中学生物学实验设计的基本原则
一. 控制性原则
生物学实验是通过控制和干预实验现象而进行的探索活动。控制本身就是在分析的基础上找出影响现象产生的各种因素，从而以控制或干预某一需要研究的因素来达到认识事物本质的目的。从认识论的角度来看，生物学实验的控制可分为两大类：一类是设法排除对研究对象的干扰，另一类是设法对研究对象进行干扰。这两个相反方式的控制所依据的原理是减法原理和加法原理。
1. 减法原理
实验控制中的减法原理是设法排除某种因素对实验对象的干扰，同时尽量保持被研究对象的稳定，从而在比较纯粹的状态下反映对象。依据减法原理，对实验过程的控制可以消除某种条件的影响，例如，在设计某种药物对动物疗效的实验研究中，动物的个体差异、外部环境等都可能对实验研究产生干扰作用，可选择纯种的某种动物作为实验材料，这就是排除个体差异对疗效的干扰作用。利用减法原理，也可以对某种被减去的因素进行研究，如对光合作用中二氧化碳的作用的实验研究就是依据减法原理而设计的。实验中，氢氧化钠的作用是吸收二氧化碳，通过对照，可以确定二氧化碳对光合作用的影响。中学生物学实验中的光合作用的几个实验（植物的光合作用需要光和水），种子萌发实验以及激素对动、植物生长发育的影响等实验都可运用减法原理来设计。
2. 加法原理
实验设计中的加法原理就是设法给研究对象施加干扰，造成研究对象的变化，从而使研究对象在某些因素的作用下反映出某些特征。如在研究高等动物反射的结构基础反射弧时，可干扰动物（如青蛙）反射弧的各部分结构，来研究反射弧的完整组成和各部分的功能。
应该说明的是，有的实验设计，对某一因素的控制既运用减法原理又运用加法原理，如设计“植物对不同矿质元素的需要”的实验，其目的是探讨某种植物对不同矿质元素的需要与否。实验中，先依据减法原理设计出对各种矿质元素的控制，即在完全营养液中人为去掉某种矿质元素，以观察植物生长发育的情况，如果发育正常，说明该矿质元素不是该植物的必需营养元素；如果发育不正常则还要运用加法原理人为补充这种元素，以证明该元素为植物所必需的矿质元素。在“激素对高等动物的生长发育影响”的实验设计中也运用了加法原理和减法原理。
二. 对照性原则
比较是确定事物之间异同和关系的过程，它是思维过程中的一个重要环节，也是能否提取和概括本质特征，舍弃非本质特征的重要前提。在生物学实验设计中设立对照组（也称控制
组），可使实验结果更具说明力和科学性。在中学生物学实验设计中，对照可分为以下几种：
1. 空白对照
对照组不作任何处理。例如，在“生物组织中可溶性还原糖的鉴定”的实验中，向甲试管溶液加入试剂，而乙试管溶液不加试剂，一起进行沸水浴，比较它们的变化。这里，甲为实验组，乙为对照组，且为典型的空白对照。空白对照能明显地对比和衬托出实验组的变化和结果，增强说服力。
2. 自身对照
对照和实验在同一研究对象上进行。如设计“燕麦胚芽鞘的向光性”的实验：（1）胚芽鞘在暗处直立生长；（2）同一胚芽鞘在单侧光的照射下，弯向光源生长；（3）再去掉胚芽鞘的尖端，并给予单侧光照射，不生长、不弯曲。这个实验说明：胚芽鞘具有生长和向光性的特性，生长、向光性与胚芽鞘的尖端有关。又如“植物细胞质壁分离和复原”的实验，就是典型的自身对照。自身对照，方法简便，关键要看实验处理前后现象变化的差异，实验处理前的对象状况为对照组，实验处理后的对象变化为实验组。
3. 条件对照
控制对照组的部分实验因素，但不控制所要研究的处理因素。例如，“动物激素喂养小动物”实验，其实验设计方案是：甲组饲喂甲状腺激素（实验组），乙组饲喂甲状腺抑制剂（条件对照组），丙组不饲喂药剂（空白对照组）。显然，乙组为条件对照，该实验既设计了条件对照，又设置了空白对照，通过比较实验，更能说明甲状腺激素能促进小动物的生长发育。
4. 相互对照
不单设对照组，而是几个实验组相互对照，如设计一个实验证明温度对淀粉酶活性的影响：
实验结论：温度对酶的活性有影响。
三. 单因子变量原则
任何一个生物学实验，影响其结果的因素（变量）都是多方面的。在中学生物学实验设计中，常用的实验设计方法是：控制其他变量相同，只改变所要研究的某一变量，通过设立对照组，观察其对实验结果的影响。如设计“光照时间对菊花花期的影响”的实验，首先分析影响菊花花期的变量可能有温度、光照强度、光照时间、水分、营养条件等方面。该实验设计是要求对菊花花期的某一个变量（光照时间）进行研究，因此，在该实验设计中，要对需要研究的变量创造典型的环境给予纯化，而控制其他变量，即通过建立对照组并运用实验控制的减法原理在实验组和对照组中给予等值处理，以排除或抵消对研究对象的影响和干扰。在这里，需要研究的变量即光照时间，既是实验条件之一，又是研究对象。这样，就将“光照时间”这一变量从其他变量中分离出来。根据这一思
路，就不难设计出具体的实验过程了。又如各种因素对酶的活性影响（温度对酶活性的影响、pH对酶活性的影响等）等实验设计都是依据这一原则来进行的。
四. 平行重复原则
控制某种因素的变化幅度，在同样情况下重复实验，观察其对实验结果的影响程度，从而揭示事物的本质特征。
例：把引起50%左右的细胞发生初始质壁分离的浓度称为等渗浓度。为了测定洋葱表皮细胞的等渗浓度，有人把大小一样的洋葱表皮细胞分别放入下面各组溶液中，并记录结果如下表：
请分析回答：
（1）该洋葱表皮细胞的等渗浓度为多少？
（2）你认为用什么方法可以更精确地测定洋葱表皮细胞的等渗浓度。写出你的设计思路（数据保留2位小数）
分析：（1）从表中看到，当蔗糖溶液浓度分别为和时，有40%和80%的细胞发生初始质壁分离，根据题干的条件，故确定细胞液的等渗浓度为。
（2）分别配制浓度为四组蔗糖溶液进行实验，再观察细胞发生质壁分离的百分比，百分比接近50%的蔗糖溶液的浓度即为细胞液的等渗浓度。
总之，生物学实验的设计要做到科学、严密，每一个原则的制定要有其科学理论的依据。
年级
高中
学科
生物
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期数
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中学生物学实验设计的基本原则
分类索引号
G.622.46
分类索引描述
辅导与自学
主题词
中学生物学实验设计的基本原则
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中学生物学实验设计的基本原则
一. 控制性原则
生物学实验是通过控制和干预实验现象而进行的探索活动。控制本身就是在分析的基础上找出影响现象产生的各种因素，从而以控制或干预某一需要研究的因素来达到认识事物本质的目的。从认识论的角度来看，生物学实验的控制可分为两大类：一类是设法排除对研究对象的干扰，另一类是设法对研究对象进行干扰。这两个相反方式的控制所依据的原理是减法原理和加法原理。
1. 减法原理
实验控制中的减法原理是设法排除某种因素对实验对象的干扰，同时尽量保持被研究对象的稳定，从而在比较纯粹的状态下反映对象。依据减法原理，对实验过程的控制可以消除某种条件的影响，例如，在设计某种药物对动物疗效的实验研究中，动物的个体差异、外部环境等都可能对实验研究产生干扰作用，可选择纯种的某种动物作为实验材料，这就是排除个体差异对疗效的干扰作用。利用减法原理，也可以对某种被减去的因素进行研究，如对光合作用中二氧化碳的作用的实验研究就是依据减法原理而设计的。实验中，氢氧化钠的作用是吸收二氧化碳，通过对照，可以确定二氧化碳对光合作用的影响。中学生物学实验中的光合作用的几个实验（植物的光合作用需要光和水），种子萌发实验以及激素对动、植物生长发育的影响等实验都可运用减法原理来设计。
2. 加法原理
实验设计中的加法原理就是设法给研究对象施加干扰，造成研究对象的变化，从而使研究对象在某些因素的作用下反映出某些特征。如在研究高等动物反射的结构基础反射弧时，可干扰动物（如青蛙）反射弧的各部分结构，来研究反射弧的完整组成和各部分的功能。
应该说明的是，有的实验设计，对某一因素的控制既运用减法原理又运用加法原理，如设计“植物对不同矿质元素的需要”的实验，其目的是探讨某种植物对不同矿质元素的需要与否。实验中，先依据减法原理设计出对各种矿质元素的控制，即在完全营养液中人为去掉某种矿质元素，以观察植物生长发育的情况，如果发育正常，说明该矿质元素不是该植物的必需营养元素；如果发育不正常则还要运用加法原理人为补充这种元素，以证明该元素为植物所必需的矿质元素。在“激素对高等动物的生长发育影响”的实验设计中也运用了加法原理和减法原理。
二. 对照性原则
比较是确定事物之间异同和关系的过程，它是思维过程中的一个重要环节，也是能否提取和概括本质特征，舍弃非本质特征的重要前提。在生物学实验设计中设立对照组（也称控制
组），可使实验结果更具说明力和科学性。在中学生物学实验设计中，对照可分为以下几种：
1. 空白对照
对照组不作任何处理。例如，在“生物组织中可溶性还原糖的鉴定”的实验中，向甲试管溶液加入试剂，而乙试管溶液不加试剂，一起进行沸水浴，比较它们的变化。这里，甲为实验组，乙为对照组，且为典型的空白对照。空白对照能明显地对比和衬托出实验组的变化和结果，增强说服力。
2. 自身对照
对照和实验在同一研究对象上进行。如设计“燕麦胚芽鞘的向光性”的实验：（1）胚芽鞘在暗处直立生长；（2）同一胚芽鞘在单侧光的照射下，弯向光源生长；（3）再去掉胚芽鞘的尖端，并给予单侧光照射，不生长、不弯曲。这个实验说明：胚芽鞘具有生长和向光性的特性，生长、向光性与胚芽鞘的尖端有关。又如“植物细胞质壁分离和复原”的实验，就是典型的自身对照。自身对照，方法简便，关键要看实验处理前后现象变化的差异，实验处理前的对象状况为对照组，实验处理后的对象变化为实验组。
3. 条件对照
控制对照组的部分实验因素，但不控制所要研究的处理因素。例如，“动物激素喂养小动物”实验，其实验设计方案是：甲组饲喂甲状腺激素（实验组），乙组饲喂甲状腺抑制剂（条件对照组），丙组不饲喂药剂（空白对照组）。显然，乙组为条件对照，该实验既设计了条件对照，又设置了空白对照，通过比较实验，更能说明甲状腺激素能促进小动物的生长发育。
4. 相互对照
不单设对照组，而是几个实验组相互对照，如设计一个实验证明温度对淀粉酶活性的影响：
实验结论：温度对酶的活性有影响。
三. 单因子变量原则
任何一个生物学实验，影响其结果的因素（变量）都是多方面的。在中学生物学实验设计中，常用的实验设计方法是：控制其他变量相同，只改变所要研究的某一变量，通过设立对照组，观察其对实验结果的影响。如设计“光照时间对菊花花期的影响”的实验，首先分析影响菊花花期的变量可能有温度、光照强度、光照时间、水分、营养条件等方面。该实验设计是要求对菊花花期的某一个变量（光照时间）进行研究，因此，在该实验设计中，要对需要研究的变量创造典型的环境给予纯化，而控制其他变量，即通过建立对照组并运用实验控制的减法原理在实验组和对照组中给予等值处理，以排除或抵消对研究对象的影响和干扰。在这里，需要研究的变量即光照时间，既是实验条件之一，又是研究对象。这样，就将“光照时间”这一变量从其他变量中分离出来。根据这一思
路，就不难设计出具体的实验过程了。又如各种因素对酶的活性影响（温度对酶活性的影响、pH对酶活性的影响等）等实验设计都是依据这一原则来进行的。
四. 平行重复原则
控制某种因素的变化幅度，在同样情况下重复实验，观察其对实验结果的影响程度，从而揭示事物的本质特征。
例：把引起50%左右的细胞发生初始质壁分离的浓度称为等渗浓度。为了测定洋葱表皮细胞的等渗浓度，有人把大小一样的洋葱表皮细胞分别放入下面各组溶液中，并记录结果如下表：
请分析回答：
（1）该洋葱表皮细胞的等渗浓度为多少？
（2）你认为用什么方法可以更精确地测定洋葱表皮细胞的等渗浓度。写出你的设计思路（数据保留2位小数）
分析：（1）从表中看到，当蔗糖溶液浓度分别为和时，有40%和80%的细胞发生初始质壁分离，根据题干的条件，故确定细胞液的等渗浓度为。
（2）分别配制浓度为四组蔗糖溶液进行实验，再观察细胞发生质壁分离的百分比，百分比接近50%的蔗糖溶液的浓度即为细胞液的等渗浓度。
总之，生物学实验的设计要做到科学、严密，每一个原则的制定要有其科学理论的依据。
年级
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