starking20131214:生物学实验中的有关变量

1、变量的概念
什么是变量？变量主要有几种？变量是指在量上或质上可变的事物的属性。如，光的强度可以由弱变强，属于量的变量。又如，植物叶片的颜色，这些是质的变量。质的变量有时也可以用数字代替类别，以便于统计分析。
变量包括自变量、因变量；相关变量（包括自变量、额外变量）、无关变量等。
2、自变量、因变量的概念
在自然科学中，常用数学方程式来描述一些现象。在实验中实验者所操纵的、对实验对象的反应产生影响的变量称为自变量。由操纵自变量而引起的实验对象的某种特定反应称为因变量。
例1：验证二氧化碳有无会影响光合作用过程中气体产生。
这个实验中，二氧化碳的有无是自变量，光合作用过程中气体的产生就是因变量。
因此，自变量和因变量是相互依存的，没有自变量就无所谓因变量，没有因变量也无所谓自变量。
3、相关变量、无关变量的概念
凡是对因变量直接产生影响的实验条件都称为相关变量，而对因变量不直接产生影响的实验条件称为无关变量。
例2：为了验证叶片在光合作用和呼吸作用过程中有气体的产生和消耗，请用所提供的实验材料与用具，在给出的实验步骤和预测实验结果的基础上，继续完成实验步骤的设计。
实验材料与用具：烟草幼苗、试管两支、蒸馏水、NaHCO3稀溶液（为光合作用提供原料）、真空泵、暗培养箱、日光灯（实验过程中光照和温度等条件适宜，空气中O2和CO2在水中的溶解量及无氧呼吸忽略不计）。
实验步骤和预测实验结果：
（1）剪取两小块相同的烟草叶片，分别放入盛有等量蒸馏水和NaHCO3稀溶液的两支试管中。此时，叶片均浮在液面上。
（2）用真空泵抽去两支试管内液体中和叶肉细胞间隙中的气体后，敞开试管口，可观察到叶片均下沉到试管底部。
（3）……
例2中影响叶片在光合作用和呼吸作用过程中有气体的产生和消耗的因素有：光照强度、光照的有无、光质、光照时间、光合面积、温度、矿质元素、二氧化碳的浓度、pH、植物种类、植物的年龄等。这些因素都应是相关变量。而实验者是谁、实验者的性别、实验所用的试管、所用的真空泵、实验用的植物高矮、叶片形状、植株的形态等对实验结果无直接影响，是为无关变量。
4、额外变量、控制变量的概念，控制额外变量意义
在相关变量中，实验者用以研究的变量称为自变量，实验者不用于研究的那些相关变量称为额外相关变量，或简称为额外变量。在实验中，额外变量是必须加以控制的。如果不控制额外变量，就会弄不清因变量的变化是由自变量的影响引起的，还是由因额外变量的变化引起的。因而就无法得出明确的结论。由于在实验中额外变量是必须加以控制的，所以额外变量也被称为控制变量。评价一项实验设计的好坏的一个重要依据就是看研究者能否成功地控制那些额外变量。
在例2中：幼苗的年龄；两试管中叶圆片取的位置的、多少；实验室的温度；开始时溶液中的氧气浓度；实验的时间等这些都不是我们要研究的，属于额外变量，即控制变量。二氧化碳的有无、有光和无光是自变量。额外变量要控制稳定，才能确认二氧化碳有无、光照的有无如何影响光合作用和呼吸作用过程中气体的产生和消耗。
5、复合自变量
研究者把几个不同的自变量当作一个复合自变量来操纵，以确定它们的综合效应。例如，研究影响光合作用因素实验时，可以这样研究，一组是各种条件都充足的，另外一组的条件是，既缺少二氧化碳，光照强度又弱。设计这种实验的目的并非要鉴别出某个变量的作用，而是考察其综合效应。
6、多自变量及实验方法
研究者在实验中要单独研究两个或两个以上的自变量，以确定他们各自的效应。
例3，研究二氧化碳有无、光照有无对光合作用的影响。
如何做这个实验呢？
首先要注意单一变量原则，它有两层意思:一是确保“单一变量”的实验观测,即不论一个实验有几个实验变量,都应做到一个实验变量对应观测一个反应变量;二是确保“单一变量”的操作规范,即实验实施中要尽可能避免无关变量及额外变量的干扰。因此这个实验可有两种方法去做：
一种方法：有光的情况下做两组实验：有二氧化碳情况下实验；无二氧化碳情况下实验。这里把有光当成控制变量，把二氧化碳确认为变量。
      无光的情况下做两组实验：有二氧化碳情况下实验；无二氧化碳情况下实验。这里把无光当成控制变量，把二氧化碳确认为变量。
一种方法：有二氧化碳的情况下做两组实验：有光情况下实验；无光情况下实验。这里把有二氧化碳当成控制变量，有光无光为自变量。
     无二氧化碳的情况下做两组实验：有光情况下实验；无光情况下实验。这里把无二氧化碳当成控制变量。　
我们可用第一种方法，也可用第二种方法。
如例2：由于该实验只给了两个试管，一个有CO2，一个无CO2，并且实验的前两步已经确定，因此该实验应用第一种方法来做：
将这两支试管放在日光灯下，照光一段时间。结果：NaHCO3稀溶液中的叶片上浮，蒸馏水中的叶片仍在试管底部。
再将这两支试管放在暗培养箱中一段时间。结果：NaHCO3稀溶液中的叶片下沉，蒸馏水中的叶片仍在试管底部。
不能将一个有二氧化碳的试管放在光（或暗处），一个无二氧化碳的试管放在暗处（光下），这样就违背了单一变量原则。也不能将两个试管先放在暗处然后再放在光下，因为先放在暗处试管中无氧气，不能进行呼吸作用，无二氧化碳不能进行光合作用，这样不能完成实验目的。
这是一个由多个自变量构成的实验，这种实验的优点：
（1）做一项多自变量的实验比分别做多个实验效率高。
（2）做一项实验研究比分别做多项实验研究易于使控制变量保持恒定。
（3）最重要的是，在几个变量同时并存的情况下所概括的实验结果比从几个单独实验所概括的结果更有价值，更接近实际生活。
最简单的多自变量的实验包括两个自变量，每个自变量有两个水平，把这样的实验设计称为22设计。本题就属于该种类型。
总之，生物实验中有自变量和因变量之分，有相关变量和无关变量之分。相关变量又包括自变量和额外变量。