淺談高中生物實驗設計中的原則
生物學是一門以實驗為基礎的自然科學，現代生物學的發展尤其依賴科學實驗。結合生物學學科的特點，利用實驗教學培養學生的科學素質將是一個更直接的切入點。就其作用來說，生物學實驗能激發學生的學習興趣，提供學生認知的學習情景，使學生獲得生物學知識；生物學實驗十分突出科學研究的過程、學習科學研究的方法，通過實驗能培養學生的多種能力：實驗觀察能力、實驗操作能力、收集和處理資訊的能力、思維能力、初步研究能力和創造能力。所以，生物學實驗本身的特點及其在生物學教學中的地位決定了它在生物學教學中的有著舉足輕重的重要作用，特別在大學聯考中，佔有相當大的比分。為了提高學生的實驗探究能力，首先要使學生掌握實驗設計應遵循的基本原則。
一、科學性原則
實驗是人為控制條件下研究事物(物件)的一種科學方法；是依據假設，在
人為條件下對實驗變數的變化和結果進行捕獲、解釋的科學方法。科學研究的過程本身就是科學，並不是說研究的結論才是科學方法。因此，在實驗設計中必須有充分的科學依據。生物學實驗中，一種生命現象的發生往往有其複雜的前因後果，從不同角度全面地分析問題就是科學性的基本原則。如綠色植物新陳代謝中的物質代謝有各種細胞的參與，有各種物質在不同方面的變化。分析問題、設計實驗的全面性和科學性體現了邏輯思維的嚴密性。
1.實驗原理的科學性
實驗原理是實驗設計的依據,也是用來檢驗和修正實驗過程中失誤的依據,因此它必須是經前人總結或經科學檢驗得出的科學理論。如2000年全國大學聯考考試題第25題，本題要求學生設計實驗驗證鈣離子在血液凝固中的作用。題中給出了兩個實驗原理；血液中的鈣離子在血液凝固過程中起重要作用，若缺少它則血液不能凝固；草酸鈣溶液能與血液中的鈣離子發生反應，形成草酸鈣沉澱，因此具有抗凝血作用。這兩條原理科學而且完整，學生可由此產生明確的設計思路。
2.實驗材料選擇的科學性
根據實驗目的和實驗原理選擇恰當的實驗材料，是保證實驗達到預期結果的關鍵因素之一。如“還原性糖鑑定實驗”中以蘋果或雪梨細胞組織液為材料，以及“植物細胞質壁分離與復原”實驗中以紫色洋蔥為實驗材料等實驗都是一些經
典的成功選材的範例。
3.實驗方法的科學性
只有科學而嚴謹的實驗方法，才能得出正確而可靠的實驗結果。如鑑定蛋白質的實驗中，根據蛋白質分子在鹼性環境中與硫酸銅反應形成紫色的反應特點，實驗過程中必須先加雙縮脲試劑A液（質量濃度為0.1g/ml的氫氧化鈉溶液），振盪後再加B液（質量濃度為0.01g/ml的'硫酸銅溶液）。而不能反過來，或把A液與B液混合後加入，這樣均不能得到預期的實驗結果。
4.實驗結果處理的科學性
對於實驗過程中得到的一些資料，現象或其它資訊，不能簡單處理，應首先整理後仔細分析，找出它們所能夠透露給我們的最大資訊量。
二、平行復重原則
即控制某種因素的變化幅度，在同樣條件下重複實驗，觀察其對實驗結果影響的程度。任何實驗都必須能夠重複，這是具有科學性的標誌。任何實驗必須有足夠實驗次數，才能避免結果的偶然性，使得出的結論準確、科學。平衡重複原則要求控制某種因素的變化強度，在同樣條件下重複實驗，觀察其對實驗結果的影響程度。由以上實驗設計的特點來看，採用了平行重複的原則來進行，消除了無關變數與額外變數的干擾，可多次重複該實驗，使得實驗結果更加客觀、科學。
三、對照性原則
科學、合理的設定對照可以使實驗方案簡潔、明瞭，且使實驗結論更有說服力。實驗中的無關變數很多，必須嚴格控制，要平衡和消除無關變數對實驗結果的影響，對照實驗的設計是消除無關變數影響的有效方法。由於同一種實驗結果可能會被多種不同的實驗因素所引起，因此如果沒有嚴格的對照實驗，即使出現了某種預想的實驗結果，也很難保證該實驗結果是由某因素所引起的，這樣就使得所設計的實驗缺乏應有的說服力。可見只有設定對照實驗，才能有效地排除其它因素干擾結果的可能性。才能使設計顯得比較嚴密，所以大多數實驗，尤其是生理類實驗往往都要有相應的對照實驗。
如何設定對照實驗呢？所謂對照實驗是指除所控因素外其它條件與被對照實驗完全相等的實驗。對照實驗設定的正確與否，關鍵就在於如何儘量去保證“其它條件的完全相等”。具體來說有如下四個方面：
①所有用生物材料要相同即所用生物材料的數量、質量、長度、體積、來源和生理狀況等方面特點要儘量相同或至少大致相同。
②所用實驗器具要相同即試管、燒杯、水槽、廣口瓶等器具的大小型號要完全一樣。
③所用實驗試劑要相同即試劑的成分、濃度、體積要相同。尤其要注意體積上等量的問題。
④所用處理方法要相同如：保溫或冷卻：光照或黑暗；攪拌或振盪都要一致。有時儘管某種處理對對照實驗來說，看起來似乎是毫無意義的，但最好還是要作同樣的處理。
設定對照組有4種方法：
(1)空白對照：即不給對照組做任何處理；例如，在“唾液澱粉酶催化澱粉”的實驗中，實驗組滴加了唾液澱粉酶液，而對照組只加了等量的蒸餾水，起空白對照。課本中涉及到的用甲狀腺製劑飼餵蝌蚪與正常情況下蝌蚪不作任何處理對照就屬於空白對照；在還原糖鑑定實驗中留一部分樣液不加入斐林試劑，以作對照。
(2)條件對照：即雖給對照組施以部分實驗因素，但不是所研究的實驗處理因素；這種對照方法是指不論實驗組還是對照組的物件都作不同條件的處理，目的是通過得出兩種相對立的結論，以驗證實驗結論的正確性。例如，在“動物激素飼餵小動物”的實驗中，採用等組實驗法，甲組為實驗組(飼餵甲狀激素)，乙組為條件對照(飼餵甲狀抑制劑)；不飼餵藥劑的是空白對照組;課本中涉及到溫度對澱粉酶活性影響的實驗中0℃、100℃等溫度下的對照則為條件對照；，顯然，通過條件對照．實驗說服力大大提高。
(3)自身對照：指對照組和實驗組都在同一研究物件上進行，不再另外設定對照組。例如：“質壁分離與復原”實驗，自身對照簡便，但關鍵要看清楚實驗處理前後的現象及變化差異。將過氧化氫酶加入過氧化氫溶液中證明酶是生物催化劑可催化過氧化氫水解，即自身對照，處理前的物件狀況為對照組，處理後的物件變化為實驗組。課本中涉及到將過氧化氫酶加入H202液中說明酶是生物催化劑，
則屬於自身對照；
(4)相互對照：不單獨設定對照組，而是幾個實驗相互為對照。即實驗與對照在同一物件上進行.這種方法常用於等組實驗中。“植物向光性”實驗中，利用若干組
燕麥胚芽的不同條件處理的實驗組之間的對照，說明了生長素與植物生長彎曲的關係。證明玉米根的生長方向與地心引力的關係實驗中不同方向放置的玉米種子之間則屬於相互對照。在實驗中要找出一個最佳效果點，就要採取相互對照進行實驗。
“實驗組”與“對照組”確認:一個實驗通常分為實驗組和對照組（控制組）。實驗組是施加實驗變數處理的被試組；對照組是不施加實驗變數處理的物件組，兩者對無關變數的影響是相等的，兩組之間的差別，被認為是來自實驗變數的結果，如2005年春季大學聯考題中為研究光對幼苗生長的影響時實驗變數應為撤掉光照，因而暗處生長的小麥幼苗應為實驗組，而自然狀態（即來接受實驗變數處理）的小麥幼苗應為對照組，通過對照組能增強實驗的信度。
四、單因子變數原則和等量性原則
此兩個原則都是在設計對照實驗時必須堅持的原則。所謂單因子變數原則，強調的是實驗組和對照組相比只能有一個變數，只有這樣當實驗組和對照組出現不同結果時，才能確定造成這種不同結果的原因肯定是這個變數造成的，從而證明實驗組所給實驗因素的作用。因此在設計對照組實驗時首先要確定變數並加以正確設定，至於將誰作為變數則很容易確定，即要驗證誰則把誰作為變數，也就是要把所要驗證的中心條件作為變數。如要探索PH對澱粉酶活性的影響，則需把PH作為變數；要驗證光合作用需要光則應將光作為變數；要驗證光合作用需二氧化碳則把二氧化碳作為變數等等。等量性原則與單因子變數原則是完全統一的。只不過強調的側面不同，單因子變數原則強調的是實驗變數的單一性，而等量性原則強調的是除了實驗變數之外的一切對實驗結果有影響的無關變數必須嚴格控制等量即相同，以平衡和消除無關變數對結果的影響，需要強調的是這些無關變數在進行嚴格控制時，不但要等量，而且是在適宜條件下的等量，常態條件下的等量。如在探索PH對酶活性影響的實驗中，單一變數是PH，除PH之外的其他一切對酶活性有影響的無關變數不但要嚴格控制等量，而且要適宜的量，如對溫度的控制不但要相同，而且要適宜，即要給予酶活性所需的適宜的溫度，而不能控制在低溫或高溫條件下的等量。
不論一個實驗有幾個實驗變數，都應確定一個實驗變數對應觀測一個反應變數，這就是單一變數原則，它是處理實驗中的複雜關係的準則之一。
①實驗變數與反應變數：實驗變數是實驗中由實驗者操縱的因素或條件，是作用於實驗物件的刺激變數（也稱自變數），自變數須以實驗目的和假設為依據，應具有可變性和可操作性。反應變數（又稱因變數），是隨自變數變化而產生反應或發生變化的變數，反應變數是研究是否成功的證據，應具可測性和客觀性。
二者關係：實驗變數是原因，反應變數是結果，即具因果關係。例如：關於“唾液澱粉酶水解澱粉”的實驗中，“低溫(冰塊)、適溫(37℃)、高溫(沸水)就是實驗變數，而這些變數引起的實驗變化結果就是反應變數。該實驗旨在獲得和解釋溫度變化(實驗變數)與酶的活性(反應變數)的因果關係。
②無關變數與額外變數：無關變數（控制變數）是指實驗中除實驗變數外的影響實驗結果與現象的因素或條件。即是指與研究目標無關，但卻影響研究結果的變數.，實驗者應嚴格控制無關變數，否則實驗結果的真實性無法得到認定、我們常在實驗過程中強調“選取生長狀況相同的幼苗”“數量大小相同的種子”“置於相同並適宜條件下培養”“加入等量的清水”等均是為了控制無關變數對實驗結果的干擾。由無關變數引起的變化結果就叫額外變數。
二者關係：也是前因後果的關係。但它們的存在對實驗與反應變數的獲得起干擾作用。例如：“唾液澱粉酶實驗”中，除實驗變數(溫度)外，試管的潔淨程度、唾液的新鮮程度、澱粉濃度、溫度處理的時間長短等等就屬於無關變數。如無關變數中的任何一個或幾個對三組實驗不等同、不均衡，就會產生額外變數，影響實驗的真實結果。實驗變數，或稱自變數，指實驗假設中涉及的給定的研究因素。反應變數，或稱因變數，指實驗變數所引起產生的結果或結論。而其他對反應變數有影響的因素稱之為無關變數，觀察其對實驗結果的影響。
【案例剖析】例如，生物課本內溫度對酶活性影響的實驗中：實驗變數是低溫（冰水），適溫(60℃），高溫（沸水）；酶的活性變化即反應變數；試管的潔淨度，澱粉酶的稀釋度，可溶性澱粉的濃度，碘液的量和濃度，溫度處理時間，操作程式等是無關變數。實驗中不論有幾個實驗變數，都應做到每個自變數對應一個因變數，此外還要做到操作規範。在實驗設計、實施的全過程中，應嚴格操縱實驗變數，嚴格控制無關變數，儘可能消除誤差，獲取較為精確的反應變數。