生物實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)類(lèi)題型以某一生物學(xué)知識(shí)作為載體，來(lái)綜合考查學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)探究的能力，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)是一個(gè)難點(diǎn)。這類(lèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題，教材中雖然沒(méi)有實(shí)驗(yàn)原型，但它們所涉及到的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本方法卻是來(lái)源于教材。因此，要搞好生物實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的教學(xué)，教學(xué)時(shí)教師不能脫離教材，應(yīng)從教材中典型實(shí)驗(yàn)人手，現(xiàn)身說(shuō)法，在學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)室的操作以后，還應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行剖析，從中總結(jié)歸納出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本方法。比如，教師在組織學(xué)生完成“比較過(guò)氧化氫酶和Fe³⁺的催化效率”實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室操作以后，應(yīng)及時(shí)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析討論，并在此基礎(chǔ)上歸納出生物實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的一般方法。

1 對(duì)教材中相關(guān)實(shí)驗(yàn)的分析

1．1對(duì)實(shí)驗(yàn)中變量的分析

“比較過(guò)氧化氫酶和Fe³⁺的催化效率”實(shí)驗(yàn)以過(guò)氧化氫酶和Fe³⁺分別催化過(guò)氧化氫的分解，通過(guò)觀(guān)察過(guò)氧化氫的分解速率(以產(chǎn)生氣泡的數(shù)量和衛(wèi)生香燃燒猛烈的程度為指標(biāo))來(lái)比較過(guò)氧化氫酶和Fe³⁺的催化效率。在該實(shí)驗(yàn)中影響過(guò)氧化氫分解速率的因素除了催化劑的種類(lèi)之外，還有其他一些因素，如底物過(guò)氧化氫的濃度和催化劑的用量、反應(yīng)體系中底物與催化劑接觸的程度、反應(yīng)時(shí)間及反應(yīng)溫度，甚至試管的潔凈程度等。在影響反應(yīng)速率的上述因素中，催化劑的種類(lèi)是該實(shí)驗(yàn)所要研究和探討的對(duì)象，稱(chēng)為實(shí)驗(yàn)變量；而其他因素雖然也影響反應(yīng)現(xiàn)象，但不是實(shí)驗(yàn)所研究的內(nèi)容，稱(chēng)為無(wú)關(guān)變量。在實(shí)驗(yàn)變量(催化劑種類(lèi))不同時(shí)，過(guò)氧化氫的分解速率會(huì)有明顯的差異(反映在氣泡產(chǎn)生的數(shù)量和衛(wèi)生香燃燒猛烈的程度不同)，這種由實(shí)驗(yàn)變量而引起的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的變化和結(jié)果，稱(chēng)為反應(yīng)變量。可見(jiàn)，實(shí)驗(yàn)變量和反應(yīng)變量之間具有因果關(guān)系。也正是由于二者間的這種因果關(guān)系，在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)對(duì)反應(yīng)變量的觀(guān)察和分析，就可以得出有關(guān)實(shí)驗(yàn)變量的一些定性或定量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)資料。無(wú)關(guān)變量對(duì)過(guò)氧化氫分解的影響也是顯而易見(jiàn)的，在無(wú)關(guān)變量發(fā)生變化時(shí)，過(guò)氧化氫的分解速率很可能會(huì)發(fā)生一定的變化，這種由無(wú)關(guān)變量所引起的變化和結(jié)果，稱(chēng)為額外變量。

1．2實(shí)驗(yàn)中滲透的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原則

該實(shí)驗(yàn)對(duì)變量的控制處理歸納如表1所示。

從該實(shí)驗(yàn)對(duì)變量的控制處理方法中可以看出，2個(gè)分組實(shí)驗(yàn)中除實(shí)驗(yàn)變量有差異之外，其他各種無(wú)關(guān)變量均相同，這符合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的單一變量原則；從該實(shí)驗(yàn)的目的來(lái)看，是為了比較過(guò)氧化氫酶和Fe³⁺的催化效率，但實(shí)質(zhì)上是以Fe³⁺的催化效率作為對(duì)照，來(lái)襯托和說(shuō)明過(guò)氧化氫酶具有高效性，因此，實(shí)驗(yàn)也體現(xiàn)了對(duì)照性原則。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本思路

2．1實(shí)驗(yàn)中變量的確定

通過(guò)對(duì)“比較過(guò)氧化氫酶和Fe³⁺的催化效率”實(shí)驗(yàn)的分析可以看出，該實(shí)驗(yàn)方法步驟的設(shè)計(jì)都是圍繞變量來(lái)展開(kāi)的，因此，一個(gè)實(shí)驗(yàn)課題在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)之前實(shí)驗(yàn)者應(yīng)該對(duì)實(shí)驗(yàn)中的各種變量能做到清楚地了解。只有在確定變量之后，才能進(jìn)一步構(gòu)思變量的處理方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的獲得手段。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)變量和反應(yīng)變量來(lái)說(shuō)，它們一般都隱藏在實(shí)驗(yàn)課題之中，解題時(shí)應(yīng)仔細(xì)審題，從中找出相關(guān)變量。例如，“驗(yàn)證鎂是植物生活的必需元素”實(shí)驗(yàn)，可以預(yù)期有鎂離子存在時(shí)植物能正常地生長(zhǎng)發(fā)育，在缺鎂時(shí)植物則不能正常地生長(zhǎng)發(fā)育，可見(jiàn)，有鎂或無(wú)鎂與植物的生長(zhǎng)發(fā)育狀況之間具有因果關(guān)系，是該實(shí)驗(yàn)研究的對(duì)象，所以該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)變量為“有無(wú)鎂離子”，反應(yīng)變量為“植物生長(zhǎng)發(fā)育的狀況”。

無(wú)關(guān)變量指除了實(shí)驗(yàn)變量之外對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果產(chǎn)生影響或干擾的因素。就“驗(yàn)證鎂是植物生活的必需元素”實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，影響植物生長(zhǎng)發(fā)育狀況的因素除了培養(yǎng)液中有無(wú)鎂離子之外，尚有其他一些因素，如溫度、陽(yáng)光、培養(yǎng)液中溶氧情況、植物起始的生長(zhǎng)狀況，甚至培養(yǎng)容器等，這些因素都是無(wú)關(guān)變量。

2．2構(gòu)思實(shí)驗(yàn)分組和變量的控制方法

2．2．1 實(shí)驗(yàn)分組和實(shí)驗(yàn)變量的控制

在確定實(shí)驗(yàn)變量以后，接下來(lái)應(yīng)考慮實(shí)驗(yàn)分組的情況。一般來(lái)說(shuō)，同一實(shí)驗(yàn)變量有幾種不同的處理類(lèi)型，就應(yīng)該將實(shí)驗(yàn)分成幾組實(shí)驗(yàn)，例如在“比較過(guò)氧化氫酶和Fe³⁺的催化效率”實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)變量為催化劑的種類(lèi)，有過(guò)氧化氫酶和Fe³⁺種類(lèi)型，因此，該實(shí)驗(yàn)應(yīng)分成2組實(shí)驗(yàn)。

在給實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分組以后，接下來(lái)應(yīng)該考慮實(shí)驗(yàn)變量如何控制。對(duì)實(shí)驗(yàn)變量進(jìn)行控制，也就是給每組實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)對(duì)象施加不同的實(shí)驗(yàn)變量處理類(lèi)型，讓各組之間形成對(duì)照關(guān)系。對(duì)于不同的實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，控制實(shí)驗(yàn)變量的方法可能有一些差異，其中常用的方法有：“有和無(wú)”、“增和減”、“量多和量少”等。例如，“探究CO₂濃度對(duì)植物光合作用的影響”實(shí)驗(yàn)中應(yīng)對(duì)各組實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)對(duì)象植物提供不同濃度的CO₂濃度，這是采用“量多和量少”或“濃度變化”的處理；“驗(yàn)證鎂是植物生活的必需元素”實(shí)驗(yàn)中2個(gè)分組實(shí)驗(yàn)一個(gè)提供鎂離子，另一個(gè)不提供鎂離子，這是采用的“有和無(wú)”的處理。

2．2．2無(wú)關(guān)變量的控制

在實(shí)驗(yàn)分組并給予實(shí)驗(yàn)對(duì)象以不同的實(shí)驗(yàn)變量處理以后，可以預(yù)期實(shí)驗(yàn)會(huì)出現(xiàn)一定的反應(yīng)變量，即各組實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。然而，各組實(shí)驗(yàn)中反應(yīng)變量除了受到研究因素實(shí)驗(yàn)變量的影響之外，還受到非研究因素?zé)o關(guān)變量的影響。如果在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中對(duì)各組實(shí)驗(yàn)施加的無(wú)關(guān)變量也有一定差異，那么，實(shí)驗(yàn)中組與組之間除了實(shí)驗(yàn)變量處理類(lèi)型不同之外，還有無(wú)關(guān)變量的差異，顯然，這不符合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的單一變量原則；在此設(shè)計(jì)背景下所產(chǎn)生的無(wú)關(guān)變量也就不能真實(shí)地反映實(shí)驗(yàn)變量的某種生理作用或特征，也就是說(shuō)無(wú)關(guān)變量對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象造成了干擾。那么，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中如何才能排除無(wú)關(guān)變量的干擾，并使實(shí)驗(yàn)在純粹的狀態(tài)下能如實(shí)地反映研究對(duì)象呢?具體的方法是：對(duì)各組實(shí)驗(yàn)給予相同的無(wú)關(guān)變量，并且使各個(gè)無(wú)關(guān)變量處于“常態(tài)”或“適宜”狀態(tài)，不致影響實(shí)驗(yàn)的完成。例如，在“比較過(guò)氧化氫酶和Fe³⁺的催化效率”實(shí)驗(yàn)中，在2個(gè)組中，催化劑用量、試管型號(hào)和潔凈程度、過(guò)氧化氫用量、反應(yīng)體系中物質(zhì)的混合程度和溫度都相同，就是為了避免非研究因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾。

2．3確定反應(yīng)變量的檢測(cè)方法

反應(yīng)變量通常體現(xiàn)為在實(shí)驗(yàn)中觀(guān)察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。各種實(shí)驗(yàn)中常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有：特異的顏色反應(yīng)、沉淀反應(yīng)、生物形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理特性的變化、生物生長(zhǎng)發(fā)育的速度和生化反應(yīng)的速率等。

對(duì)反應(yīng)變量的檢測(cè)，應(yīng)根據(jù)反應(yīng)變量的類(lèi)型和性質(zhì)及實(shí)驗(yàn)的原理和實(shí)驗(yàn)條件來(lái)具體確定觀(guān)察和檢測(cè)的方法。例如“比較過(guò)氧化氫酶和Fe³⁺的催化效率”實(shí)驗(yàn)中反應(yīng)變量為過(guò)氧化氫分解反應(yīng)的速率(即O₂的釋放速率)，根據(jù)O₂的相關(guān)理化性質(zhì)，該實(shí)驗(yàn)以氣泡產(chǎn)生的數(shù)量和帶火星的衛(wèi)生香燃燒的猛烈程度作為檢測(cè)反應(yīng)變量的方法。

2．4實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的一般步驟

先來(lái)分析“比較過(guò)氧化氫酶和Fe³⁺的催化效率”實(shí)驗(yàn)中的方法步驟。第一步中“取兩支潔凈試管，編上號(hào)”，這是對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行“分組編號(hào)”；第一步中“各注入2mL過(guò)氧化氫溶液”和第三步中“堵住試管口，輕輕地振蕩這兩支試管，使試管內(nèi)的物質(zhì)混合均勻”，這些操作都是對(duì)無(wú)關(guān)變量進(jìn)行控制。第二步“向1號(hào)試管內(nèi)滴入2滴肝臟研磨液。向2號(hào)試管內(nèi)滴入2滴氯化鐵溶液”，這是對(duì)實(shí)驗(yàn)變量進(jìn)行控制。第三步中“觀(guān)察和記錄試管中產(chǎn)生氣泡多少”及第四步“觀(guān)察帶火星衛(wèi)生香燃燒的猛烈程度”是對(duì)反應(yīng)變量的檢測(cè)和現(xiàn)象的觀(guān)察、記錄。最后，通過(guò)對(duì)現(xiàn)象的分析，得出結(jié)論。根據(jù)對(duì)“比較過(guò)氧化氫酶和Fe³⁺的催化效率”實(shí)驗(yàn)中方法步驟的分析，可以歸納出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的一般步驟是：

①依據(jù)實(shí)驗(yàn)變量對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分組，并編號(hào)；②對(duì)實(shí)驗(yàn)中變量進(jìn)行控制：給各組施加不同的實(shí)驗(yàn)變量類(lèi)型，并使各組的無(wú)關(guān)變量相同，且處于“適宜”狀態(tài)或“常態(tài)”；③對(duì)反應(yīng)變量進(jìn)行檢測(cè)；④觀(guān)察和記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；⑤分析得出結(jié)論。

例：探究溫度對(duì)酶活性影響的實(shí)驗(yàn)，需進(jìn)行如下步驟：

①取三支試管，編號(hào)并注入2mL淀粉溶液；②向各試管注入1mL淀粉酶溶液；③向各試管滴一滴碘液；④將三支試管分別放在60℃的熱水、沸水和冰塊中維持5min；⑤觀(guān)察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象最合理的實(shí)驗(yàn)順序應(yīng)為( )

A．①②③④⑤ B．①③②④⑤

C．①③④②⑤ D．①④②③⑤

分析：前面已經(jīng)明確了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法步驟。在該實(shí)驗(yàn)中“①取三支試管，編號(hào)”為實(shí)驗(yàn)的分組編號(hào)，應(yīng)放在第一步?！阿巯蚋髟嚬艿我坏蔚庖骸焙汀阿萦^(guān)察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象”分別為反應(yīng)變量的檢測(cè)和現(xiàn)象的觀(guān)察，應(yīng)順次放在實(shí)驗(yàn)的最后進(jìn)行。剩下②和④兩步，它們都是對(duì)變量進(jìn)行控制，②和④的排序應(yīng)考慮實(shí)驗(yàn)的可行性和能否達(dá)成實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。如果按②和④操作，在向三支試管各注?mL淀粉酶溶液后，最后3組實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)變量相同，這樣就不能反映溫度與酶活性的關(guān)系；按④和②操作，顯然可以達(dá)成實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。答案選：D。