淺談實驗設計題的解題方法與策略

　　所謂實驗設計，就是要求學生分析實驗原理，選擇實驗器材，安排實驗步驟，設計實驗資料的處理方法及分析實驗現象。它包括設計實驗方案、設計實驗步驟、設計實驗改進方法等。實驗設計，主要考查學生是否理解實驗原理，是否具有靈活運用實驗知識的能力，是否具有在不同情境下遷移知識的能力。

　　1　瞭解題目要求

　　解題先要認真審題，找到關鍵詞，才能明確題意並少走彎路。首先要明確這是探究性實驗還是驗證性實驗，其次要明確該實驗的實驗目的，即要探究或驗證的“生物事實”是什麼?或者是此“生物事實”的哪一方面?

　　2　分析實驗原理

　　明確實驗目的後，要分析該實驗依據的科學原理是什麼?涉及了生物學及一些相關學科的哪些方法和原理?實驗基本原理是設計性實驗的基礎，要研究實驗，只有明確實驗的原理，才能真正掌握實驗的關鍵、操作的要點，進而進行實驗的設計、改造和創新。實驗原理一方面可來源於題幹，另一方面也可來源於課本中的相關知識，即可通過解讀題幹或聯想課本相關知識來獲取實驗原理。如“探究酶活性與溫度的關係”實驗的實驗原理為：澱粉遇碘變藍，澱粉酶可催化澱粉水解為麥芽糖，麥芽糖遇碘不變藍。

　　3　明確實驗變數

　　變數是指實驗中由實驗者所操縱的因素或條件，據其在實驗中的作用，可分為實驗變數與反應變數、無關變數與額外變數兩類。

　　3.1　實驗變數與反應變數

　　實驗變數，也稱為自變數，指實驗中由實驗者所操縱的因素或條件。反應變數，也稱因變數，指實驗中由於實驗變數而引起的變化和結果。通常，實驗變數是原因，反應變數是結果，二者具有因果關係。實驗的目的在於獲得和解釋這種前因後果。例如，在“探究溫度對酶活性的實驗”中，所給定的低溫、適溫、高溫就是實驗變數，而由於低溫、適溫、高溫條件變化，唾液澱粉酶水解澱粉的反應結果也隨之變化，這就是反應變數，該實驗即在於獲得和解釋溫度變化***實驗變數***與酶的活性***反應變數***的因果關係。

　　3.2　無關變數與額外變數

　　無關變數，也稱控制變數，指實驗中除實驗變數以外的影響實驗結果的因素或條件。額外變數，也稱干擾變數，指實驗中由於無關變數而引起的變化和結果。顯然，額外變數會對反應變數有干擾作用。例如，上述實驗中實驗變數***低溫、適溫、高溫***以外，試管的潔淨程度、唾液的新鮮程度、可溶性澱粉的純度、試劑溶液的劑量、實驗操作程度、溫度處理的時間長短等等，都屬於無關變數，要求對低溫、適溫、高溫三組實驗是等同、均衡、穩定的。如果無關變數中的任何一個或幾個因素或條件，對三個實驗組的給定不等同，不均衡，不穩定，則會在實驗結果中產生額外變數，出現干擾，造成誤差。實驗的關鍵之一在於控制無關變數，或減少額外變數，以減少誤差。

　　4　分析實驗材料用具，明確實驗條件

　　4.1　生物實驗題中已提供實驗材料和用具

　　根據實驗所提出的問題和要求，認真分析題中所提供的器材在實驗中有什麼作用?應該怎麼用?在該實驗中是否必須用到?都應作好充分的考慮。

　　通常題中給出的實驗材料和試劑一般應充分利用，另外除非題目允許，否則自己不能隨意增加試劑和材料。如果題中明確地說明了從題中所提供的器材中選取所需的進行實驗，就要準確地判斷和選取實驗所需的用具和材料，防止少用或多用。其實這也相當於隱含條件，只要你分析判斷準確，在實驗設計時就不會有所遺漏。

　　4.2　自行確定實驗材料和用具

　　這類題型看似靈活，實則更能把握。實驗器材使用要科學、恰當，並且效果要好，這就需要根據實驗步驟與要求等，聯絡相關的生物學原理，遷移運用教材相關實驗中的實驗用具，選擇好器材才能準確地設計好實驗。

　　5　設計實驗步驟

　　瞭解生物實驗的一般步驟，是快速作答的捷徑。儘管不同的生物實驗，根據其實驗內容和實驗程序可分為簡繁不一的若干步驟，但大多數常規實驗可按照下列步驟進行設計：

　　第一步：實驗分組

　　也稱為實驗組裝，即選取題幹提供的實驗材料用具，對實驗物件進行平均分組***分為實驗組與對照組***並編號，注意相應的無關變數***如實驗物件的大小或體重、個體數量、長勢或健康狀況等***要保持一致。一般可採用以下表述形式：選擇長勢相同、大小相似的同種植物隨機等量***平均***分組，分別編號為甲、乙、丙;或選擇年齡、體重***性別***、健康狀況相同的某種動物隨機等量***平均***分組，分別編號為1、2、3。

　　第二步：設定對照

　　對實驗組與對照組進行不同處理，即實驗條件***實驗變數***要不同。要注意儘量實驗能體現“單一變數”的詞語，如我們常在實驗過程中強調“選取生長狀況相同的幼苗”、“數量大小相同的種子”、“置於相同並適宜條件下培養”、“加入等量的清水”等均是為了控制無關變數對實驗結果的干擾。

　　第三步：相同處理

　　將實驗組與對照組置於相同的適宜環境條件下處理一段時間，即讓無關變數保持一致，以免產生額外變數。這一步也可分散穿插在其他各個步驟中。

　　第四步：觀察記錄

　　觀察描述實驗現象與結果，或收集記錄實驗資料。因變數可能有多種具體的指標，因此觀察和記錄因變數時應選擇其中合適的一種，要求能較好反映與實驗變數之間的關係，並易於觀察和測定。常用的關鍵詞有“……一段時間後***或定時***觀察***或測定***……，做好記錄***並計算出平均值”等。

　　這是實驗步驟的一般設計模式，由於實驗設計是一種開放性試題，可能存在多種實驗步驟和方法，這要看題目的具體要求而定，如有的實驗中第一步和第二步可進行調換，也有的實驗中沒有第一步中的相關處理，分組與編號也與第二步合併在一起。無論如何，實驗設計時一定要遵循實驗設計的基本原則，最好要分析每一個環節之間的關聯性，或幾個相關實驗的延續性，安排實驗的最佳程式，防止實驗步驟不嚴密、不科學。

　　6　預測實驗結果與結論

　　實驗結果是由實驗變數而引起的變化，實驗結論是根據實驗結果作出的一種推論。根據實驗原理及記錄下來的實驗現象與資料，進行分析整理，預測實驗結果與結論。科學的結果與結論和實驗現象之間要符合科學邏輯，符合生物學原理。預測實驗結果與結論又可分為兩種情況來分析：

　　一是探究性實驗。探究性實驗是指在假設的指引下，獲取支援假說或推翻假說的資訊的一類實驗。這類實驗的實驗前並不知道實驗結果，實驗過程在於努力探索實驗結論，重在實驗過程的探究，實驗目的在於培養實驗人員的獨立探索、觀察能力和科學思維方法，提高科學素養，因而探究性實驗的實驗結果與結論是未知的，實驗前需對實驗結果進行預測，並分析出現該結果的原因，預測實驗結果不唯一，大多有三種可能：變數促進結果，變數抑制結果，變數與結果無關。預期實驗結果時的表述方式為“若……***注：接預期的實驗現象***，則說明……***注：接預期的實驗結論***”。

　　二是驗證性實驗。驗證性實驗是在一個設計完整的實驗框架下來驗證、檢測實驗結果能否達到實驗原理所描述的結論的一類實驗。這類實驗的實驗前已經知道了實驗結果，實驗過程在於努力獲取預期的實驗結論，重在實驗結果的獲得，實驗目的在於使實驗人員能瞭解該實驗的操作方法、步驟，以達到熟悉生物所固有的實驗現象特徵。因而驗證性實驗的實驗結果是唯一的，即實驗原理所描述的結果，預期實驗結果時的表述方式為“A組……***注：接實驗現象***”、“B組***注：接實驗現象***”。

　　7　注意事項

　　進行實驗設計過程中應注意實驗選材的合理性，如：所選材料應有利於實驗現象的觀察：如可溶性還原糖的鑑定中應選擇“白色或近白色”的材料;所選材料應容易獲得，儘可能選擇無明顯季節性、地域性的材料;所選材料應價格便宜。注意操作細節的合理性，如溶液或培養基滅菌後是否要冷卻後使用?酶促反應的試管如何加熱?是直接加熱，還是水浴加溫?用酒精溶解葉中葉綠素時，酒精直接或隔水加熱?不同的情況下要合理地選用不同的水，如清水、池水、涼開水、蒸餾水、生理鹽水。實驗中若要使用有毒物質，應怎麼使用?使甲狀腺激素、胰島素、生長激素進入動物體內的方法應如何操作?是飼餵，還是注射?同時還要注意操作順序的合理性和實驗方案的可操作性等。這些在實驗設計前都應充分地考慮，才能準確、完整地設計好實驗。

　　以上只是解答一般綜合實驗設計題的思考方法。在解題過程中，應根據題目的具體要求，做出最合理的答案。