等量原則在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用范文

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實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)經(jīng)常出現(xiàn)在生物教材和習(xí)題中，也是高考所親睞的題型。因?yàn)檫@類試題不但能考查學(xué)生在實(shí)驗(yàn)方面的基礎(chǔ)知識，而且能考查其動手能力、分析問題和解決問題的能力以及創(chuàng)新能力，這也恰恰是新課標(biāo)所要求的。在生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，目前存在的問題主要有：一是對教材中屬于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面的內(nèi)容沒有真正嘗試著去設(shè)計(jì)；二是沒有掌握實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的一般方法；三是缺乏動手實(shí)驗(yàn)。筆者下面僅從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的單一變量原則和等量原則兩個(gè)方面來總結(jié)該類問題的一般規(guī)律。

一、單一變量原則和等量原則的主要內(nèi)容

1.單一變量原則。實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)生變化的因素稱為變量，通常分為自變量與因變量。自變量是指由人為改變的因素或條件，因此也稱為實(shí)驗(yàn)變量；隨著自變量的變化而引發(fā)的變化或結(jié)果叫因變量，因此因變量也叫反應(yīng)變量。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的就在于證明和解釋這種因果關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中除了自變量以外，可能還會存在一些可變因素，從而對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響，這些變量稱為無關(guān)變量。在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)該讓實(shí)驗(yàn)組和對照組只能有一個(gè)變量，只有這樣，當(dāng)實(shí)驗(yàn)組和對照組出現(xiàn)不同現(xiàn)象或結(jié)果時(shí)，我們才能確定造成這種不同的原因是這一變量引起的，從而證明所要探究的實(shí)驗(yàn)因素的作用。

2.等量原則。等量原則與單一變量原則相比較，只不過是強(qiáng)調(diào)的側(cè)面不同，二者的實(shí)質(zhì)是統(tǒng)一的。前者強(qiáng)調(diào)的是自變量的單一性，而后者強(qiáng)調(diào)的是除了自變量之外的無關(guān)變量必須嚴(yán)格控制相同。在控制無關(guān)變量時(shí)不但要等量，而且要在適宜條件下，只有如此才能排除其他因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾，并得出正確的結(jié)論。該原則在敘述上經(jīng)常體現(xiàn)在以下方面。（1）各分組中所用植物的種類、長勢和數(shù)量等相同；所選動物的性別、大小、生理狀況等一致。（2）各分組中所加入的試劑的成分、體積、濃度等相同。（3）各分組實(shí)驗(yàn)控制在適宜且相同的溫度、光照、水分等條件下。（4）在相同時(shí)間內(nèi)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

二、課文中滲透的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在高中生物教材中隨處可見實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，且充分體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的單一變量原則和等量原則。例如，證明某一種無機(jī)鹽是植物生長發(fā)育所必需的；研究細(xì)胞核是否為活細(xì)胞所必需；恩格爾曼的實(shí)驗(yàn)；促胰液素的發(fā)現(xiàn)；生長素發(fā)現(xiàn)過程中的實(shí)驗(yàn)。在學(xué)習(xí)這些內(nèi)容時(shí)應(yīng)該有意識地引導(dǎo)學(xué)生分析其中的變量，也可以嘗試不同的設(shè)計(jì)思路。

三、學(xué)生實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

高中生物必修課本中的學(xué)生實(shí)驗(yàn)有20多個(gè)，可將這些實(shí)驗(yàn)分為：觀察驗(yàn)證類、探究類、調(diào)查類和模擬制作類。在以上實(shí)驗(yàn)尤其是探究實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中有意識地強(qiáng)調(diào)以上原則，可以幫助學(xué)生明晰實(shí)驗(yàn)?zāi)康模岣叻治鰡栴}和解釋現(xiàn)象的能力。現(xiàn)將一些實(shí)驗(yàn)的各種變量歸納如下。

1.比較過氧化氫在不同條件下的分解。其中自變量是催化劑種類，因變量是過氧化氫分解速率，無關(guān)變量是底物的量、反應(yīng)時(shí)間等。

2.影響酶活性的條件。其中自變量是溫度（或pH），因變量是淀粉與碘呈藍(lán)色的深淺，無關(guān)變量是底物的量、pH（或溫度）、反應(yīng)時(shí)間等。

3.探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式。其中自變量是氧氣的有無，因變量是二氧化碳、酒精的產(chǎn)生，無關(guān)變量是空氣中原有的二氧化碳等。

4.環(huán)境因素（如光照強(qiáng)度）對光合作用的影響。其中自變量是光照強(qiáng)度，因變量是葉圓片浮起的數(shù)量，無關(guān)變量是溫度、二氧化碳濃度等。

5.生物體維持pH穩(wěn)定的機(jī)制。其中自變量是實(shí)驗(yàn)材料的不同，因變量是pH的變化，無關(guān)變量是加入酸或堿的量等。

6.探究生長素類似物促進(jìn)插條生根的最適濃度。其中自變量是類似物的濃度，因變量是生根的快慢、數(shù)量，無關(guān)變量是插條種類、數(shù)量、溫度、時(shí)間、光照等。

7.探究不同時(shí)間土壤中小動物類群豐富度。其中自變量是白天與晚上，因變量是小動物種類和數(shù)量，無關(guān)變量是土壤等。

8.探究土壤微生物能分解落葉。其中自變量是土壤是否進(jìn)行滅菌處理，因變量是落葉腐爛程度，無關(guān)變量是溫度、含水量等。另外，在模擬探究細(xì)胞大小與物質(zhì)運(yùn)輸?shù)年P(guān)系、探究培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的動態(tài)變化、探究水族箱中的群落演替實(shí)驗(yàn)中，我們也可以試著找出其中的各種變量。

四、生物實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)習(xí)題舉例

案例：下面是某小組學(xué)生為證明某種細(xì)菌對植物遺體的分解作用提出的3種實(shí)驗(yàn)方案。他們將同一種樹的落葉均分成甲、乙兩組。在實(shí)驗(yàn)過程中不斷地滴加蒸餾水，使樹葉保持潮濕。方案1：將甲組放在無菌條件下，乙組放在自然條件下（暴露在空氣中），觀察記錄落葉的變化。方案2：將甲組滅菌后放在無菌條件下，乙組放在自然條件下（暴露在空氣中），觀察記錄落葉的變化。方案3：將甲、乙兩組均滅菌后，甲組置于無菌條件下，乙組放在自然條件下（暴露在空氣中），觀察記錄落葉的變化。該實(shí)驗(yàn)的目的是證明某種細(xì)菌對植物體的分解作用。該實(shí)驗(yàn)的自變量是有無某種細(xì)菌，因變量是落葉的分解程度。題目中已經(jīng)明確所用材料是同一種樹的落葉均分成甲、乙兩組，并且使樹葉保持潮濕。其原因就是除了有無細(xì)菌的條件不同外，其他條件應(yīng)完全相同，但僅做到這一點(diǎn)還不夠。我們再來分析3種方案。方案1：甲、乙兩組均未進(jìn)行滅菌處理，甲組雖然放在無菌條件下，但因?yàn)樵诖酥翱赡芫蛿y帶有微生物，所以落葉也會被分解而失去對照作用。在自然條件下，空氣中含有多種微生物，這時(shí)我們就無法確定乙組落葉分解只是由該細(xì)菌引起的。方案2：在自然條件下，空氣中不僅含有細(xì)菌，且含有分解落葉的其他微生物，因此也不能說乙組落葉分解就是由該細(xì)菌引起的。方案3：同樣在自然條件下會有其他微生物的干擾，不能達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹Ｕ_的方案應(yīng)該是：將甲、乙兩組葉片均先進(jìn)行滅菌處理，甲組放在無菌條件下，乙組接種該細(xì)菌后放在無菌條件下，其他條件相同，觀察記錄落葉的變化。

在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，通過單一變量原則、等量原則的確立，實(shí)驗(yàn)中復(fù)雜的問題就能簡單化、明晰化，從而使結(jié)果更準(zhǔn)確。因此，在平時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師要不斷提高設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力，一方面要親自動手做有關(guān)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)動手能力；另一方面要掌握實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本方法和規(guī)律，以此提高分析問題和解決問題的能力。同時(shí)，可以嘗試不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和創(chuàng)新精神，提高學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)。

作者：李興義 溫育棟 單位：河北衡水中學(xué) 河北省張家口市教育技術(shù)裝備管理站