控制变量法在生物实验设计中的应用，本文主要内容关键词为：变量论文,生物论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
近几年的生物学高考中突出了对实验能力的考查，尤其是对设计、分析和评价实验方案能力的考查已成为命题趋势。设计实验的能力要求高、难度大、开放性强，学生往往感到比较困难。在复习中，如何在学生已初步掌握实验设计一般过程的基础上，进一步有效地提高学生的实验设计能力呢？下面就此问题做初步探讨。
学生在设计实验方案的过程中必须具备与完成实验目的有关的生物学概念、原理等事实性知识，进行合理推理的逻辑规则以及控制变量和捕获结果以达到实验目标的策略。其中能根据实验目的熟练、准确地提取认知结构中生物学事实性知识是基础，而正确地运用推理规则和策略达到实验目的则起着决定性的作用。其中与实验设计有关的原则和策略则隐含在教材中，成为学生认识结构中的盲点，因此在进行实验设计专题复习时，应该充分挖掘和整理教材中隐性的方法性知识，提高实验设计的能力。
一、构建控制变量法模型，提高思维的深刻性
在设计实验方案的过程中，方法和策略的功能在于减少尝试与错误的任意性，缩短解决问题所需的时间，提高准确率。在复习中，通过指导学生分析教材中的实验方案，如“探索影响酶活性的条件”“甲状腺激素饲喂蝌蚪实验”等，使学生熟悉生物实验设计的一般过程和应遵循的基本原则，在这些基础上，共同构建用于实验设计的方法模型——控制变量法（图1），使学生平时积累的经验型的“隐性知识”变成迁移性很强的“显性知识”，为学生进行实验设计提供方法和策略指导，提高思维的深刻性、严密性和逻辑性。
图1 控制变量法示意图
1.控制变量法
生物的生命活动往往是错综复杂的，影响某一个生命活动的产生和变化的因素也很多。为了弄清变化的原因和规律，当研究多个因素之间的关系时，往往先控制住其他几个因素不变，集中研究其中一个因素变化所产生的影响，这种方法叫控制变量法。这是一种研究问题的常用的科学实验方法。
2.明确实验变量、反应变量和无关变量
实验变量是指根据实验目的，所确定的实验中要研究的某一因素或这一因素的某一方面的条件。反应变量是指由于对实验对象施加了实验变量后所引起的变化，因此实验变量和反应变量之间存在因果关系。无关变量则是指除实验变量外也会作用于实验对象，并且可能影响实验结果的变量，只是这些变量不是本实验所要研究的。如在“温度对酶催化作用的影响”的实验中，实验变量是溶液的温度，反应变量是酶催化作用的强弱，除温度外的其他因素则都属于无关变量。
3.控制变量
在生物实验设计中，对变量控制、观察和测量主要包括以下三方面。
(1)正确操纵实验变量
在生物实验中一般通过对实验对象施加实验变量来观察或测量反应变量的变化，其主要目的是设法对实验对象施加特定的“干扰”，引起实验对象的变化，从而使实验对象在被干扰状态中反映出某些特征，表现出某种现象和属性。因此对实验变量的成功操纵是实验设计的核心。一般有以下两种方法：一是，如果该实验变量在正常情况下客观存在，则可以设法去除这个因素或改变它的值。如在验证镁元素是植物生长发育的必需矿质元素实验中，相对于满足植物正常生长的完全培养液，配制缺镁的完全培养液进行“干扰”。而在“温度对酶催化作用的影响”实验中，60℃是淀粉酶的适宜温度，通过改变温度值，把淀粉酶置于0℃和100℃环境中，可对其施加“干扰”。二是，如果该实验变量在正常情况下不存在，则可以额外施加这个变量。如在“甲状腺激素饲喂蝌蚪实验”中，蝌蚪的正常生活环境中没有甲状腺激素，通过饲喂甲状腺激素对蝌蚪生长发育进行“干扰”。
(2)严格控制无关变量
在任何一个实验中，无关变量总是大量存在的，而且类型繁多。只有严格地控制无关变量，消除了无关变量的影响，才能真正确定实验变量与反应变量之间的因果关系，体现生物实验设计的科学性原则、单一变量原则。因此，控制无关变量是实验设计中的精髓。常用的控制无关变量的方法主要有以下三个方面。
平衡法：设置对照组，使无关变量对实验组和对照组的影响保持相同，从而使实验结果在相同的条件下显示出来，体现对照原则和等量原则，增强实验结果的严谨性和说服力。多数无关变量可通过设置对照得到控制，常见的对照组设置类型如表1所示：
表1 常见的对照组设置类型
在以上四种对照类型中，空白对照是最常用的。值得一提的是“空白”绝不是什么影响因素都不能给予，而是不给予针对实验组所要研究的因素，以突出或纯化所要研究的因素。例如，在以小白鼠为实验对象进行抗癌药物筛选的实验中，在保持其他条件相同的情况下，结果给予实验组的小白鼠是溶解在生理盐水中的抗癌药物，对照组就应给予等量的生理盐水（安慰剂）作为空白对照，如果给予实验组的小白鼠是溶解在棉子油中的抗癌药物，对照组则必须给予等量的棉子油。
消除法：排除或隔离无关变量的影响。如在杂交实验中，去雄和在人工授粉前后都应给雌花套上纸袋以隔离其他花粉对实验结果的影响；在微生物实验中，灭菌和在无菌环境中操作，可以排除杂菌污染对实验结果的影响；在许多实验中都应设法提供适宜条件，以排除不利环境条件对实验结果的影响。
恒定法：在整个实验期间，尽量使其他所有的实验条件、实验处理、实验对象等保持不变。如在“甲状腺激素饲喂蝌蚪实验”中要排除因实验对象个体差异带来的影响，在选择实验材料时应选择同种、同时孵化、生长状况一致的蝌蚪，并要随机分组；在“温度对酶活性的影响”实验中，淀粉溶液和酶溶液在混合前要分别在设定的温度中保温5min再混合，以消除温度波动对实验结果的影响。
(3)科学观察反应变量
实验现象是否明显，实验数据是否准确，实验结果是否合理，主要取决于根据反应变量所确定的观察或测量指标是否合理，同时还与捕获实验结果的实验技能密切相关。在高中生物中常用的观察和测量指标有颜色、温度、pH、气体体积的变化、形态结构和生理状况变化、反应所需的时间、菌落特征等。同时还要掌握观察和测量这些指标常用的实验方法和技能。
二、建立实验设计流程，提高思维的流畅性
在应用控制变量法时，结合科学探究的一般过程，建立设计实验方案的思维流程（图2），有助于提高思维的有序性和流畅性。
图2 设计实验方案的思维流程示意图
三、强化变式训练，提高思维的灵活性
适量地选取新情境下的典型习题进行针对性训练，可以培养学生思维的灵活性、系统性及提高他们在不同问题情境中的迁移能力。
［例］ 探究酸碱度对酵母菌酒精发酵酶促反应速度的影响。实验用具：烧杯、注射器5支、凡士林、干酵母粉、葡萄糖、配制好pH值分别为4、5、6、7、8的缓冲液，请根据步骤①完成其余的实验步骤。①用开水配制10%葡萄糖溶液100mL，冷却到室温（26℃）后加入4g干酵母粉
……
分析：这道题重在考查学生是否掌握了生物学实验设计的一般方法。
(1)明确实验目的：从题干提供的信息中明确实验目的，即“探究酸碱度对酵母菌酒精发酵酶促反应速度的影响。”
(2)分析实验原理：根据实验目的准确地提取认知结构中有关的实验原理，主要是酶活性的强弱受到溶液酸碱度的影响，酵母菌酒精发酵原理是酶催化下的葡萄糖无氧分解产生酒精和
并释放出能量的过程。
(3)确定实验变量、无关变量和反应变量，并给出控制和检测的方法。从实验目的可知实验变量是溶液的酸碱度，操纵的方法是改变溶液的酸碱度。从实验原理分析：改变溶液的酸碱度后，影响了酵母菌酒精发酵（
能量）酶促反应速度，根据反应式可以检测的反应变量有葡萄糖的减少量、酒精的积累量、气体的生成量和释放的热量（温度），从提供的实验用具分析，不具备检测葡萄糖的减少量和酒精的积累量，也无法测量能量的变化来反映酶促反应的速度，只能利用针筒上刻度和针筒推柄的变化，测量经过相同时间后各针筒内气体的体积变化。最后需要控制无关变量，应用平衡法，设置相互对照，通过几个实验组相互比较，在相同的条件下探究酸碱度对酵母菌酒精发酵酶促反应速度的影响，同时应用恒定法和消除法，使反应过程中温度等无关变量保持恒定且适宜，以消除它们对实验的影响。明确了这些变量的控制和检测方法，相关的实验步骤也就不难确定了。
参考答案：
②取五支注射器分别标号为A、B、C、D、E；
③分别抽取2mL含酵母的蔗糖液；
④用A、B、C、D、E注射器等量抽取对应的pH值为4、5、6、7、8的缓冲液，挤出空气，调整到液体体积相同，并用凡士林涂抹在针头以及有关地方，并记录初始数据；
⑤过一段时间后，测量针筒推柄的位置，并记录，比较在相同时间内，各组产生的气体的多少。
目前以实验方案为问题情境的题型主要有设计实验方案和分析、评价实验方案，这两种题型其实是从不同侧面考查实验设计能力，控制变量法在这两方面都能得到很好的应用。