什么樣的實驗設(shè)計最嚴(yán)謹(jǐn)？

張玉明　宣雯雯

實驗設(shè)計應(yīng)當(dāng)科學(xué)合理，嚴(yán)謹(jǐn)周密，經(jīng)得起推敲，實驗結(jié)論方能科學(xué)可靠，令人信服。高考應(yīng)試時，如果實驗設(shè)計不夠嚴(yán)謹(jǐn)，哪怕有微小的缺陷或瑕疵，都會令閱卷老師對整個實驗過程和結(jié)果產(chǎn)生懷疑，從而導(dǎo)致嚴(yán)重失分。下面通過一些具體的實驗實例，從實驗的檢測方法、變量排除、操作步驟、實驗材料等幾個方面，剖析影響中學(xué)生物實驗設(shè)計嚴(yán)密性的一些常見原因及方法改進(jìn)。

一、實驗結(jié)果檢測的方法不當(dāng)

例1 豬籠草是一種食蟲植物，為了驗證豬籠草分泌液中有蛋白酶，某學(xué)生設(shè)計了一個實驗，如圖實驗①所示。在35℃水浴中保溫一段時間后，甲、乙試管中加入適量的雙縮脲試劑。觀察實驗結(jié)果。若甲、乙兩支試管都變紫色，說明甲試管中的蛋白質(zhì)沒有被分解，則得出結(jié)論：豬籠草分泌液中沒有蛋白酶。若甲試管不變紫色，乙試管變紫色，說明甲試管中的蛋白質(zhì)已被分解，則得出結(jié)論：豬籠草分泌液中有蛋白酶。

實驗① 實驗②

【分析】實驗①的設(shè)計似乎沒有問題，但仔細(xì)考慮一下就會發(fā)現(xiàn)，若甲試管中的分泌液中有蛋白酶，則將甲試管中的蛋白質(zhì)分解掉后，雖然試管中沒有蛋白質(zhì)了，但分泌液中的蛋白酶依然在，它也是蛋白質(zhì)，可能也會引起顏色反應(yīng)，量雖然很少，但甲試管畢竟還是存在蛋白質(zhì)，因此該實驗的設(shè)計并不是很嚴(yán)謹(jǐn)，需要改進(jìn)。

【改進(jìn)】改進(jìn)后的實驗如圖實驗②。改進(jìn)后的實驗不再使用蛋白液而改用蛋白塊，不再用雙縮脲試劑來檢驗丙、丁兩試管中蛋白質(zhì)有沒有被分解，而是通過觀察蛋白塊是否消失來判斷分泌液中有沒有蛋白酶。蛋白塊消失則說明分泌液中有蛋白酶，蛋白塊不消失則說明分泌液中沒有蛋白酶，從而避免了前面所提的不嚴(yán)謹(jǐn)之處。

二、無關(guān)變量的影響沒有排除

例2 某學(xué)生利用如下裝置設(shè)計實驗測定植物的光合作用強度，具體方法步驟如下。

先用該裝置測定植物的凈光合作用強度：①在裝置的D中放入適量的NaHCO3溶液；②將裝置放在光照強度和溫度等條件適宜的環(huán)境中，60分鐘后記錄裝置紅墨水滴移動的方向和刻度，并填入下表。

再用該裝置測定植物的呼吸作用強度，方法步驟：①在裝置的D中放入適量的NaOH溶液；②將裝置遮光處理，60分鐘后分別記錄裝置紅墨水滴移動的方向和刻度，并填入下表。

實驗?zāi)康?裝置 實驗60分鐘后紅墨水滴移動情況

測定凈光合作用強度 甲 向_____（填左或右）移動 厘米

測定呼吸作用強度 甲 向_____（填左或右）移動 厘米

上述兩項的數(shù)值相加即為植物的光合作用強度。

【分析】上述實驗看起來好像沒有問題，其實不夠嚴(yán)密。實驗測得的數(shù)值并沒有經(jīng)過校正，也就是沒有排除無關(guān)變量的影響。在實驗中，由于光照等因素的影響，可能會導(dǎo)致裝置內(nèi)的溫度上升，使得其中氣體體積膨脹，測得的數(shù)值有可能偏大。排除無關(guān)變量影響的最佳方法是設(shè)計相應(yīng)的對照實驗，原來的實驗裝置為甲，再增加一個同樣的裝置乙，將其中的植物改成死的植物。

【改進(jìn)】改進(jìn)實驗裝置如下：

先測定植物的凈光合作用強度：①在甲、乙兩裝置的D中都放入等量NaHCO3溶液，裝置乙作為對照；②將甲、乙兩裝置放在光照強度和溫度等條件相同的適宜環(huán)境中；③60分鐘后分別記錄甲、乙兩裝置紅墨水滴移動的方向和刻度，并填入下表。

再測定植物的呼吸作用強度：①在甲、乙兩裝置的D中都放入等量的NaOH溶液，裝置乙作為對照；②將甲、乙兩裝置遮光處理，放在溫度等條件相同的環(huán)境中；③60分鐘后分別記錄甲、乙兩裝置紅墨水滴移動的方向和刻度，并填入下表。

實驗?zāi)康?裝置 實驗60分鐘后紅墨水滴移動情況

測定凈光合

作用強度 甲 向_____（填左或右）移動 厘米

乙 向_____（填左或右）移動 厘米

測定呼吸

作用強度 甲 向_____（填左或右）移動 厘米

乙 向_____（填左或右）移動 厘米

乙裝置的讀數(shù)是對甲裝置讀數(shù)的修正，從而排除了光照、溫度等無關(guān)變量的變化對實驗結(jié)果的影響。

三、自變量的分析不夠全面

例3 某同學(xué)為了驗證胚芽鞘尖端是感光部位的結(jié)論，設(shè)計了如圖所示一組實驗。

該同學(xué)認(rèn)為，兩個實驗形成一組對照，實驗①整個胚芽鞘裸露，單側(cè)光照射發(fā)生向光彎曲生長，實驗②尖端用不透光的錫鉑小帽遮光，尖端以下部位裸露，單側(cè)光照射直立生長，得出結(jié)論：尖端是感光部位，尖端以下不是感光部位。

【分析】以上實驗和分析似乎非常合理，無懈可擊，但仔細(xì)推敲，卻不夠嚴(yán)密，問題出在對自變量的分析不夠全面。該實驗的自變量應(yīng)有三個，即感光部位有三種可能：尖端、尖端以下部位、尖端和以下部分共同組成一個感光部位。實驗②只能確定尖端以下不是感光部位，剩余兩種可能無法判斷，還需再增加一個實驗才可。

【改進(jìn)】改進(jìn)后的實驗設(shè)計如下。

改進(jìn)后的實驗③是尖端以下部位也用錫鉑遮光，用單側(cè)光照射，實驗③的結(jié)果如圖彎曲生長，從而排除尖端和以下部分共同組成一個感光部位的可能性，從而肯定尖端是感光部位。假如實驗③是直立生長，則排除尖端是感光部位的可能性，肯定尖端和以下部分共同組成一個感光部位的可能性。達(dá)爾文當(dāng)年正是設(shè)計了上述三個實驗來研究植物向光性的。

四、實驗操作步驟設(shè)計不嚴(yán)謹(jǐn)

例4 某學(xué)生為了探究溫度對酶活性的影響，設(shè)計的實驗方法步驟如下：

（1）取3支潔凈的試管，編上號，并且分別注入2 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的可溶性淀粉；

（2）將3支試管分別放在60 ℃左右的熱水、沸水、冰塊中各維持5 min；

（3）取出，分別滴入1 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的新鮮淀粉酶溶液，搖勻后，再在各自溫度中維持5 min；

（4）在3支試管中分別滴入1滴碘液，觀察現(xiàn)象。按照課本實驗原理的推測，沸水和冰塊中的試管應(yīng)變藍(lán)色，而60 ℃左右熱水中的試管不變藍(lán)色。

【分析】該實驗設(shè)計似乎沒有問題，許多教輔材料和習(xí)題集都是這樣設(shè)計的，其實還是值得商榷。根據(jù)實驗設(shè)計的程序，步驟（3）是先將3支盛有可溶性淀粉液的試管處在60 ℃左右熱水、沸水、冰塊中，目的是使淀粉液達(dá)到實驗所要求的不同溫度條件，探索不同溫度對淀粉酶活性的影響。但是，步驟（3）中滴入的是室溫下的淀粉酶溶液，室溫時淀粉酶溶液的溫度一般維持在15 ℃—20 ℃左右，這樣，當(dāng)?shù)稳氲矸勖溉芤汉?，試管中的溫度必然會發(fā)生改變：60 ℃和沸水中的溫度會暫時下降，冰塊中的溫度會暫時上升。另外滴入的淀粉酶溶液量也比較多，與淀粉液溶液的體積比是1∶2，有的資料是1∶1，再加上酶具有高效性這一特點，因此在步驟（3）中，當(dāng)分別滴入淀粉酶溶液后，由于試管中溫度的瞬間改變，尤其是置于沸水和冰塊中的試管內(nèi)溫度的改變，淀粉酶溶液可能很快就將淀粉液給分解了，即使搖勻后，再放入各自的溫度中維持5分鐘，那已經(jīng)沒有什么意義了，在步驟（4）中，再各滴入1滴碘液后，3支試管有可能都不變藍(lán)色。

【改進(jìn)】改進(jìn)后的實驗設(shè)計如下。

（1）取3支潔凈的試管，編號，分別注入2 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的可溶性淀粉液；同時，再取3支潔凈試管，編號，分別注入2 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的新鮮淀粉酶溶液。

（2）將3支盛有淀粉液的試管分別放入60 ℃左右的熱水、沸水、冰塊中，同時，在三種溫度中各放入一個盛有淀粉酶溶液的試管，維持各自的溫度5 min。

（3）將三種溫度下的淀粉酶溶液分別倒入各自溫度下的3支淀粉液試管中，搖勻后，維持各自的溫度5 min。

（4）在3支試管中各滴入1滴碘液，搖勻，觀察其顏色變化。

改進(jìn)后的實驗步驟保證了酶與淀粉溶液一接觸的瞬間就使反應(yīng)處在所要求的溫度條件下，從而自始至終將實驗控制在所要求的條件下，如此實驗才能稱為嚴(yán)密。

五、實驗材料選擇不當(dāng)

探究溫度對酶活性的影響時，我們一般選擇淀粉溶液和淀粉酶做實驗材料，而不采用過氧化氫溶液和過氧化氫酶。原因是：雖然在一定范圍內(nèi)，隨溫度升高，過氧化氫酶活性增大，由過氧化氫酶催化的過氧化氫的分解速率會加快，但是，由于過氧化氫溶液在沒有酶催化的情況下也能自行分解，而且自行分解的速率也會隨著環(huán)境溫度的升高而升高，從而對實驗結(jié)論產(chǎn)生影響。因此如果選擇過氧化氫溶液和過氧化氫酶為實驗材料，來探究溫度對酶活性的影響，則實驗設(shè)計就會不夠嚴(yán)密。而改用淀粉溶液和淀粉酶做實驗，則可避免這種不夠嚴(yán)密的問題。

同樣道理，在探究pH對酶活性的影響時，我們通常選擇過氧化氫溶液和過氧化氫酶作實驗材料，而不用淀粉和淀粉酶，因為在酸性溶液中淀粉會自行水解成麥芽糖、葡萄糖。當(dāng)酸性較強時，也就是pH較小時，酶失活，淀粉水解應(yīng)當(dāng)停止，但由于在酸性溶液中淀粉會自行分解，從而干擾實驗結(jié)果。而過氧化氫溶液的自行分解則不受pH變化的影響。

嚴(yán)密性是實驗設(shè)計的最基本要求，也是最重要的一項要求。缺乏嚴(yán)密性的實驗是沒有說服力的，得出的結(jié)論也是不能讓人信服的。記得艾弗里在做肺炎球菌的轉(zhuǎn)化實驗時，他已將肺炎球菌的DNA提純到了99.98%的純度，只含有0.02%的雜質(zhì)，但他的“肺炎球菌的轉(zhuǎn)化因子是DNA”的結(jié)論，依然沒有能說服當(dāng)時那些挑刺的科學(xué)家，由此可見，實驗的嚴(yán)謹(jǐn)性對于實驗結(jié)論的正確性和科學(xué)性是多么的重要！