逍遥学能 2014-09-06 10:18
摘 要 大多生物学实验中都需设置对照实验，在实验设计过程中，首先要区分实验组和对照组，对照实验的类型又有很多，因此要根据不同的实验，设计对照实验。本文以高中生物课本的相关实验为例，对对照实验的类型进行逐一分析。
关键词 生物学实验 对照原则
“对照原则”是中学生物实验设计中最常用的原则，通过设置对照实验，既可排除无关变量的影响，又可增加实验结果的可信度和说服力。
一个实验可包括实验组和对照组，实验组，是接受实验变量处理的对象组，所处理的变量就是我们要研究的内容；对照组，也称控制组，是不接受实验变量处理的对象组。按对照的内容和形式上的不同，常用的对照类型有空白对照、自身对照、相互对照、条件对照、配对对照、标准对照、阳性对照、阴性对照、安慰剂对照等9种类型。
1 空白对照
空白对照指不做任何实验实验的对照组或不给对照组以任何处理因素。值得注意的是，不给对照组任何处理因素是相对实验组而言的，实际上对照组还是要做一定的处理，只是不加实验组的处理因素，或者说相对于实验组而言，除实验变量外，别的处理与实验组完全相同。空白对照能明白地对比和衬托实验组的变化和结果，增加说服力。通常未经实验因素处理的对象组为对照组，经实验因素处理的对象组为实验组；或处于正常情况下的对象组为对照组，未处于正常情况下的对象组为实验组。例如，在“生物组织中可溶性还原糖的鉴定”的实验中，向甲试管溶液加入试剂，而乙试管溶液不加试剂（零剂量），一起进行温水浴加热，比较它们的变化。这样，甲为实验组，乙为对照组，且乙为典型的空白对照。空白对照能明白地对比和衬托出实验组的变化和结果，增强了说服力。
例题剖析：有人设计实验探究有机肥是否能提高土壤肥力并优于化肥。实验分为两组，一组农田施有机肥，一组农田施化肥。该实验设计缺少（ ）
A．施用有机肥和适量化肥的对照田
B．既不施用有机肥也不施用化肥的对照田
C．施用大量化肥和少量有机肥的对照田
D．施用少量化肥和大量有机肥的对照田
解析：本题考查是否具有对一些生物学问题进行初步探究的能力。本题的实验目的有两个，一是探究有机肥是否能提高土壤肥力，二是探究有机肥的肥力是否优于化肥。就实验目的一而言，施用有机肥的农田只有与既不施用有机肥也不施用化肥的农田作对照，才能说明有机肥是否能提高土壤肥力。答案：B
2 自身对照
自身对照指对照组和实验组都在同一研究对象上进行，不另设对照。自身对照方法简便，关键是看清实验处理前后现象变化的差异。实验处理前的对象状况为对照组，实验处理后的对象变化则为实验组。如“观察植物细胞的质壁分离和复原”实验，就出现了两次对照，其中第一次对照是在高浓度溶液处理下，质壁分离状态与自然状态形成对照；第二次对照是在低浓度溶液处理下，复原后状态与质壁分离状态形成对照。又如：要研究植物根具有向重力性，茎具有背重力性，可把某一植株横放于培养基上，让其自然生长，经过一段时间后，便可观察到根向重力生长，茎背重力生长。这里，对照和实验都在同一个体上进行，属于自身对照。
例题剖析：某校生物兴趣小组将体重、大小和年龄相同的成年小鼠分成甲、乙、丙三组，分别进行如下表所示的两步连续实验，下列有关该实验的叙述错误的是：（ ）
组别
第一步操作
第一步现象
第二步操作
第二步现象
甲组
腹腔注射适量适宜浓度的胰岛素溶液
小鼠活动减弱直至昏睡
腹腔注射适量适宜浓度的胰高血糖素溶液
小鼠逐渐苏醒、活动恢复正常
乙组
腹腔注射适量适宜浓度的胰高血糖素溶液
检测小鼠尿糖呈阳性
腹腔注射适量适宜浓度的胰岛素溶液
检测小鼠尿糖逐渐呈阴性
丙组
腹腔注射适量的生理盐水
小鼠活动正常、尿糖检测呈阴性
腹腔注射适量的生理盐水
小鼠活动正常、尿糖检测呈阴性
A．该实验可验证胰岛素和胰高血糖素的功能以及它们在调节血糖过程中的拮抗作用
B．该实验的对照有同组内的自身对照、甲乙间的相互对照，设计丙组作空白对照无必要
C．该实验所用的胰岛素溶液和胰高血糖素溶液应是生理盐水与相应激素配制而成
D．该实验同一步所用的三种溶液用量必须相等，同一组前后两步所用溶液用量可以不等
解析：该实验通过甲组和乙组的自身对照，可验证胰岛素和胰高血糖素的功能以及它们在调节血糖过程中的拮抗作用。实验要严格遵循对照原则和单一变量原则，因此该实验所用的胰岛素溶液和胰高血糖素溶液应是生理盐水与相应激素配制而成，而且该实验同一步所用的三种溶液用量必须相等，同一组前后两步所用溶液用量可以不等。该实验有组内的自身对照（第一步与第二步对照），也有甲乙两组的相互对照，但是丙组的空白对照也很有必要，因为只有与空白对照相比较才能够看出实验组的情况是否异常。答案：B
3 相互对照
相互对照是指不单独设对照组，而是几个实验组相互对比对照，其中每一组既是实验组也是其他级别的对照组，由此得出相应的实验结论。一般是在探究某种实验因素对实验结果的影响不明确的情况下使用，通过实验的相互对比，确立实验变量和反应变量的关系。在等组实验法中，若不设空白对照，则大都是运用相互对照。相互对照较好地平衡和抵消了无关变量的影响，使实验结果具有说服力。例如，“植物的向性运动”的等组实验中，5个实验组采用的都是相互对照，较好的平衡和抵消了无关变量的影响，使实验结果更具有说服力。又如“验证植物根对矿质离子有选择吸收的特性”，可把番茄和水稻分别培养在成分相同的培养液中，过一段时间后，测定培养液中各种矿质元素离子浓度的变化，就会发现番茄吸收Ca多，吸收Si少；而水稻吸收Si多，吸收Ca少。以上就是两个实验组的相互对照。再如，在“探究酵母菌细胞呼吸的方式”的实验中，需要设置有氧和无氧两个条件，探究酵母菌在不同氧气条件下细胞呼吸的方式，这两个实验组的结果都是事先未知的，通过对比可以看出氧气条件对细胞呼吸的影响。
典型分析：
温度对唾液淀粉酶活性的影响实验：
（1）实验对象：加了相同淀粉糊的四支试管。
（2）对照处理：不另设对照组，而是将四支试管分别放在温度为80℃、60℃、37℃、0℃的不同环境中，并同时逐个加入相同的唾液。
（3）实验结果：对相同时间内四组溶液中淀粉糊消化程度进行检测，并记录检测值。
（4）对照分析：通过对四组检测值之间相互对比，得出淀粉糊消化程度最高组的温度，即为本探究实验的唾液淀粉酶活性的最适温度。
例题剖析：请用所给的实验材料和用具，设计实验来验证哺乳动物的蔗糖酶和淀粉酶的催化作用具有专一性。要求完成实验设计、补充实验步骤、预测试验结果、得出结论，并回答问题。
实验材料与用具：适宜浓度的蔗糖酶、唾液淀粉酶、蔗糖、淀粉4种溶液，斐林试剂、37℃恒温水浴锅、沸水浴锅。
（1）若“＋”代表加入适量的溶液，“―”代表不加溶液，甲、乙等代表试管标号，请用这些符号完成下表实验设计（把答案填在答题卡上相应的表格中）。
溶液
试管
蔗糖溶液
蔗糖酶溶液
淀粉溶液
淀粉酶溶液
甲
＋
＋
―
―
乙
丙
丁
（2）实验步骤：
①按照上表中的设计，取试管、加溶液。
② 。
③ 。
④ 。
（3）结果预测： 。
（4）结论： 。
（5）在上述试验中，如果仅将37℃恒温水浴锅的温度调到20℃。而在其他条件不变的情况下重做上述实验，出现砖红色试管中的颜色会比37℃时的浅，其原因是 。
解析：本题综合考查实验设计的基本技能，要验证蔗糖酶和淀粉酶的催化作用具有专一性，因此应遵循对照性原则、科学性原则和单一变量原则。（1）实验目的是验证哺乳动物的蔗糖酶和淀粉酶的催化作用具有专一性，所以要设计两组对照实验，一组是用蔗糖作为底物，分别在两支试管中加入等量的蔗糖溶液，并分别向这两支试管中滴加等量且适量的蔗糖酶溶液和唾液淀粉酶溶液；另一组是用淀粉作为底物，分别在两支试管中加入等量的淀粉溶液，并分别向这两支试管中滴加等量且适量的蔗糖酶溶液和唾液淀粉酶溶液。（2）承接表中实验设计步骤，充分混合后，37℃恒温水浴一段时间。取出试管，分别加入适量的斐林试剂，混均并置于50℃～65℃水浴一段时间。（3）实验的结果最可能是：含有蔗糖和蔗糖酶溶液的试管（试管甲），以及含有淀粉和淀粉酶溶液的试管（试管乙）中出现砖红色沉淀；其他试管中不出现砖红色沉淀。（4）该实验可以证明酶的催化作用具有专一性。（5）根据酶的特性，温度为37℃左右是哺乳动物细胞中酶活性的最适温度，20℃低于酶的最适温度，酶活性低，水解产生的还原糖少，故红色试管中的颜色较浅。
答案：（1）
溶液
试管
蔗糖溶液
淀粉溶液
蔗糖酶溶液
唾液淀粉酶溶液
甲
乙
―
＋
―
＋
丙
＋
―
―
＋
丁
―
＋
＋
―
（2）②混均，37℃恒温水浴一段时间
③取出试管，分别加入适量的斐林试剂，混均，50℃～65℃水浴一段时间
（3）含有蔗糖和蔗糖酶溶液的试管（试管甲），以及含有淀粉和淀粉酶溶液的试管（试管乙）中出现砖红色沉淀；其他试管中不出现砖红色沉淀
（4）哺乳动物的蔗糖酶和淀粉酶的催化作用具有专一性
（5）红色试管中的颜色较浅 20℃低于酶的最适温度，酶活性低，水解产生的还原糖少
4 条件对照
条件对照是指虽给对象施以某种实验处理，但这种处理是作为对照意义的，给定的处理因素正是为了保证实验中对照组与实验组相比只是少了实验变量的影响，或者说这种处理不是实验假设所给定的实验变量意义的。通常施以条件因素的对象组为对照组，施以实验因素的对象组为实验组。例如，在艾弗里证明DNA是遗传物质的实验中，实验组是“R型活细菌＋S型细菌的DNA混合培养”，条件对照组是“R型或细菌＋S型细菌的DNA和DNA酶混合培养”。再如，“验证甲状腺激素促进幼小动物发育”的实验中，采用等组实验法，其实验设计方案是：以蝌蚪为实验材料，甲组（实验组）饲喂甲状腺激素；乙组（条件对照组）饲喂甲状腺抑制剂；丙组（空白对照组）对蝌蚪不做任何处理。通过比较、对照、更能充分说明实验变量──甲状腺激素有促进动物生长发育的作用。条件对照的目的是通过对比得出相对立的结论，以验证实验结论的正确性。
例题剖析：请用DNA酶作试剂，选择适当的材料用具，完成下列的实验方案，验证促进R型细菌转化成S型细菌的物质是DNA，并预测实验结果，得出实验结论。
（1）实验方案设计
第一步： 。
第二步：分组、编号并处理。
组合编号
A
B
C
处理
不加任何提取物
加入提取出的S型细菌DNA
加入提取的S型细菌DNA和DNA酶
第三步： 。
第四步：将接种后的培养基放在适宜温度下培养一段时间，观察菌落的生长情况。
（2）预测实验结果并得出结论： 。
（3）通过你设计的实验，还能得出的新的结论是 。
解析：在验证促进R型细菌转化成S型细菌的物质是DNA的实验中，只有B组加入了S型细菌的DNA，其培养基中会产生S型细菌，而其他培养基中均没有产生S型细菌，证明S型细菌的DNA是遗传物质。
答案：
（1）从S型细菌中提取DNA，制备符合要求的培养基。
将R型细菌分别接种到三组培养基上。
（2）A组、C组中未出现S型细菌，说明DNA分子可以使R型细菌转化为S型细菌．
（3）DNA的结构要保持完整才能使R型细菌转化为S型细菌。
5 配对对照
配对对照是指严格一致的成对对象分置不同实验变量的对比实验，结果更有说服力。例如萨克斯的实验，巧妙地设计了对照实验，自变量是光照（一半叶片置光下、一半置黑暗），因变量是颜色变化，比较光合作用放氧率，实验结果可信度高。
6 标准对照
生物生理、生化的某些项目也都有相应的标准，将观察测定的实验数值与规定的标准值相比较，以确定其正常与否的对照方法。例如，用一种已确认的药物作标准对照组，比较新药的药效。
7 阳性对照
阳性对照是指给对照组施以已经被证明是一种有效的处理因素。例如，研究某化合物是否致癌的长期动物实验中，实验组为用该化合物处理，阳性对照组用已知的致癌物感染。又如实验者在研究一种新的抗生素时，可以用已经被证明有抗菌作用的青霉素或其他抗生素与有效的青霉素有同样的作用，则这种抗生素的抗菌作用得到证明，反之，则被否定。用青霉素作对照组称为阳性对照组。再如“在控制淀粉酶对淀粉和蔗糖水解的作用实验”中，1号试管作为阳性对照注入2mL可溶性淀粉溶液，在唾液淀粉酶的作用下水解成还原糖，且能够与斐林试剂发生氧化还原反应，生成砖红色的氧化亚铜沉淀；而2号试管作为实验组注入2mL蔗糖溶液，在同样条件下，却没有生成砖红色的氧化亚铜沉淀，由此可以证明唾液淀粉酶具有专一性，它只能使淀粉水解，却不能使蔗糖水解。其它实验如“比较过氧氢酶和Fe3+催化效率”也属于阳性对照。
8 阴性对照
阴性对照是为排除假阳性而设的对照。例如，检验某转基因植物是否有杀虫效果，必须设置阴性对照（没有杀虫效果的植物组），记录昆虫自然死亡数，再作假设检验统计推断。
9 安慰剂对照
安慰剂对照，又称双盲试验。为避免和控制人为或自然因素干扰而设置的对照，试验者和实验对象不知道何为实验和对照。例如，例如试验某新药，使用同样外观的安慰剂作对照，除科研设计者外，医生和病人都不知谁用新药谁用安慰剂。
在设计对照实验时，一定要使反应的条件相同，参与反应物质的量相等，这是实验设计中等量性原则的要求。可以说，等量性原则与对照性实验是相伴而生的，只要是对照性实验，就一定要体现等量性原则。否则，会使实验结果失去可比性，从而影响对照的价值。