加载中…萨克斯的实验中的实验组和对照组
(2011-10-20 08:51:06)
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实验组与对照组的判定
陕西省神木县第七中学（719300）刘元
《中学生物教学》2010第10期：文章编号1005一2259(2010)10一0034一03
本次基础教育课程改革“科学领域”课程的一个突出特点是“探究”。新课程中的科学探究不仅仅是一种“学习方式”，而且也是课程的重要“学习内容”，其中实验是科学探究的一个重要组成部分，这就要求学生在实验过程中能够“确认变量”，“设计对照实验"[1]。区分实验组与对照组就成为中学生进行实验探究必须具备的能力。
然而，许多学生乃至相当数量的学科教师对实验组与对照组的判定仍有困惑，甚至有些专家学者对实验组与对照组的判定也存在分歧。例如，对“萨克斯实验”——“1864年，德国科学家萨克斯将绿色叶片放在暗处几小时，然后把此叶片一半遮光，一半曝光。经过一段时间后，用碘蒸气处理叶片，成功地证明了绿色叶片在光合作用中产生了淀粉”，全国初中毕业升学考试生物学科评价课题组赞同“遮光处为对照实验,”[2]，人教版教材主编的观点则与此截然相反——“人为地将一半叶片遮盖起来，让光照这一因素处于缺失状态，这一组应当属于实验组，曝光的一半叶片则属于对照组”[3]。
那么，应该如何判定实验组与对照组？
1 明确变量
实验中的变量，指的是可被操纵的特定因素或条件。对照实验中的变量有4种，分别为自变量、因变量·无关变量和额外变量。［4］一[7]
自变量，即实验变量、实验因子，指实验中人为改变的因素或条件；因变量，即反应变量，指实验中由自变量所引起的变化和结果。一般来说，自变量是原因，因变量是结果，二者具有因果关系；实验的目的在于分析和解释这种因果关系，从因果关系中获得科学的结论。在对照实验的设计中，要求自变量单一，由自变量而产生的因变量，可能是一个，也可能是两个、三个甚至多个。
无关变量，即控制变量，指实验中除自变量以外的影响实验现象和结果的其他因素或条件；额外变量，即干扰变量，指实验中由无关变量所引起的变化和结果。无关变量和额外变量也具有因果关系，但无关变量和额外变量并不是本实验中所要研究的实验变量。在实验中，必须对无关变量进行控制，以消除无关变量对实验结果的影响。
2 确定对照实验的设计方法
依据实验目的，可以将对照实验的设计方法分为两种：
2.1 添加法
运用的是加法原理——给研究对象施加自变量进行干预，探索因变量[3]。也就是说，实验的目的是为了探求某一变量会产生什么结果，即知道自变量，不知道因变量。为了“探求结果”，将这一变量添加到一实验中，看它会产生什么影响。例如，为了探究“光对鼠妇生活的影响”，将10只左右的鼠妇放在具有阴暗和明亮两种环境的实验装置的中央，进行观察、记录；这里自变量是“光”，将这一变量（明亮）添加到实验中，看它对“鼠妇的生活有什么影响”。中学科学课程中的大多数对照实验，采用的都是添加法的实验设计方法。
2.2 排除法
运用的是减法原理——排除自变量对研究对象的干扰，同时尽量保持被研究对象的稳定［3,7]。具体而言，结果已知，但不知道此结果是由什么原因导致的，实验的目的是为了探求确切的“原因变量”。为了“追踪求源”，将某一变量人为地去除掉，看是否还能够产生这一结果；如果产生了这一结果，则自变量不是原因变量，将其从原因中排除；如果没有产生此结果，则自变量和因变量存在因果关系。例如，为了探究“鱼的尾鳍在游泳中的作用”，可以用剪掉鱼尾鳍的方法来比较它和正常鱼游泳的区别。排除法的实验设计在中学科学课程中并不多见。
3 判定原则
原则一：针对添加法的对照实验（加法原理、探求结果）：有自变量的一组事物为实验组，无自变量的一组为对照组。
原则二：针对排除法的对照实验（减法原理、追踪求源）：无自变量的一组事物为实验组，有自变量的一组为对照组。
具体而言，要判定对照实验中的实验组和对照组，首先要明确自变量和因变量；其次要分析实验目的和方法—这一实验是为了探求结果（添加法），还是为了追踪求源（排除法）；最后做出判定—如果是为了探求结果，则有自变量的组别为实验组；如果是为了追踪求源，则无自变量的组别为实验组。
运用上述判定原则，需要注意以下问题：
(1)判定的基础是全面的背景情境介绍。背景资料不全，就难以判断实验的设计者已经知道了什么，想知道什么，也就无从得知他实施对照实验的方法。例如，在光合作用的发现实验中，一张叶片一半遮光，一半曝光，哪一个是实验组？哪一个是对照组？在这里，背景情境的介绍非常有限，我们无从知道光合作用的发现实验是为了探求“有光时，叶片能够产生什么产物”，还是“知道淀粉的产生，想知道淀粉是否是由光的参与产生的”。背景资料不全面，难以让人做出判断。
(2）要明确实验的目的。实验目的不明确，就无法判定对照实验中哪一个组别是实验组，哪一个组别是对照组；实验目的是因人而异的—同一实验，针对不同的人，有不同的目的，会做出不同的判定结果。例如，研究酶的活性时，3个组别的温度分别控制在0℃、37℃和80℃，哪一个是实验组？哪一个是对照组？这就要看（不同人的）实验目的了。如果是为了探究酶在37℃条件下的催化特性，那么80℃和0℃的组别为对照组。如果是为了探究酶在80℃条件下的催化特性，那么0℃和37℃的组别为对照组。实验目的不同，判定结果会大相径庭。
(3）对照实验方法的判定因人的不同经历而异。具有不同生活经历的人，可能会对同一对照实验的方法做出相反的判定。例如，来自两个不同地区的学生在探究“酸雨的危害”实验时，对A组小麦籽“喷洒酸雨”，对B组小麦籽“不喷洒酸雨”；哪一组为实验组，是因人的不同经历而异的。来自于环境保护良好的地区的学生说，“喷洒酸雨”是人为添加的因素，此实验运用的是添加法，“喷洒酸雨”的A组为实验组。但是，来自多年来大气污染严重、经常下酸雨的地区的学生却说，“不喷洒酸雨”是人为去除的，“不喷洒酸雨”的B组为实验组。人的经历的不同、知识结构的差异，会导致对实验方法的判定的不同。
4不具普适性的判定原则
(1）含有自变量的实验为实验组，不含自变量的实验为对照组。
反例：探究“蚂蚁触角的功能”的实验，将若干数量的蚂蚁随机分为两组，第一组保留触角，第二组去除触角，然后观察蚂蚁的行为。这一实验设计的方法是排除法。此实验中，触角是自变量，去除触角的组别不含自变量，是实验组，保留触角的组别含自变量，是对照组。[8]
(2)对实验变量进行处理的为实验组，没有处理的为对照组。
反例：为了解土壤微生物是否能分解农药，并尽快得出实验结论，有人用“敌草隆”（一种除草剂）进行了实验。取等量砂土分装于相同的两容器中，A组高压灭菌，B组不灭菌，哪一组为实验组，哪一组为对照组？显然，经过高压处理的A组为对照组，没有处理的、处于自然状态的B组为实验组。
(3）与实验假设一致的实验为实验组，不一致的为对照组。
依据此原则，难以判定哪一组是实验组，哪一组为对照组，因为许多探究实验是不做假设的，甚至有些实验就无法做出假设。下列两个反例就可以推翻此判定原则。
反例1：为了探究“湿度对霉菌生活的影响”，将两个馒头分别置于塑料袋中，结扎袋口，一个实验装置放在温暖环境里，另一个实验装置放在低温环境里。此探究实验可以做出这样的假设：“馒头在温暖环境里易发霉，在低温环境里不易发霉”，实验假设指向两个不同的方面。此实验也可以在无假设的情况下予以实施。
反例2：为了探索生长素类似物促进插条生根的最适浓度，可以设计一组浓度梯度，生长素类似物的浓度从高到低分别为10-6mol·L-、10-8mol·L-、10-10mol·L-、10-12mol·L-、10-14mol·L-……实际上，此组实验中的每个实验都被添加了一个自变量，为相互对照，因为每个实验中都含有自变量，所以每个实验都是实验组（同时也都是对照组）。此探究实验无法做出假设，也不能依据上述原则进行判定。
5应用：对萨克斯实验的分析
对萨克斯实验的判定的分歧，主要原因在于对萨克斯进行实验的背景材料的了解不充分，人们对“萨克斯已经知道了什么”“想知道什么”等问题不是特别清晰，对“萨克斯想探究什么问题”不明了。其实，在萨克斯1864年进行实验之前的“1774年，普利斯特列发现，如果把绿色植物放在被小鼠‘弄坏’过的空气中停一段时间，这种空气就可以再一次恢复维持生命的功能。1780年，英根豪茨(Ingenhousz）证明植物的这种作用只有在日光下才能发生”[8]“他还发现，光照下的绿色植物能够释放气体”[9]，“后来，科学家们了解了空气的组成成分，明确了这种气体就是氧气”［9］。而且，“科学家们已经证实，只有淀粉遇碘呈现蓝色，淀粉燃烧时能够生成二氧化碳和水，因而它是一种有机物”［9］。
简言之，实验前萨克斯已经知道：绿色植物在光下，吸收空气中的二氧化碳，释放氧气；由萨克斯“把绿叶放在暗处数小时，消耗叶片中部分营养物质”，我们推断，他已经知道叶片中有营养物质。根据上述前提可知，萨克斯要探究的问题是“营养物质是否是因‘光’而生”，并不是“在光的参与下，绿色植物能够产生什么”。也就是说，他的实验设计方法是排除法，光是自变量，则叶片的遮光部分属于实验组，暴露在光下的部分属于对照组。
参考文献
[1]中华人民共和国教育部．全日制义务教育生物课程标准（实验稿）[M]．北京：北京师范大学出版社，2001:2,8.
[2]全国初中毕业升学考试生物学科评价课题组．生物20(”年中考命题指导丛书[M]．南京：江苏教育出版社，2004:103.
[3］赵占良．人教版高中生物课标教材中的科学方法体系[J].中学生物教学，2007(3):4一7.
[4］陶海滨．高中生物学实验题中的理论及解题探讨[J]．生物学通报，2008(7):49一51.
[5」李敬红．变量的确认与控制[J]．生物学通报,2003(5):36一37.
[6〕王涛·生物学对照实验设计应该注意的几个问题〔J]·教育革新，2008(9):53.
[7]王学宏．生物实验设计的变量与控制[J]．中学生物学，2006(11）:38.
[8]［英」W.C．丹皮尔．科学史[M]．北京：商务印书馆，1975:362
[9］刘恩山．义务教育课程标准实验教科书生物学（七年级上册）[M]．北京：北京师范大学出版社，2005.70.
《中学生物教学》2010第10期：文章编号1005一2259(2010)10一0034一03
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