一个实验组只允许施加一个“实验变量”的意思，遵循“单一变量对照”设计才是实现控制“单一变量”操作的核心。

力求做到等量。实验中除要做到对实验变量进行“单一变量”操作外，其它变量（无关变量）须力求做到“等量原则”，这主要包括四个方面：生物材料要相同，即所用生物材料的数量、质量、长度、体积、来源和生理状况等方面要尽量相同；实验器具要相同，即试管、烧杯、水槽、广口瓶等器具的大小、型号、洁净度等相同；实验试剂要相同，即试剂的成分、浓度、体积要相同；处理方法和实验环境条件要相同，如处理程度、时间、温度、光照等控制都要保持一致。“等量原则”主要是实现对“无关变量”干扰的抵消控制。

实验顺序妥当。当实验的基本思路确立后，紧接着就要安排好具体操作细节的次序。根据选定的实验方法，分析找准实验每一环节之间的逻辑关联和连续性，制定实验的最佳程序，使实验操作细节的设计合理、规范、切实可行，确保实验操作过程中的实验变量作用恰当，将直接关乎实验的准确性，甚至成败。例如在探究温度对酶活性的影响的实验中，我们就尤其要注意实验的步骤，决不能在各组底物溶液没有预置到设定温度之前就将酶加入其中。

2.4 预期实验结果和结论表述的规范化

实验结果是指实验过程中所观察到的各种现象和收集到的数据，即反应变量；由反应变量和实验变量的果与因的存在关系来作出科学合理的判断，从而得出的理论概括或一般规律，这就是实验结论。由于实验方案只是实验前设计思路的具体描述，实验未做，所以实验结果和结论只有预测和预期。与验证性实验不同，探究性实验的预期实验结果和结论往往不只一个，通常要求设计者根据实验目的和原理将可能出现的现象都预测出来。例如在探究种子萌发是否与光有关的实验中（甲组为对照组，乙组为实验组），预期实验结果和结论就应表述为三种可能：①甲组萌发、乙组不萌发 （或甲组发芽率高于乙组），则光抑制该植物种子的萌发；②甲组萌发、乙组也萌发（或两组发芽率差异不显著），则该植物种子的萌发不受光的影响；③甲组不萌发、乙组萌发（或乙组发芽高于甲组），则光是该植物种子萌发的必要条件之一。当然，如果实验设计中设计者已作出假设，则预期实验结果和结论常表述为“……，假设成立；否则假设不成立。”即可。

3 注意语言组织等描述的规范化

实验设计实为实验预案，也是实验实施的蓝本，其中语言的组织和表述必须条理清晰、准确、简明。

3.1 条理清晰

主要注意以下两个方面：其一，凡实验中涉及到两组或两组以上，应注意实验组别的编号；如所用器材需用1、2、3……或A、B、C……或甲、乙、丙……等加以编号便于区分。其二，应注意分步描述实验步骤。如第一步、第二步……或1、……等。

3.2 准确简明

要注意从以下三个方面做到规范：其一，对在量上难以准确描述的，应尽可能用“定性”的语言表达；如“一段时间、适宜温度、适量、一定量、相同型号、生长状况相同的、大小数量相同、置于相同且适宜条件下”等。其二，多用专业术语，避免表达累赘和语义模糊；如“盖玻片不说成玻璃薄片、振荡不说成晃动、离心不说成快速旋转”等。其三，语言表述简洁，但要避免词不达意；如“不变色不说成无色或没有颜色变化或无现象”，再如“在甲试管中加入A物质，乙试管中加入B物质。”可表述为“在甲乙两支试管中分别加入A、B物质”，如果写成“分别在甲、乙两试管中加入A、B物质”就变成了“在甲试管中加入A、B物质，乙试管中也加入A、B物质。”的意思。