实验设计的原则

山西省实验中学教学过程设计

1、实验设计的原则

（1）对照性原则：

只有比较才能看出差异，只有通过对照才能验证我们的推论，因此，在实验设计中，一般都要设置对照组。

设置对照的目的通常有两种情况：

一种是为了说明问题，验证推论；

另一种是为了消除或减少实验误差。通过干预或控制研究对象以消除或减少实验误差，鉴别实验中的处理因素与非处理因素的差异。

设置对照组有3种方法：

① 空白对照：即不给对照组做任何处理，或虽给对照组施以部分实验因素，但不是所研究的

实验处理因素；如要验证甲状腺激素的作用，则对照组动物不做任何处理，让其自然生长，而对照组饲喂甲状腺激素制剂或甲状腺抑制剂，以观察甲状腺激素的作用；

② 自身对照：指实验组和对照组都在同一实验对象上进行。如观察植物细胞的质壁分离和复

原实验中，对照组即正常的洋葱表皮细胞和实验组即质壁分离和复原的细胞是同一组细胞，是典型的自身对照实验。

③ 相互对照：不单独设置对照组，而是几个实验相互为对照。如“比较过氧化氢酶和Fe3+催

化效率”实验中，分别用过氧化氢酶和Fe3+去催化过氧化氢分解，进行相互对照，以得出酶的高效性结论等。

通常采用空白对照的原则：即不给对照组以任何处理因素。但是要注意，不给对照组以任何处理因素是相对实验组而言的，实际上对对照组也要做一定的处理，只是不加实验组的处理因素而已。如探索光对种子萌发的影响中，实验组不给光照，对照组给予光照，其他的如空气、水分、温度都要适宜且相同。

（2）随机性原则：

实验设计中的随机性原则是指被研究的样本是从总体中任意抽取的。这样做是由于：①可以消除或减少系统误差，使显著性测验有意义；②平衡各种条件，避免实验结果中的偏差。

（3）平行重复原则：

平行重复原则，即控制某种因素的变化幅度，在同样条件下重复实验，观察其对实验结果影响的程度。任何实验都必须能够重复，这是具有科学性的标志。如果重复实验结果不一样，则不能得出结论，只能是偶然的结果。

（4）单因子变量原则：

单因子变量原则上指实验组和对照组的处理只能有一项条件不同，其他条件都应相同。即控制其他因素不变，只改变其中某一变量，观察其对实验结果的影响。除了整个实验过程中欲处理的实验因素外，其他实验条件要求做到前后一致。

例如：在验证酶是催化剂的实验中，A试管加入淀粉酶，在对照试管（B试管）中应加入等量的清水；观察温度对酶的影响时，各组其他条件一样，只有温度不同。观察pH对酶的影响时，各试管只能是pH不同，其他如温度、酶、反应物的量等必须相同。

（5）平衡和消除额外变量原则：

例如：BTB溶液在中性条件下呈绿色，酸性条件下呈黄色，碱性条件下呈蓝色。现有水草、试管、绿色BTB溶液、黑纸等实验材料和用具，试设计实验证明光合作用需要光。

（6）科学性原则：

例如：以CO2为指标，设计并测定植物呼吸速率的实验

①为什么要遮光？消除绿色植物光合作用吸收CO2对实验的干扰。

②Ca（OH）2溶液的应用：前者是检验空气中CO2是否完全被NaOH吸收；后者是检验植物是否进行了呼吸作用，并可对生成物作干燥处理后进行定量分析。

（7）可行性原则：

设计步骤简单方便，材料易获取，条件易控制，又能说明问题。例如：验证酶专一性的实验中，用唾液淀粉酶（或商店售的淀粉酶），而不用胰淀粉酶或肠淀粉酶（不易获得）

（8）要注意实验材料的理化特性：

实验材料选择不当，将直接干扰实验结果。例如：探索“温度对酶活性影响”的实验，可选用淀粉做实验材料，因高温和低温对淀粉这种实验材料影响较小，而对唾液淀粉酶的影响较大，所以该实验可验证温度对酶活性的影响。如果该为H2O2做实验材料，则温度对其分解影响很大，温度变化既可直接干扰实验结果，也可通过酶影响实验结果。

（9）实验设计应注意严整性：

设计对照实验要便于实验前后对比或组间对比，得出明确可信的结论。

例如：在“验证钙离子在血液凝固中的作用”的实验中，需作两次对照才能得出确切结论：第一次：现象：A不凝固，B凝固

原因：A中草酸钙溶液能与血液中的Ca2+发生反应，形成草酸钙沉淀，起抗凝作用。

初步结论：A管血液不凝固是由于血液中缺Ca2+

第二次：在A、B两试管中加等量的CaCl2溶液

现象：A凝固，B凝固

原因：加入了Ca2+

确切结论：血液凝固必须有Ca2+参加。

2、实验设计的基本方法

（1）了解题目要求：看清题意是要求设计实验方案、步骤还是分析实验结果。

（2）明确实验目的原理：明确实验到底要解决什么问题，要用到生物学上什么原理。

（3）确定实验思路：就是根据原理对实验做出假设，并对可能产生的现象做出预测，并充分利用实验材料设计实验思路。

（4）设计实验步骤：根据上述实验目的、原理和思路，设计出合理的实验装置和实验步骤。要思考题目中所给出的实验材料和试剂分别起什么作用？怎样运用？并且还要注意以下两点：一是题目中给出的实验试剂和材料一般应充分利用；二是除非题目条件允许，否则不能自己随意增加实验试剂和材料。

（5）记录实验现象和数据：在实验中，将观察到的现象如实、准确地记录下来。除了用文字进行记录外，还可以用数据或符号进行记录。

（6）分析得出结论：根据实验观察的现象和记录的数据，通过分析、计算、图表、推理等处理，归纳出一般概括性判断，并用文字、图表、绘图等方法作一个简明的总结。

3.变量的有关术语：

实验变量（也叫自变量）、反应变量（也叫因变量）、无关变量（也叫控制变量）、额外变量（也叫干扰变量），合计八个术语，很混乱，不易区分，难于理顺它们的关系，难于记忆。现在内容分开整理如下：

（1）实验自变量要控制，单因子变量要遵循，反应因变量是结果，实验目的求因证果，复杂的关系要简单，实验的结果要准确。

说明：前两句话说明的实验变量（也叫自变量）和反应变量（也叫因变量）的关系，是实验设计中的一对主要变量。后两句话讲的是意义，即根据单因子变量原则，控制好实验变量，出现实验对照，将复杂的实验简单化，得到准确的实验结果——反应变量出现。

（2）无关控制变量要平衡，额外干扰变量要消除，不然干扰反应因变量，实验误差尽量要消除，实验结果尽量要精确。

说明：前两句话说明无关变量（也叫控制变量）和额外变量（也叫干扰变量）的关系，是实验设计中的一对重要变量。后两句话讲的是意义，即为了不干扰反应变量，不干扰实验结果的准确性，就要消除实验误差，那就要求平衡无关变量（也叫控制变量），就可以消除额外变量（也叫干扰变量）。