揭示生命运动本质和规律的生物科学,需要通过实验来证实或证伪,故生物科学属于实验性科学。而由生物科学改造发展而来的中学生物学科,则属于实验性学科,实验教学是中学生物学科课程内容的重要的、最富成长性的板块。如原高中生物只有5个实验,而新编高中生物则有30个实验,增加了5倍。可见实验教学在中学生物素质教育中具有突出的地位和价值。为此,探讨实验的基本理论和方法,对推行素质教育,培养学生探索能力和创新能力,提高实验教学质量,是大有裨益的。

　　实验,是在人为控制条件下,研究对象的一种科学方法。展开点说,实验是依据假设,在人为控制条件下,对实验变量(或因子)的变化和结果进行捕获解释的科学方法。本文主要讨论实验的方法要素及处理要素关系的基本准则。

一、假设与假设验证原则

　　实验的第一个要素是“假设”;第一项原则是“假设验证”原则。

　　通常,科学实验肇端于假设。假设,亦称假说,指用来说明某种现象但未经证实的论题。假设一般分为3个步骤:第一步提出假设,即依据发现的事实材料和已知的科学原理,通过创造性思维,提出初步假定;第二步作出预期(或推断),即依据提出的假设,进行推理,得出假定性的结论;第三步验证假设,即依据假设和预期,设计实验方案,进行实验验证。结果,假设或被否定,或被修正,或被证实。如果假设得到证实,预期得以实现,则假设(假说)转化为科学理论,故假设是科学发展的基本形式。假设是科学实验的第一个要素。同理,假设验证是科学实验的必要环节和应遵循的程序准则,故假设验证原则是科学实验的第一项原则。

　　例如,新编高中生物的“动物激素饲喂小动物的实验”,其假设是:“甲状腺激素对动物的生长发育有影响”;其预期则是:“用适量的甲状腺激素饲喂蝌蚪,将促使蝌蚪的生长发育加速”。并用实验去验证。显然,实验假设是概括性的假定,实验预期是较具体的推断,整个实验的完成要遵循假设验证原则。

二、变量与单一变量原则

　　实验的第二个要素是“变量”;第二项原则是“单一变量”原则。

　　变量,亦称因子,指实验操纵控制的特定因素或条件。按性质不同,通常有以下两类4种变量:

　　1 实验变量与反应变量。实验变量,亦称自变量,指实验中由实验者所操纵、给定的因素或条件。反应变量,亦称因变量或应变量,指实验中由于实验变量而引起的变化和结果。通常,实验变量是原因,反应变量是结果,二者具有因果关系。实验的目的即在于捕获解释这种前因后果。例如,在“唾液淀粉酶水解淀粉”的实验中,所给定的低温(冰块)、适温(37℃)、高温(沸水浴)就是实验变量。而由于低温、适温、高温条件变化,唾液淀粉酶水解淀粉的反应也随之变化,这就是反应变量,该实验即在于捕获解释温度变化(实验变量)与酶的活性(反应变量)的因果关系及其经验事实。

　　2 无关变量与额外变量。无关变量,亦称控制变量,指实验中除实验变量以外的影响实验变化和结果的因素或条件。额外变量,亦称干扰变量,指实验中由于无关变量所引起的变化和结果。显然,额外变量会对反应变量起干扰作用。

　　例如,上述实验中除实验变量(低温、适温、高温)以外,试管洁净程度、唾液新鲜程度和稀释浓度、可溶性淀粉溶液浓度、试剂溶液的剂量和浓度、实验操作程序、温度处理的时间长短等等,都属于无关变量,要求对低温、适温、高温3组实验是等同、均衡、稳定的;如果无关变量中的任何一个或几个因素或条件,对3个实验组的给定不等同、不均衡、不稳定,则会在实验结果中产生额外变量,出现干扰,造成误差。实验的关键之一在于控制无关变量和减少额外变量。

　　单一变量原则,是处理实验中的复杂变量关系的准则之一。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。例如,上述实验遵循单一变量原则,第一在观测上要做到:低温处理观测记录低温下的变化和结果,适温处理观测记录适温条件下的变化和结果,高温处理观测记录高温下的变化和结果,反应变量不能混淆;第二在操作上要做到:对3个实验一要在预先的低温、适温、高温条件下做实验处理,常见的错误是先在常温(譬如25℃)下做处理再放到低温、适温、高温条件中进行观测,这样就混入了“常温”这个无关变量及额外变量。总之,实验设计、实施的全过程,都应遵循单一变量原则。

三、控制与平衡控制原则

　　实验的第三个要素是“控制”;第三项原则是“平衡控制”原则。

　　控制,是处理实验中变量关系的又一准则,指实验要严格地操纵实验变量,以获取反应变量;与此同时,还要严格地均衡无关变量,以消除额外变量。一句话,通过实验控制,尽量消除实验误差,以取得较为精确的实验结果。

　　如果说“单一变量”原则,主要是对实验变量与反应变量的控制而言,而这里的“平衡控制”原则,则主要是对无关变量与额外变量的控制而说的。意思是说,实验中的无关变量的因素条件,很难避免,只有设法平衡和抵消它们的影响。

　　常用的方法有:

　　1 单组实验法。对一组(或一个)对象,既用Ａ法,又用Ｂ法,顺序随机或轮流循环,这是生物实验常用的实验方法。例如,“观察植物细胞的质壁分离与复原”实验,通常是将作好的洋葱紫色鳞片叶表皮细胞装片,先用蔗糖溶液做质壁分离观察;接着又用清水做质壁分离复原观察,这就是单组实验法。由于对象同一,无关变量影响也就被平衡和抵消了。

　　2 等组实验法。将状况相等的对象,分成两组或多组,一组用Ａ法,另一组用Ｂ法,这也是生物实验常用的实验方法。例如,“植物激素与向性”实验,设计了5组实验,其对象———玉米幼苗,要求品种、萌发期、粗细、大小、长势等状况都是相同的,这就是等组实验法,对无关变量的影响起到了平衡和消除作用。

　　3 轮组实验法。对两组或两组以上的对象,轮番循环两个或两个以上的实验处理,如甲组———Ａ法、Ｂ法;乙组———Ｂ法、Ａ法等。这样能有效地平衡和抵消无关变量的影响。自然,操作起来要麻烦一些。例如,“植物向光性”实验,可随机取2株(组)生长状况并不相等的玉米幼苗,作如下实验处理:

　　甲组:玉米幼苗———先用“不透光”处理①———后用“单侧光”处理②

　　乙组:玉米幼苗———先用“单侧光”处理③———后用“不透光”处理④

　　实验结果,则是①+④(“不透光”)和②+③(“单侧光”)之比较。这就是轮组实验法。这种实验处理的匹配,对平衡、消除无关变量和额外变量就更有说服力了。

四、对照与实验对照原则

　　实验的第四个要素是“对照”;第四项原则是“实验对照”原则。

　　对照是实验控制的手段之一,目的仍在于消除无关变量对实验结果的影响。

　　实验对照原则是设计和实施实验的准则之一。通过设置实验对照对比,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。

　　通常,一个实验总分为实验组和对照组。实验组,是接受实验变量处理的对象组;对照组,亦称控制组,对实验假设而言,是不接受实验变量处理的对象组。至于哪个作为实验组,哪个作为对照组,一般是随机决定的。这样,从理论上说,由于实验组与对照组的无关变量的影响是相等的、被平衡了的,故实验组与对照组两者之差异,则可认定为是来自实验变量的效果,这样的实验结果是可信的。按对照的内容和形式上的不同,通常有以下对照类型:

　　1 空白对照。指不做任何实验处理的对象组。例如,在“生物组织中可溶性糖的鉴定”的实验中,向甲试管溶液加入试剂,而乙试管溶液不加试剂,一起进行沸水浴,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,增加了说服力。

　　2 自身对照。指实验与对照在同一对象上进行,即不另设对照。单组法和轮组法,一般都包含有自身对照。如“植物细胞质壁分离和复原”实验,则是典型的自身对照。自身对照,方法简便,关键是要看清楚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。

　　3 条件对照。指虽给对象施以某种实验处理,但这种处理作为对照意义的,或者说这种处理不是实验假设所给定的实验变量意义的。例如,“动物激素饲喂小动物”实验,采用等组实验法,其实验设计方案是:甲组:饲喂甲状腺激素(实验组);乙组:饲喂甲状腺抑制剂(条件对照组);丙组:不饲喂药剂(空白对照组)。显然,乙组为条件对照。该实验既设置了条件对照,又设置了空白对照,通过比较、对照,更能充分说明实验变量———甲状腺激素能促进蝌蚪的生长发育。

　　4 相互对照。指不另设对照组,而是几个实验组相互对比对照。在等组实验法中,若不设空白对照,则大都是运用相互对照。如“植物激素与向性实验”的等组实验中,5个实验组所采用的都是相互对照,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。

五、捕获解释与真实客观原则

　　实验的第五个要素是:“捕获”和“解释”;第五项原则是“真实客观”原则。

　　观察、实验的实质即在于捕获事实和解释事实。捕获,即捕捉、记录实验中的事实、现象和数据,用术语说,即捕捉、记录由实验变量而带来的反应变量。解释,即论证、说明实验中的事实、现象、数据,用术语说,即论证、说明实验中的自变量与因变量的因果关系,从而得出结论,进行讨论。

　　真实客观原则是科学实验所必须遵循的基本准则,即实验中的捕获解释一定要实事求是,一切从实际出发,使获取的材料(事实、现象、数据)尽可能地反映客观事物的本来面目,不能主观臆造,不能凭空胡诌,不能片面武断。所谓事实,有两类性质:一类是“客观事实”,它是客观事物的客观存在,具原本性质;一类是“经验事实”,它是人们对客观事物的主观反映,具经验性质。实验即在于捕获真实客观的能反映客观事物本来面目的经验事实,并加以合理的解释。

六、实验与观察的联系与区别

　　实验离不开观察。观察,是在自然条件下研究对象的方法,或者说观察是在自然条件下对研究对象的事实现象进行捕获解释的方法。实验通常包含观察。观察与实验在结构要素和方法要素等方面,既有联系、有共同之处,又有区别或差异,其要点简要叙述如下表:

　　上述实验的5个要素、5项原则,是相互联系、整合为一体的。它们是进行实验设计、制订实验方案的理论依据。正规的实验方案通常包括:“实验课题”“实验假设”“实验预期”“实验目的要求”“实验方法类型”“实验对照类型”“实验材料用具”“实验方法步骤”和“实验结论与讨论”等项目。而在中学生物课本的实验指导中,实验假设和实验预期大都隐含在“实验原理”项目中;实验方法类型、实验对照类型则一般隐含在“方法步骤”项目里。

　　实验基本理论的探讨,还为改进实验教学,推行素质教育,特别是为培养发展学生的探索能力、动手能力、创造意识、创新能力、科学态度和科学精神,提高实验教学质量,提供了理论依据和实验指南。