卡罗德钢琴好吗:生物实验中多自变量与实验设计

1、 明确实验目的

要答出题目要求，首先要知道实验的目的的什么，因它是答实验题的指南。本题的实验目的：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。包括两个含义：验证叶片在光合作用过程中有气体的产生和消耗；验证叶片在呼吸作用过程中有气体的产生和消耗。

找到实验目的后，先看是探究性实验还是验证性实验。探究性实验是对未知结果的问题的探索，结果是不确定的是需要讨论的，而验证性实验是对已知结果的问题进行验证，结果是确定的，是不需要讨论的。本题是验证性实验。

2、 变量的确定

3．1自变量的概念

要完成实验目的，要分析实验原理，因为实验原理不同，实验方法步骤不同。要分析实验原理，首先要确认变量。变量包括自变量、因变量、无关变量等。

自变量又称之为操作变量、实验变量，是实验中实验者所操纵的、对被测的反应产生影响的变量。自变量往往就隐藏在实验目的中。对于光合作用、呼吸作用的生理过程而言，只能通过控制光合作用和呼吸作用的条件来控制光合作用和呼吸作用的生理过程。本题的自变量一定是影响光合作用和呼吸作用的因素。

3．2验证叶片在光合作用过程中有气体的产生和消耗，是一个多自变量的实验。

影响光合作用的因素有：光照、CO₂、矿质等。通过本题的实验材料、用具和所给出的步骤，我们看到本题中涉及到的影响光合作用的因素是：CO₂和光照。

在实验步骤中有两只试管：一支有CO₂ (NaHCO₃)，一支无CO₂ (NaHCO₃)，这是一个自变量。本题中：有NaHCO₃的试验（可能进行光合作用）就是实验组；无NaHCO₃的试验（不能进行光合作用）应是空白对照组。而在实验用具中，又给出了日光灯和暗培养箱，这又是另外一个自变量。有光植物才能进行光合作用，所以这一组才是实验组，暗培养箱的一组是对照组。

这样两个自变量的关系可用表来表示：

有光

CO₂

无CO₂

无光

CO₂

无CO₂

这是一个由多个自变量构成的实验，这样做的优点是：

（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2×2设计。本题就属于该种类型。

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：

一种方法是：一个有CO₂的试管和一个无CO₂的试管，都放在日光灯下。在这个实验中有、无CO₂是自变量，而日光灯则提供的是控投制变量（在有关变量中，实验者不打算研究的变量叫做额外的有关变量，简称额外变量。控制变量——额外变量必须加以控制，所以我们也把额外变量叫做控制变量。）；另取两个同样试管放在暗培养箱中。这里有、无CO₂还是自变量，无光是控制变量。

另一种方法是：取两试管都有CO₂，一个放在光下，一个放在暗处。自变量是有、无光照，而有CO₂是控制变量。（不能只取一个有CO₂的试管先放光下后放暗处，否则在前后两个实验中CO₂不能保持恒定，就不能成为控制变量了）。 另取两试管里面都放蒸馏水无CO₂，一个放在光下，一个放在暗处。这里光的有无是自变量，无CO₂是控制变量，也不能只取一试管先放光下后放暗中。

由于该实验的步骤中，只给了两个试管，一个有CO₂，一个无CO₂，用第一种方法和第二种方法做光合作用的实验都行不通，只能把第一种方法改动一下。可先将两试管先放在光下后放在暗培养箱中，也可先将两个试管放在暗培养箱中再放在光下。因为自变量是CO₂的有无，无论是在光下还是在暗处，有NaHCO₃的试管始终有CO₂，而无NaHCO₃的试管始终无CO₂。有光与无光是控制变量。这种实验设计可得出这样的结论：光合作用需要光和CO₂。

3．3验证叶片在呼吸作用过程中有气体的产生和消耗，是一个单自变量的实验。

呼吸作用的实验如何进行呢？由于实验只给出两个试管，一个有CO₂ (NaHCO₃)，一个无CO₂ (NaHCO₃)，并且第一、二步骤已经确定，只能用同样的用具和已经确定的步骤去实验。

影响呼吸作用的因素有氧气、温度等，本题研究气体消耗和产生，必需有氧气，才能有氧气的消耗和CO₂的产生，这个实验才能进行。所以，在做光合作用的实验时，应先将两个试管放在光下，有CO₂的试管，在光下产生了氧气，叶片上浮；无CO₂的试管，光下不产生氧气，叶片保持沉水状态。这样一个试管有氧气，一个试验管无氧气。为做呼吸作用过程中有气体的产生和消耗这个实验垫定了基础。也就知道了验证叶片在呼吸作用过程中有气体的产生和消耗，是一个单自变量的实验，自变量是氧气的有无。

要验证呼吸作用，就要在有氧气的条件下，排除光合作用产生氧气的影响，因此，必须在暗处进行，因在暗箱中，不进行光合作用，只进行呼吸作用，消耗叶隙间的氧气，产生的CO₂溶于水，叶片下降。

分析以上的两个实验步骤来看，必须把两个试管先放在光下然后放在暗培养箱中。

3．4本实验中的各种变量

因此从整个实验来看：（1）光合作用这个实验有两个自变量：CO₂和光。呼吸作用一个自变量：氧气的有无。（2）因变量是：光合作用过程中消耗CO₂产生氧气；呼吸作用过程中消耗氧气产生CO₂。（3）因变量的检测方法是：叶片的上浮和下降。

4、对照方法的准确应用

本实验采用的对照手段是空白对照和前后对照

有CO₂ 的组始终是实验组，无CO₂ 的组始终是空白对照组。本实验除了采用了空白对照外，还采用了自身对照。

什么是自身对照呢？就是两个或几个实验先后依次在同一研究对象上进行，这些实验之间形成对照。本题中先光下进行实验，后在暗中实验，而实验对象都是在题中所给的两只试管上进行的，因此是属于前后对照。

有的同学把有CO₂实验组和无CO₂空白对照组分开，分别放在光下和暗中，是不正确的。没有真正理解空白对照组和实验组的内涵-----实验组和空白对照组差别只在施加实验变量的程度不同（一个有二氧化碳，另一个无二氧化碳），而其他的条件是一样的，要放在日光灯下，都放在日光灯下；要放在暗培养箱中，都放在暗培养箱中。而我们先把两个试管放在光下做的一个实验和然后我们又把这两个试管放入暗培养箱中后做的另一个实验，是相对独立的两个实验，这两个实验之间形成的是前后对照。

这是本人对今年高考实验题的解析，望广大同仁批评指正。

附：06年全国理综Ⅰ生物30题及答案

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和预测实验结果，并对你的预测结果进行分析。

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）……

分析预测的结果：

答案：

实验步骤和预测实验结果：

（3）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。

（4）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。

分析预测的结果：

（1）       光照下，NaHCO₃稀溶液中的叶片进行光合作用，释放出O₂的多于呼吸作用消耗的O₂，叶肉细胞间隙中的O₂增加，叶片上浮。而蒸馏水中缺乏CO₂和O₂，叶片不能进行光合作用和有氧呼吸，叶肉细胞间隙缺乏气体，因此叶片仍位于试管底部。

（2）       黑暗中，NaHCO₃稀溶液中的叶片进行呼吸作用，消耗了叶肉细胞间隙中的O₂，放出的CO₂溶于稀溶液NaHCO₃中，叶肉细胞间隙缺乏气体，叶片下沉。蒸馏水中缺乏O₂，叶片不能进行有氧呼吸，叶肉细胞间隙仍缺乏气体，因此叶片仍位于试管底部。