影响生物实验设计严密性的原因及方法改进，本文主要内容关键词为：严密性论文,原因论文,生物论文,方法论文，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。
一、实验结果检测的方法不当，导致实验设计不严密
猪笼草是一种食虫植物，为了验证猪笼草分泌液中有蛋白酶，某学生设计了一个实验，如图1所示。在35℃水浴中保温一段时间后，甲乙试管中加入适量的双缩脲试剂。观察实验结果。若甲乙两支试管都变紫色，说明猪笼草分泌液中没有蛋白酶；若甲试管不变紫色，乙试管变紫色，说明猪笼草分泌液中有蛋白酶。
实验设计似乎没有问题，但仔细考虑一下就会发现，若甲试管中的分泌液中有蛋白酶，则将甲试管中的蛋白质分解掉后，虽然没有蛋白质了，但分泌液中的蛋白酶依然在，它也是蛋白质，量虽然很少，可能也不会引起颜色反应，但甲试管毕竟存在蛋白质。因此该实验的设计并不是很严谨。
改进后的实验如图2。
改进后的实验不再用双缩脲试剂来检验丙丁两试管中有无蛋白质，而是通过观察蛋白块是否消失来判断分泌液中有没有蛋白酶。蛋白块消失的说明分泌液中有消化酶，蛋白块不消失的说明分泌液中没有消化酶，从而避免了前面所提的不严谨之处。
二、实验材料选择不当，导致实验设计不严密
探究温度对酶活性的影响时，我们一般选择淀粉溶液和淀粉酶作实验材料，而不采用过氧化氢溶液和过氧化氢酶。因为在一定范围内，随温度升高，过氧化氢酶活性增大，由过氧化氢酶催化的过氧化氢的分解速率会加快，但是，由于过氧化氢溶泼在没有酶催化的情况下也能自行分解，而且自行分解的速率也会随着环境温度的升高而升高，从而对实验结论产生影响。因此如果选择过氧化氢溶液和过氧化氢酶为实验材料来探究温度对酶活性的影响，则实验设计就会不够严密。
相反，在探究pH对酶活性的影响时，我们选择过氧化氢溶液和过氧化氢酶作实验材料，而不用淀粉和淀粉酶。因为在酸性溶液中淀粉会自行水解成麦芽糖、葡萄糖。当酸性较强时，也就是pH小时，酶应当失活，淀粉水解应当停止，但由于在酸性溶液中淀粉会自行分解，从而干扰实验结果。而过氧化氢溶液的自行分解则不受pH变化的影响。
三、无关变量的影响没有排除，导致实验设计不严密
图3装置常用来测定植物光合作用强度和呼吸作用强度。
某学生利用该装置设计实验测定植物的光合作用强度，具体方法步骤如下：
先用该装置测定植物的净光合作用强度：
1.在装置的D中都放入少量
溶液；
2.将装置放在适宜的光照强度和温度等条件的环境中，60分钟后记录装置红墨水滴移动的方向和刻度，并填入下表。
再用该装置测定植物的呼吸作用强度，方法步骤是：
1.在装置的D中放入少量的NaOH溶液；
2.将装置遮光处理，60分钟后分别记录装置红墨水滴移动的方向和刻度，并填入下表（见下页）。
上述实验看起来好像没有问题，其实是有问题的。实验测得的数值并没有经过校正，也就是没有排除无关变量的影响。在实验中，由于光照等因素的影响，可能会导致装置内的温度上升，使得其中气体体积膨胀，测得的数值有可能偏大而不准确。排除无关变量影响的方法是设计相应的对照实验，原来的实验装置为甲，再增加一个同样的装置乙，只是其中的植物改成死的植物。
改进实验的具体步骤如下：
先测定植物的净光合作用强度：
在甲、乙两装置的D中都放入等量溶液，装置乙作为对照；将甲、乙两装置放在适宜的光照强度和温度等条件相同的环境中；60分钟后分别记录甲、乙两装置红墨水滴移动的方向和刻度，并填入下表。
再测定植物的呼吸作用强度：在甲、乙两装置的D中都放入等量的NaOH溶液，装置乙作为对照；将甲、乙两装置遮光处理，放在温度等条件相同的环境中；60分钟后分别记录甲、乙两装置红墨水滴移动的方向和刻度，并填入下表。
乙装置的读数是对甲装置读数的修正，从而排除了光照、温度等无关变量的变化对实验结果的影响。
四、自变量的分析不够全面，导致实验设计不严密
在探究植物向光性过程中，达尔文曾经做过具有开创性又极其严谨的四个经典实验，如图5。
许多老师对达尔文的这组实验存在理解上的误区。
首先，许多师生误将这四个实验当成两组对照实验，即实验①和②为一组对照、③和④为一组对照。实验①②为对照是没有问题的，但③④就不是一组对照了。因为③④的处理不符合对照组的要求，③罩住尖端为实验组，它的对照组应该是不作任何处理；同理，④罩住尖端以下部位，它的对照组也应该是不作任何处理。所以③的对照组应当是不作任何处理的实验①，④的对照也应当是不作任何处理的实验①。达尔文做的四个实验实际上分为三组对照，分别为①②、①③、①④，而不是两组对照实验。
其次，许多老师认为实验④是多余的，没有必要做。他们认为①③对照已经可以得出“尖端是感光部位，尖端以下不是感光部位”的结论了。理由如下：③的尖端被罩住，不能接受光照，直立生长，可以得出一个结论：尖端是感光部位；还可以得出第二个结论：尖端以下部位不是感光部位。第一个结论是大家共识，没有疑义，但对于第二个结论，许多人可能没有注意到，被忽视了，我们可以用反证法来证明：如果尖端以下部位是感光部位，则实验③应当向光弯曲，实验结果③不弯曲，则证明尖端以下部位不是感光部位。而①④对照会得出什么结论呢？①④尖端都裸露，尖端以下部位一个被罩住一个裸露，两者都向光弯曲，说明尖端是感光部位。这与①③对照得出的第一个结论相同。
既然①④得出的结论用①③也能一样地得出，那么达尔文为何要做实验④呢？实验④真的多余吗？
其实不然。达尔文认为感光部位有四种可能性：
1.只有尖端是感光部位。罩住尖端，胚芽鞘直立生长，暴露尖端，胚芽鞘弯曲生长。
2.只有尖端以下部位是感光部位。罩住尖端以下部分，胚芽鞘直立生长，暴露尖端以下部分，胚芽鞘弯曲生长。
3.尖端和尖端以下部位都是感光部位。只罩住尖端，或只罩住尖端以下部分，胚芽鞘都弯曲生长，只有同时罩住尖端和尖端以下部分，胚芽鞘才能直立生长。
4.尖端和尖端以下部位共同组成感光部位。只罩住尖端，或只罩住尖端以下部分，胚芽鞘都直立生长，只有同时暴露尖端和尖端以下部分，胚芽鞘才能弯曲生长。
实验③只罩住尖端而直立不弯曲，说明“只有尖端以下部位是感光部位”和“尖端和尖端以下部位都是感光部位”是不可能的，但究竟是“只有尖端是感光部位”，还是“尖端和尖端以下部位共同组成感光部位”，还不能分辨清楚。增加实验④的目的：如果④直立生长，则肯定是“尖端和尖端以下部位共同组成感光部位”；如果④弯曲生长，则肯定是“只有尖端是感光部位”。实验④的结果是弯曲生长，从而最终确定并肯定“只有尖端是感光部位”。
从上面分析来看，如果没有实验④，我们只根据实验③就得出“只有尖端是感光部位”的结论是很草率的，不严谨的，因为还存在一种“尖端和尖端以下部位共同组成感光部位”的可能。出现这种不严密情况的原因是我们对自变量的分析不够完全，遗漏了“尖端和尖端以下部位共同组成感光部位”这一可能性。
五、实验操作步骤设计不严谨，导致实验设计不严密
某学生为了探究温度对酶活性的影响，设计的实验方法步骤如下：
1.取3支洁净的试管，编上号，并且分别注入2 mL质量分数为3%的可溶性淀粉液；
2.将3支试管分别放在60℃左右的热水、沸水、冰块中各维持5 min；
3.取出，分别滴入1 mL质量分数为2%的新鲜淀粉酶溶液，摇匀后，再在各自温度中维持5 min；
4.在3支试管中分别滴入1滴碘液，观察现象。
按照课本实验原理的推测，沸水和冰块中的试管应变蓝色，而60℃左右热水中的试管不变蓝色。
该实验设计似乎没有问题，许多教辅材料和习题集都是这样设计的，其实还是有问题的。根据实验设计的程序，步骤3是先将三支盛有可溶性淀粉液的试管处在60℃左右热水、沸水、冰块中，目的是使淀粉液达到实验所要求的不同温度条件，探索不同温度对淀粉酶活性的影响。但是，步骤3中滴入的是室温下的淀粉酶溶液，室温时淀粉酶溶液的温度一般维持在15℃～20℃左右，这样，当滴入淀粉酶溶液后，试管中的温度必然会发生改变：60℃和沸水中的温度会暂时下降，冰块中的温度会暂时上升！另外滴入的淀粉酶溶液量也比较多，与淀粉液溶液的体积比是1∶2，有的资料是1∶1，再加上酶具有高效性这一特点，所以在步骤3中，当分别滴入淀粉酶溶液后，因为试管中温度的瞬间改变，尤其是置于沸水和冰块中的试管内温度的改变，淀粉酶溶液可能很快就将淀粉液给分解了，即使摇匀后，再放入各自的温度中维持5分钟，那已经没有什么意义了，在第4步骤中，再各滴入1滴碘液后，3支试管有可能都不变蓝色。
改进后的实验设计如下：
1.取3支洁净的试管，编号，分别注入2 mL质量分数为3%的可溶性淀粉液；同时，再取3支洁净试管，编号，分别注入2 mL质量分数为2%的新鲜淀粉酶溶液。
2.将3支盛有淀粉液的试管分别放入60℃左右的热水、沸水、冰块中，同时，在三种温度中各放入一支盛有淀粉酶溶液的试管，维持各自的温度5 min。
3.将三种温度下的淀粉酶溶液分别倒入各自温度下的3支淀粉液试管中，摇匀后，维持各自的温度5 min。
4.在3支试管中各滴入1滴碘液，摇匀，观察其颜色变化。
改进后的实验步骤保证了酶与淀粉溶液一接触的瞬间就使反应处在所要求的温度条件下，从而自始至终将实验控制在所要求的条件下，如此实验才能严密。
严密性是实验设计的最基本要求，也是最重要的一项要求。缺乏严密性的实验是没有说服力的，得出的结论也是不能让人信服的。记得艾弗里在做肺炎球菌的转化实验时，他已将肺炎球菌的DNA提纯到了99.98%的纯度，只含有0.02%的杂质，但他的“肺炎球菌的转化因子是DNA”的结论，依然没有能说服那些挑刺的科学家。由此可以看出，实验的严密性、严谨性对于实验结论的正确性和科学性是多么重要。