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生物实验设计教学总结  

2014-01-07 09:05:54|  分类: 5生物实验探究 |  标签: |举报 |字号 订阅

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实验设计是生物实验中的一种类型,它能较全面的考查学生的实验知识和基本技能,分析问题和解决问题的能力以及创造能力,因而在高考中相对稳定。由于学生缺乏实验设计的有关理论知识,平时的练习也偏少,因此,遇到这类题型,就会感到茫然,无所适从。为解决这一问题,现将有关实验设计的基本理论、实验设计的思路方法和常见的类型作一介绍,以期增加学生理论知识,提高学生分析问题和解决问题的能力之目的。
        Ⅰ实验设计的背景资料
实验在生物教学中有十分重要的地位。自然科学学科设立目的是帮助学生掌握科学的世界观和方法论,理解和掌握一定的科学知识。但是由于近代的科学教育太注重教材和书本知识,使得科学的本质被淹没在一般的科学知识的细枝末节之中了。生物教学也是如此,使生物实验变成了知识的简单验证和再现。
目前,改变这一现状显得尤为迫切。随高考的不断改革,高考对生物学实验有不更高的要求,集中表现在开放性实验设计题的出现上。而这一类题型在高考复习中是令学生非常头痛的问题。要解决这一难题首先要明确实验在科学研究方法中的意义和地位。
科学的本质特点是探索真理和发现真理。因此,其最有生命力的价值是“发现”,是不断指向未来与未知的过程,所以,实验是科学的基础。
美国科学家科南曾经将一般科学方法归结为六个步骤:
1.根据经验或现象的观察提出或确定问题,树立研究目标。
2.观察并记录有关的数据、资料。
3.根据观察数据提出解释性假说,以解释观察到的现象。
4.根据假说进行推演,构造理论体系,同时提出判决实验方案。
5.用实际的实验对假说进行检验。
6.根据实验所得结果,接受、修改或放弃假说。
      这样的一种以归纳为核心内容的方法,作为科学方法的一般程序,是得到公认的。这种方法适用于一切科学研究过程。要进行实验,首先必须对研究对象所表现出来的现象提出某种可能的解释。也就是提出某种设想或假说,然后设计实验来验证这个设想或假说。由此可见,在科学的研究方法中,实验起着重要的作用。它不仅意味着某种精确地操作,而且是一种思考的方式。
只有理解了实验的本质以后,才可能将注意力从记忆转移到思考和创造上来。才能理解科学本来是一种探索真理的活动。
    Ⅱ实验设计的基本理论
实验是科学研究过程中的一个重要环节,是在人为控制条件下,研究对象的变化,以其结果论证科学结论的一种科学方法。由于研究问题性质的不同,科学研究的方法也有差异,但通常分为以下几步:
     一、观察
观察是科学研究方法的第一步,这里的观察,是在处于自然常态条件下进行。对事物进行观察时必须周详,并将它记录下来。而尤为重要的是要保持客观的态度。人们常希望看到人想要看或应该看到的现象,因此而影响观察结果,产生偏差。
     二、提出问题
人们对事物作缜密观察以后,常常由于好奇心或想作进一步的了解而提出问题,虽然任何人都能提出问题,但只有有意义的问题才值得探讨,因此,进行研究时,不仅要提出问题,而且要提出确切的问题。此外,对问题的表述,也要清楚而正确,例如“蚯蚓如何借肌肉的收缩和舒张而移动身体?”
    三、假说
科学方法的第三步是假说。假说,也称假设或猜测,指用来说明某种现象但未经证实的论题,也就是对所提出的问题所作出的参考答案。假说一般分为两个步骤:第一步,提出假说,即依据发现的事实材料或已知的科学原理,通过创造性思维,提出初步假定;第二步,作出预期(推断),即依据提出的假说,进行推理,得出假定性的结论;例如,新编高中生物的“动物激素饲喂小动物的实验”,其假说是:“甲状腺激素对动物的生长发育有影响”;其预期结果是:“用适量的甲状腺激素饲喂蝌蚪,将促使蚪蝌的生长发育加速”。实验预期是较具体的推断。
一个问题常有多个可能的答案,但通常只有一个是正确的。因此,假设是对还是错,还需要加以验证,即依据假设或预期,设计实验方案,进行实验验证。
    四、实验
实验是验证假说和解决问题的最终途径,指在人为控制的条件下研究事物的变化的一种方法。这是科学方法的最大特色,也是科学方法中最困难的一步。如何求证假设可充分展现研究者的才华。在科学实验中,要掌握或贯彻以下几点:
   (一)变量
变量,或称因子,是指实验过程中所被操作的特定因素或条件。按性质不同,通常可分为两类:
l.实验变量与反应变量
实验变量,也称为自变量,指实验中由实验者所操纵的因素或条件。反应变量,亦称因变量,指实验中由于实验变量而引起的变化和结果。通常,实验变量是原因,反应变量是结果,二者具有因果关系。实验的目的在于获得和解释这种前因后果。例如,在“温度对酶活性”的实验中,所给定的低温(冰块)、适温(37℃)、高温(沸水浴)就是实验变量。而由于低温、适温、高温条件变化,唾液淀粉酶水解淀粉的反应结果也随之变化,这就是反应变量,该实验即在于获得和解释温度变化(实验变量)与酶的活性(反应变量)的因果关系。
2.无关变量与额外变量
无关变量,也称控制变量,指实验中除实验变量以外的影响实验现象或结果的因素或条件。额外变量,也称干扰变量,指实验中由于无关变量所引起的变化和结果。显然,额外变量会对反应变量有干扰作用,例如,上述实验中除实验变量(低温、适温、高温)以外,试管洁净程度、唾液新鲜程度、可溶性淀粉浓度和纯度、试剂溶液的剂量、浓度和纯度,实验操作程度,温度处理的时间长短等等,都属于无关变量,要求对低温、适温、高温3组实验是等同、均衡、稳定的;如果无关变量中的任何一个或几个因素或条件,对3个实验组的给定不等同、不均衡、不稳定,则会在实验结果中产生额外变量,出现干扰,造成误差。实验的关键之一在于控制无关变量或减少额外变量,以减少误差。
     (二)单一变量原则
单一变量原则是处理实验中的复杂关系的准则之一。它有两层意思:一是确保“单一变量”的实验观测,即不论一个实验有几个实验变量,都应做到一个实验变量对应观测一个反应变量;二是确保“单一变量”的操作规范,即实验操作中要尽可能避免无关变量及额外变量的干扰。例如,上述实验遵循单一变量原则,第一,在观测上要做到:低温处理观测记录低温下的变化和结果,高温处理观测记录高温下的变化和结果,反应变量不能混淆;第二,在操作上要做到;对3个实验一要在预先的低温、适温、高温条件下做实验处理,常见的错误是先在常温下做处理再放到低温、适温、高温条件中进行观测;这样就混入了“常温”这个无关变量及额外变量。总之,实验设计、实验的全过程,都应遵循单一变量原则。
    (三)控制与平衡控制 
保证实验不受干扰或将干扰因素降低到最低程度控制,是处理实验中变量关系的又一准则,指实验要严格地操纵实验变量,以获取反应变量。与此同时,还要严格地均衡无关变量,以消除额外变量干扰。一句话,通过实验控制,尽量消除实验误差,以取得较为精确的实验结果。
如果说“单一变量”原则,主要是对实验变量与反应变量的控制而言,而这里的"平衡控制",则主要是对无关变量与额外变量的控制而说的,意思是说,实验中的无关变量的因素条件,很难
避免,只能设法平衡和抵消它们的影响,常用的方法有:
    1.单组实验法 对一组(或一个)对象,既用A法,又用B法,顺序随机或轮流循环,这是生物实验常用的实验方法。例如,“观察植物细胞的质壁分离与复原”实验,通常是将做好的洋葱紫色鳞片叶表皮细胞装片,先用蔗糖溶液做质壁分离观察,接着又用清水做质壁分离复原观察,这就是单组实验法。由于对象同一,无关变量影响也就被平衡和抵消了。
    2.等组实验法 将状况相等即对象,分成两组或多组,一组用A法,另一组用B法,这也是生物实验常用的实验方法。例如,“植物激素与向性”实验,设计了5组实验,其对象是玉米幼苗,要求品种、萌发期、粗细、大小、长势等状况都是相同的,这就是等组实验法,对无关变量的影响起到了平衡和消除作用。
   3.轮组实验法 对两组以上的对象,循环进行两个或两个以上的实验处理,如甲组——A法、B法;乙组——B法、A法等,这样就有效地平衡和抵消无关变量的影响。自然,操作起来要麻烦一些。例如,"植物向光性"实验,可随机取2株(组)生长状况并不相等的玉米幼苗,作如下实验处理:
甲组:玉米幼苗——A先用“不透光”处理   B后用“单侧光”处理
乙组:玉米幼苗——C先用“单侧光”处理   D后用“不透光”处理
实验结果,则是A+D(不透光)和B+C(单侧光)的比较,这就是轮组实验法。这种实验处理的匹配,对平衡、消除无关变量和额外变量更有说服力。
   (四)对照
对照是实验控制的手段之一,目的还是在于消除无关变量对实验结果的影响。实验对照原则是设计和实施实验的准则之一。通过设置实验对照对比。既可排除无关变量的影响,又可增加实验结果的可信度和说服力。
通常,一个实验总分为实验组和对照组。实验组,是接受实验变量处理的对象组:对照组,也称控制组,对实验假设而言,是不接受实验变量处理的对象组,至于哪个作为实验组,哪个作为对照组,一般是随机决定的,这样,从理论上说,由于实验组与对照组的无关变量的影响是相等的,被平衡了的,故实验组与对照组两者之差异,则可认定为是来自实验变量的效果,这样的实验结果是可信的。按对照的内容和形式上的不同,通常有以下对照类型:
l.空白对照 指不做任何实验处理的对象组。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。这样,甲为实验组,乙为对照组,且乙为典型的空白对照。空白对照能明白地对比和衬托出实验组的变化和结果,增强了说服力。
2.自身对照 指实验与对照在同一对象上进行,即不另设对照组。单组法和轮组法,一般都包含有自身对照。如“植物细胞质壁分离和复原”实验,就是典型的自身对照。自身对照,方法简便,关键是要看清楚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则为实验组。
3.条件对照 指虽给对象施以某种实验处理,但这种处理是作为对照意义的,或者说这种处理不是实验假设所给定的实验变量意义的。例如,“动物激素饲喂小动物”的实习实验,采用等组实验法,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。该实验即设置了条件对照,又设置了空白对照,通过比较、对照、更能充分说明实验变量——甲状腺激素能促进动物的生长发育。
4.相互对照 指不另设对照组,而是几个实验组相互对比对照,在等组实验法中,大都是运用对照,如“植物的向性”的等组实验中,5个实验组所采用的都是相互对照,较好的平衡和抵消了无关变量的影响,使实验结果更具有说服力。
       五、结论
观察、实验的价值即在于获得验证性的结果。因此,在实验中要记录实验的事实、现象和数据,即捕捉、记录由实验变量而带来的反应变量。然后,论证、说明实验中的自变量与因变量的因果关系,从而得到实验的结果。①如果所获得的结果与假设相符,则肯定假设;②如果结果与假设不相符,则否定假设;③如果结果与假设无关,则无从判断。最后得出结论。
科学实验必须遵循真实、客观的基本准则,即实验中的观察一定要实事求是,一切从实验出发,使获取的材料(事实、现象、数据)尽可能的反映客观事物的本来面目,不能凭空胡诌,不能片面武断。
      以上科学方法是进行实验设计,制定实验方案的理论依据。
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