等量原则在实验设计中的应用范文

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实验设计经常出现在生物教材和习题中，也是高考所亲睐的题型。因为这类试题不但能考查学生在实验方面的基础知识，而且能考查其动手能力、分析问题和解决问题的能力以及创新能力，这也恰恰是新课标所要求的。在生物实验教学中，目前存在的问题主要有：一是对教材中属于实验设计方面的内容没有真正尝试着去设计；二是没有掌握实验设计的一般方法；三是缺乏动手实验。笔者下面仅从实验设计应遵循的单一变量原则和等量原则两个方面来总结该类问题的一般规律。

一、单一变量原则和等量原则的主要内容

1.单一变量原则。实验中可以发生变化的因素称为变量，通常分为自变量与因变量。自变量是指由人为改变的因素或条件，因此也称为实验变量；随着自变量的变化而引发的变化或结果叫因变量，因此因变量也叫反应变量。实验设计的目的就在于证明和解释这种因果关系。实验中除了自变量以外，可能还会存在一些可变因素，从而对实验结果造成影响，这些变量称为无关变量。在设计实验时应该让实验组和对照组只能有一个变量，只有这样，当实验组和对照组出现不同现象或结果时，我们才能确定造成这种不同的原因是这一变量引起的，从而证明所要探究的实验因素的作用。

2.等量原则。等量原则与单一变量原则相比较，只不过是强调的侧面不同，二者的实质是统一的。前者强调的是自变量的单一性，而后者强调的是除了自变量之外的无关变量必须严格控制相同。在控制无关变量时不但要等量，而且要在适宜条件下，只有如此才能排除其他因素对实验结果的干扰，并得出正确的结论。该原则在叙述上经常体现在以下方面。（1）各分组中所用植物的种类、长势和数量等相同；所选动物的性别、大小、生理状况等一致。（2）各分组中所加入的试剂的成分、体积、浓度等相同。（3）各分组实验控制在适宜且相同的温度、光照、水分等条件下。（4）在相同时间内观察实验现象。

二、课文中渗透的实验设计

在高中生物教材中随处可见实验设计的内容，且充分体现了实验设计的单一变量原则和等量原则。例如，证明某一种无机盐是植物生长发育所必需的；研究细胞核是否为活细胞所必需；恩格尔曼的实验；促胰液素的发现；生长素发现过程中的实验。在学习这些内容时应该有意识地引导学生分析其中的变量，也可以尝试不同的设计思路。

三、学生实验中的实验设计

高中生物必修课本中的学生实验有20多个，可将这些实验分为：观察验证类、探究类、调查类和模拟制作类。在以上实验尤其是探究实验的教学中有意识地强调以上原则，可以帮助学生明晰实验目的，提高分析问题和解释现象的能力。现将一些实验的各种变量归纳如下。

1.比较过氧化氢在不同条件下的分解。其中自变量是催化剂种类，因变量是过氧化氢分解速率，无关变量是底物的量、反应时间等。

2.影响酶活性的条件。其中自变量是温度（或pH），因变量是淀粉与碘呈蓝色的深浅，无关变量是底物的量、pH（或温度）、反应时间等。

3.探究酵母菌细胞呼吸的方式。其中自变量是氧气的有无，因变量是二氧化碳、酒精的产生，无关变量是空气中原有的二氧化碳等。

4.环境因素（如光照强度）对光合作用的影响。其中自变量是光照强度，因变量是叶圆片浮起的数量，无关变量是温度、二氧化碳浓度等。

5.生物体维持pH稳定的机制。其中自变量是实验材料的不同，因变量是pH的变化，无关变量是加入酸或碱的量等。

6.探究生长素类似物促进插条生根的最适浓度。其中自变量是类似物的浓度，因变量是生根的快慢、数量，无关变量是插条种类、数量、温度、时间、光照等。

7.探究不同时间土壤中小动物类群丰富度。其中自变量是白天与晚上，因变量是小动物种类和数量，无关变量是土壤等。

8.探究土壤微生物能分解落叶。其中自变量是土壤是否进行灭菌处理，因变量是落叶腐烂程度，无关变量是温度、含水量等。另外，在模拟探究细胞大小与物质运输的关系、探究培养液中酵母菌种群数量的动态变化、探究水族箱中的群落演替实验中，我们也可以试着找出其中的各种变量。

四、生物实验设计习题举例

案例：下面是某小组学生为证明某种细菌对植物遗体的分解作用提出的3种实验方案。他们将同一种树的落叶均分成甲、乙两组。在实验过程中不断地滴加蒸馏水，使树叶保持潮湿。方案1：将甲组放在无菌条件下，乙组放在自然条件下（暴露在空气中），观察记录落叶的变化。方案2：将甲组灭菌后放在无菌条件下，乙组放在自然条件下（暴露在空气中），观察记录落叶的变化。方案3：将甲、乙两组均灭菌后，甲组置于无菌条件下，乙组放在自然条件下（暴露在空气中），观察记录落叶的变化。该实验的目的是证明某种细菌对植物体的分解作用。该实验的自变量是有无某种细菌，因变量是落叶的分解程度。题目中已经明确所用材料是同一种树的落叶均分成甲、乙两组，并且使树叶保持潮湿。其原因就是除了有无细菌的条件不同外，其他条件应完全相同，但仅做到这一点还不够。我们再来分析3种方案。方案1：甲、乙两组均未进行灭菌处理，甲组虽然放在无菌条件下，但因为在此之前可能就携带有微生物，所以落叶也会被分解而失去对照作用。在自然条件下，空气中含有多种微生物，这时我们就无法确定乙组落叶分解只是由该细菌引起的。方案2：在自然条件下，空气中不仅含有细菌，且含有分解落叶的其他微生物，因此也不能说乙组落叶分解就是由该细菌引起的。方案3：同样在自然条件下会有其他微生物的干扰，不能达到实验目的。正确的方案应该是：将甲、乙两组叶片均先进行灭菌处理，甲组放在无菌条件下，乙组接种该细菌后放在无菌条件下，其他条件相同，观察记录落叶的变化。

在实验设计中，通过单一变量原则、等量原则的确立，实验中复杂的问题就能简单化、明晰化，从而使结果更准确。因此，在平时实验教学中，教师要不断提高设计实验的能力，一方面要亲自动手做有关实验，培养动手能力；另一方面要掌握实验设计的基本方法和规律，以此提高分析问题和解决问题的能力。同时，可以尝试不同的实验设计，培养学生的科学态度和创新精神，提高学生的生物科学素养。

作者：李兴义 温育栋 单位：河北衡水中学 河北省张家口市教育技术装备管理站