谈高中生物实验设计的原则及实验设计模式

所谓实验设计，就是要求学生设计实验原理，选择实验器材，安排实验步骤，设计数据处理的方法及分析实验的现象。实验设计，主要考查学生是否理解实验原理，是否具有灵活运用实验知识的能力，是否具有在不同情境下迁移知识的能力。下面笔者结合平时的教学实际，谈谈生物实验设计应遵循的几个原则及实验设计的模式。

一、实验设计应遵循的原则

1.对照性原则

在实验设计中，通常设置对照组。通过干预或控制研究对象以消除或减少实验误差，鉴别实验中的处理因素同非处理因素的差异。实验设计中可采用的对照方法很多，除了有阳性对照、标准对照、自身对照、相互对照之外，通常采用空白对照的原则：即不给对照组以任何处理因素。值得强调的是，不给对照组任何处理因素是相对实验组而言的，实际上对对照组还是要做一定的处理，只是不加实验组的处理因素。

2.随机性原则

实验设计中的随机化原则，是指被研究的样本是从总体中任意抽取的。这样做的意义在于：一是可以消除或减少系统误差，使显著性测验有意义；二是平衡各种条件，避免实验结果中的偏差。

3.平行重复原则

平行重复原则，即控制某种因素的变化幅度，在同样条件下重复实验，观察其对实验结果影响的程度。任何实验都必须能够重复，这是具有科学性的标志。上述随机性原则虽然要求随机抽取样本，这能够在相当大的程度上抵消非处理因素所造成的偏差，但不能消除它的全部影响。平行重复的原则就是为解决这个问题而提出的。

4.单因子变量原则

单因子变量原则，即控制其他因素不变，只改变其中某一变量，观察其对实验结果的影响。除了整个实验过程中欲处理的实验因素外，其他实验条件要求做到前后一致。

二、实验设计模式

l.从实验步骤出发设计研究性实验

模式：教师对实验步骤提出建议学生选择比较实验分析对比结果得出结论填写报告。

以“叶绿体中色素的提取和分离”实验为例。本实验的步骤是：去除叶柄、粗叶脉的新鲜菠菜叶5g，剪碎放入研钵，加少量碳酸钙、石英砂，15ml无水酒精，研磨成匀浆后过滤，得叶绿体色素提取液。用毛细管吸取少量滤液，在干燥的滤纸条上划一细线，烘干后再次划线，重复多次，然后放入层析液中进行层析。

教学中，鼓励学生使用不同方法，通过对比实验研究哪种方法能达到最佳的实验效果。如建议学生对所取菠菜与酒精量的比例作一研究(可以采用10g菠菜叶与5ml无水酒精组合、10g菠菜叶与10ml无水酒精组合、5g菠菜叶与5ml无水酒精组合、5g菠菜叶与10ml无水酒精组合等)；也可对滤纸条的划线次数(可以是3次、5次、7次、10次等)、划线方法(可以是用毛细管、载玻片、铅笔、滤纸条折线等器材或方法)、取用碳酸钙的量(少量或较多)、是否需要过滤等实验步骤提出建议。学生在实验过程中，自己选择对比实验组，通过自己的实验，得出结论。

在实验过程中，学生的兴趣很高，积极性与主动性得到充分体现，相互之间主动交流实验的结果与体会。同时，教师根据学生的实验对比结果，对实验的方法进行了一定的改进，如采用10g菠菜叶与10ml无水酒精组合，层析后色素带分层比较清晰；划滤液细线的方法可直接采用载玻片的一侧蘸取匀浆。压在滤纸条上，并称其为“敲图章”。此法可以节省实验时间，且滤液细线细而齐整，划线次数超过7次后对实验影响就不明显了。部分学生的研究结论被教师介绍给大多数学生，学生的研究直接参与进教学的研究，这对这些参与实验的学生是一种激励，反过来可以成为他们进一步学习的动力。

2.从允许学生故意出错的角度设计研究性实验

模式：教师针对教材中某些“不许”“不能”“注意”等内容提出质疑要求学生解释为什么学生实验得出结论。

如在“叶绿体中色素的提取与分离”实验中不能让层析液浸没滤液细线，否则色素会溶解在层析液中，影响实验结果；“植物细胞的有丝分裂”实验中根尖解离后必须经过漂洗，否则盐酸同染色剂反应，会影响根尖细胞内染色体的染色效果；“生物组织中蛋白质的鉴定”实验中蓖麻籽的薄片需用95％酒精洗去油脂，以免影响对蛋白质晶体的观察；“水质污染对生物的影响”实验中合成洗涤剂对生物的影响应使用普通的洗衣粉等。为什么要这样做呢?以往教学中，往往是教师把答案告诉学生，要求学生记住，实验中不能如此操作。但在开展研究性学习的实践与研究后，教师不再给出答案，而是建议学生不妨在实验时试一下，通过亲自进行“错误”操作，学生知道了此操作所造成的后果，其印象比教师口头的讲述要深得多，也更有说服力，其心理体验是前者无法相比的。也有一些“错误”操作的结果对实验并无多大影响，如“水质污染对生物的影响”实验中使用普通的洗衣粉与使用加酶的洗衣粉的实验效果是相同的，那么教师就应引导学生分析其原因，为什么教材中采用前者，由此让学生体会科学研究的严谨性。