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生物教學(xué)論文:生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中干擾性因素分析及其排除
生物教學(xué)論文:生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中干擾性因素分析及其排除吳舉宏
�。ńK省中小學(xué)教學(xué)研究室．江蘇南京2100013）
無論是實(shí)驗(yàn)設(shè)計，還是實(shí)驗(yàn)實(shí)施和實(shí)驗(yàn)分析，分析和排除實(shí)驗(yàn)中干擾性因素是科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，也是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中要加以重視的一項(xiàng)重要實(shí)驗(yàn)技能。本文從學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計方案中出現(xiàn)的錯誤案例說起，以中學(xué)生物學(xué)典型試題為例，探討和總結(jié)實(shí)驗(yàn)中干擾性因素的一般來源及其常見排除方法。
一、從學(xué)生作業(yè)中的錯誤說起
試題1：血糖含量的相對恒定是保證動物機(jī)體進(jìn)行正常生理活動的重要條件，一旦機(jī)體內(nèi)血糖含量過低，細(xì)胞的正�；顒觿t受到影響，動物會出現(xiàn)驚厥、昏迷等現(xiàn)象。為了驗(yàn)證“胰島素具有降低血糖的生理作用”，請以小白鼠為實(shí)驗(yàn)對象設(shè)計實(shí)驗(yàn)步驟，預(yù)測實(shí)驗(yàn)應(yīng)出現(xiàn)的結(jié)果，并寫出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。
（一）實(shí)驗(yàn)材料和用具：小白鼠4只；鼠籠2個；胰島素溶液；50%葡萄糖溶液；生理鹽水；注射器若干個。
（二）實(shí)驗(yàn)步驟：（實(shí)驗(yàn)提示：采用腹腔注射給藥，給藥劑量不作實(shí)驗(yàn)設(shè)計要求）
第一步：將4只小白鼠分為實(shí)驗(yàn)和對照兩組，每組2只。
實(shí)驗(yàn)結(jié)論：
學(xué)生作業(yè)答案：第二步：在實(shí)驗(yàn)組小鼠腹腔下注射適量的胰島素，在對照組小鼠腹腔下注射等量的生理鹽水，置于30℃～37℃相同環(huán)境中；觀察并記錄小鼠活動狀況。第三步：給兩組小鼠均注射等量的葡萄糖溶液；觀察并記錄小鼠活動狀況。
實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：實(shí)驗(yàn)組小鼠被注射胰島素后出現(xiàn)驚厥、昏迷等現(xiàn)象，在注射葡萄糖溶液后恢復(fù)正常：而對照組小鼠被先后注射生理鹽水、葡萄糖溶液后均正常。
實(shí)驗(yàn)結(jié)論：實(shí)驗(yàn)鼠出現(xiàn)驚厥、昏迷是因?yàn)檠墙档鸵鸬模墙档褪且葝u素作用的結(jié)果。
試題2：利用下列裝置（見圖1），設(shè)計一個驗(yàn)證呼吸作用產(chǎn)生C02的裝置圖。
錯誤分析：通過以上兩道試題的學(xué)生答案，我們不難看出，由于實(shí)驗(yàn)中的干擾性因素沒有排除，因此按照學(xué)生的思考和設(shè)計，是不能達(dá)到理想且科學(xué)的實(shí)驗(yàn)效果的。試題1中，由于在注射胰島素之前，沒有對“兩組小白鼠饑餓處理18~24h”，因此小白鼠肝臟中貯存的肝糖元等因素會在一定程度上影響胰島素作用的發(fā)揮，使實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象不明顯或不發(fā)生；試題2中，學(xué)生沒有考慮到“空氣中含有C02”，因此沒有排除空氣中C02，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和結(jié)論都沒有說服力，從而缺乏實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性。有的學(xué)生解答試題2時，考慮到了要排除空氣中的C02，于是按照“B→A→C”的順序設(shè)計實(shí)驗(yàn)裝置，但是因?yàn)閷Α芭懦諝庵械腃02”的因素考慮得不徹底或不嚴(yán)謹(jǐn)，沒有確認(rèn)經(jīng)過B裝置后空氣中的C02確實(shí)已經(jīng)被除盡，因此實(shí)驗(yàn)步驟還是不夠嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)。
二、干擾因素的來源及其排除
1．來自實(shí)驗(yàn)材料
由于所采集的生物材料在實(shí)驗(yàn)前的代謝過程中產(chǎn)生的某些代謝產(chǎn)物對實(shí)驗(yàn)所要展開的研究存在干擾，或生物材料本身的活動狀態(tài)與實(shí)驗(yàn)的要求不相符合，從而影響實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象及其相關(guān)的生理過程的發(fā)生。那么在實(shí)施本實(shí)驗(yàn)前必須通過一定的實(shí)驗(yàn)步驟消除先前的代謝產(chǎn)物，或?qū)?shí)驗(yàn)生物的活動狀態(tài)調(diào)適到符合實(shí)驗(yàn)要求。(教學(xué)論文 www.thephantastics.com)舉例說明如下：
試題3：某同學(xué)從一本《植物生理學(xué)》中查到“幼嫩葉片可產(chǎn)生生長素，生長素阻止葉柄脫落”的結(jié)論，于是他設(shè)計了一個實(shí)驗(yàn)，想證實(shí)該結(jié)論。他的實(shí)驗(yàn)步驟為：(1)取一盆生長狀況良好的植物，去掉幼葉的葉片（如圖3所示）；(2)觀察幼葉葉柄的脫落情況。請你用所學(xué)知識，評價該同學(xué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計。
分析：該同學(xué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計明顯存在兩個錯誤：一是沒有設(shè)置對照實(shí)驗(yàn)，另一個方面的錯誤就是沒有考慮到頂芽也能產(chǎn)生生長素，并且向下運(yùn)輸至幼葉葉柄處，阻止幼葉葉柄的脫落，從而影響實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的發(fā)生。因此實(shí)驗(yàn)前必須去掉頂芽，排除其對實(shí)驗(yàn)的干擾。
此外，例如“驗(yàn)證植物在光照下光合作用合成淀粉”的實(shí)驗(yàn)，需要將實(shí)驗(yàn)植物放置在黑暗中24h，以便將植物葉片中原有的淀粉分解，以排除實(shí)驗(yàn)前植物光合作用已經(jīng)合成的淀粉對實(shí)驗(yàn)的干擾；同時，為了排除葉片中色素對碘一淀粉反應(yīng)的顏色觀察，需要將葉片浸在盛有酒精的小燒杯中，并放人大燒杯內(nèi)隔水加熱，使葉片中的色素溶解在酒精中，直到葉片褪去綠色，變成黃色，然后取出變黃的葉片，用清水漂洗干凈，再放在培養(yǎng)皿中，滴加碘液。再如，在做“探究低溫環(huán)境對小鼠耗氧量的影響”的實(shí)驗(yàn)時，必須等實(shí)驗(yàn)小鼠安靜后方能開始實(shí)驗(yàn)，否則驚嚇躁動的小鼠其耗氧量必定很高，其檢測結(jié)果必然影響實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。
2．來自實(shí)驗(yàn)環(huán)境
實(shí)驗(yàn)的外部環(huán)境條件，如溫度、濕度、空氣（氧氣、二氧化碳等）、大氣氣壓、光照等諸多因素，都有可能對實(shí)驗(yàn)的生理過程產(chǎn)生干擾，或?qū)?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的檢測產(chǎn)生影響，從而干擾實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象發(fā)生和實(shí)驗(yàn)因變量的檢測。為了使實(shí)驗(yàn)的結(jié)論科學(xué)、準(zhǔn)確，就需要采取一定的措施，消除這些來自環(huán)境中的干擾因素。
試題4：圖4是測定鮮櫻桃呼吸速率的密閉裝置。
(1)關(guān)閉活塞，在適宜溫度下，30min后，讀取裝置有色液滴中有色液滴向____（填“左”或“右”）移動的距離。
(2)為了使測得的有色液滴移動數(shù)值更準(zhǔn)確，必須進(jìn)行校正。校正裝置的容器和小瓶中應(yīng)分別放入____、____。
(3)如果用綠色植物幼苗來替代消毒的鮮櫻桃，為完成該實(shí)驗(yàn)的目的，實(shí)驗(yàn)時還須注意哪些事項(xiàng)？____。
分析：該實(shí)驗(yàn)通過裝置內(nèi)NaOH溶液吸收呼吸作用產(chǎn)生的C02，由于鮮櫻桃呼吸作用需要不斷消耗裝置內(nèi)的02，從而引起裝置內(nèi)外的氣壓差的變化，而裝置內(nèi)外氣壓差的變化會影響有色液滴的移動距離，以此來研究鮮櫻桃的呼吸速率。但是外界的溫度等因素的變化，會非常明顯地影響裝置內(nèi)外的氣壓差，從而影響實(shí)驗(yàn)的精確性和科學(xué)性。為了排除外界溫度等因素的影響，使測得的有色液滴移動數(shù)值更準(zhǔn)確，必須設(shè)置實(shí)驗(yàn)進(jìn)行校正：校正裝置的容器和小瓶中應(yīng)分別放入與實(shí)驗(yàn)組等量消毒的無活性的櫻桃、與實(shí)驗(yàn)組等量的20%NaOH溶液。而如果用綠色植物幼苗來替代消毒的鮮櫻桃，來進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時還須注意在黑暗中完成該實(shí)驗(yàn)，或?qū)⒀b置中的容器一律改為相同的不透光的容器，以避免光合作用對該實(shí)驗(yàn)的干擾，因?yàn)楣庹障轮参锏墓夂献饔脮誄02、釋放02，從而明顯影響實(shí)驗(yàn)的氣壓差。再如，前文試題2中，如果不除盡空氣中的CO2，會嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)論的科學(xué)性和說服力。
3．來自前面操作
在實(shí)驗(yàn)中有時前面的實(shí)驗(yàn)操作步驟，可能會干擾后面的實(shí)驗(yàn)過程，從而影響實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。例如，高中生物教材中“脂肪的鑒定”實(shí)驗(yàn)中，首先用滴管在花生子葉薄片上滴2—3滴蘇丹Ⅲ染液，染色2~3min；然后用吸水紙吸取花生子葉薄片周圍的染液，在薄片上滴l—2滴體積分?jǐn)?shù)為50%的酒精溶液，此處酒精溶液的作用就是為了洗去浮色，便于后面顯微鏡下觀察得更清晰。再如，“觀察植物細(xì)胞的有絲分裂”實(shí)驗(yàn)中，解離時所用的鹽酸溶液，會影響后面龍膽紫溶液的染色效果，因此在解離后染色前要進(jìn)行漂洗，以洗去解離液，有利于染色。
4．來自實(shí)驗(yàn)設(shè)計
有些實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的干擾性因素是來自實(shí)驗(yàn)者設(shè)計的實(shí)驗(yàn)方案本身，比如實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)少，偶然性因素顯著干擾實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。有些實(shí)驗(yàn)由于實(shí)驗(yàn)生物的個體差異，無法通過上述方法消除干擾，而為了確保實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性，需要通過實(shí)驗(yàn)生物的巧妙搭配來消除干擾，遵循“單一因子變量”原則。
試題5：研究人員從人體的DNA中篩選克隆出內(nèi)皮抑素基因，將此基因轉(zhuǎn)移到雙歧桿菌中，使其能夠正常表達(dá)。用這樣得到的雙歧桿菌制成口服制劑，此制劑可以用于抑制癌癥。在這種藥物用于臨、床治療之前，應(yīng)該先進(jìn)行動物實(shí)驗(yàn)，以確定制劑對機(jī)體內(nèi)重要臟器的安全性。寫出簡要的實(shí)驗(yàn)設(shè)計方案。
實(shí)驗(yàn)材料：轉(zhuǎn)基因雙歧桿菌口服制劑；健康鼠4只，性別、體重如下表所示：
實(shí)驗(yàn)設(shè)計：
�、俚谝徊剑簩�(shí)驗(yàn)鼠分為實(shí)驗(yàn)組、對照組，其中
為實(shí)驗(yàn)組，____為對照組（填寫代號）。
�、诘诙剑好咳諡樾∈筇峁___食物和水：給實(shí)驗(yàn)組定時服用____，同時給對照組服用____。
�、鄣谌剑猴曫B(yǎng)相同時間后，分別解剖觀察實(shí)驗(yàn)組、對照組的鼠，檢查重要臟器發(fā)生病變情況。
分析：本試題參考答案為：①甲與丁（乙與丙）乙與丙（甲與�。�；②等量相同的雙歧桿菌制劑等量的水。在實(shí)驗(yàn)時，不管如何挑選，小鼠在性別、體重等方面總是存在差異的，甚至有時這種差異還非常顯著，而且對每只小鼠進(jìn)行單獨(dú)處理，也無法消除這種差異。為了遵循實(shí)驗(yàn)“單一因子變量”原則，可以通過增加實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)量和合理搭配來消除差異干擾。例如，甲與丁、乙與丙的相互搭配，可以有效消除小鼠性別、體重的差異對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾。
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