新陈代谢中实验对照的设置.doc

新陈代谢实验中对照的设置
重庆市二十九中（400043） 刘茹岑

生物学是一门以实验为基础的自然科学，生物实验设计的重要思想之一就是设置实验对照。通过设置对照组，可排除无关变量的影响，减少实验误差。对照实验中的对照组的设置，往往是一个难点。本文针对植物新陈代谢中的相关实验，谈谈如何进行实验对照的设置。
1．研究植物叶片的光合作用强度
【例1】下图是测定光合作用速率的仪器。在密闭的小室内，放有一新鲜叶片和CO2缓冲液，缓冲液用以调节小室内CO2使其浓度保持在0．03％，小室内气体体积的变化可根据刻度毛细管内有色液滴的移动距离测得。为了防止光照引起小室内气体的物理性膨胀或收缩所造成的误差，必须要有对照，以对实验结果进行校正。那么对照组小室内应放置（ ）
A．同样大小新鲜叶片和水 B．同样大小死叶片和缓冲溶液
C．同样大小纸片和水 D．同样大小死叶片和水
【解析】密闭小室内的新鲜叶片在有光条件下进行光合作用，光照达到一定强度时，吸收CO2，释放O2；在无光条件下则只进行呼吸作用，吸收O2，释放CO2。由于小室内有CO2缓冲液，即当CO2浓度增高时吸收CO2，当CO2浓度降低时放出CO2，使CO2的浓度始终保持在0.03％，因此，刻度毛细管上所显示的气体体积变化实质上是O2体积的变化，与CO2无关。当光强度为0时，叶片只进行呼吸作用，吸收O2，因此，小室内气体体积减小；当光照强度逐渐增加，光合作用强度大于呼吸作用强度，放出O2，小室内气体体积增加。且随着光照增强、光合作用增强，小室内气体继续增加。也就是说，小室内气压的变化，是由小室内新鲜叶片的光合作用和呼吸作用的强度来决定的。但是，小室内的气压不只是受叶片的生理作用产生的气体体积变化的影响，还可能受到小室内气体的物理性膨胀或收缩的影响。因此，为了排除此影响，就需要设置一个对照实验，排除光照引起小室内气体的物理性膨胀或收缩所造成的误差。上述实验的实验组检测的结果实质上是A——光照和B－—叶片生理作用之和，要把A、B区分开，要么单独检测B，要么单独检测A。而检测B叶片生理作用，却一定要在要光下才能进行，所以无法排除光照的影响；单独检测B就应保留光照而去除叶片的生理作用，即用光照射不能进行生理作用的叶片——死叶片，则可检测到光照单独作用的结果。因此，对照实验的其他条件应与该实验组完全相同，所不同的就是所放叶片不能进行光合作用和呼吸作用，即同样大小的死叶片。所以答案选择B。
【总结】从研究的对象入手设置变量
实验组中的影响因素很多，如上述实验中，实验组的影响因素就有光照，恒温水箱、植物叶片、CO2缓冲液等，这些因素均可以对实验结果造成影响。那么，对照组和实验组中的单一变量是设置是为光照的有无，叶片的死活，还是CO2缓冲液和清水的差别呢？笔者认为，确定谁为实验变量，应该从实验目的是什么来考虑。此实验的目的是“测定叶片光合作用的速率”，测定的对象是叶片，研究的指标是叶片的光合作用速率，所以，研究对象叶片就应该处于有光照这样的前提条件下。而实验对照的设置就是为了排除光对光合作用以外的其他因素的影响，所以对照组与实验组的唯一差别就是能进行光合作用和不能进行光合作用，变量的设置就只能从叶片这个实验对象着手。因此，设置对照组中的叶片为死叶片，实验组中的叶片为新鲜活叶片，这样对照组和实验组就只有一个变量，而对照组中，其它因子和实验组完全相同。
2．研究叶片的有氧呼吸强度
【例2】利用下列装置研究叶片有氧呼吸强度随时间变化的趋势。如何设置对照，排除外界因素的干扰，使实验结果更有说服力。
【解析】对照组、实验组设置的本质就是让对照组与实验组之间存在一个单一因子变量。怎样设置对照组和实验组的单一因子变量，也就成了实验中对照组设置的焦点问题。对照组的设置，其整个装置应该基本和实验组相同。此实验研究的是“叶片有氧呼吸强度随时间变化的趋势”，其研究对象是叶片，观察指标为叶片有氧呼吸吸收氧气的体积。要使实验更有说服力，就应该排除其他因素对叶片有氧呼吸的干扰。上述装置中的叶片，可以发生的生理过程有：光合作用、有氧呼吸和无氧呼吸。所以，为了排除其他因素对实验目的（研究叶片有氧呼吸强度随时间变化的趋势）的干扰，首先就得排除光合作用与无氧呼吸对实验结果的影响。因此，实验时，应把该装置置于黑暗条件下——排除光合作用的影响；其次，由于装置中有CO2缓冲液，就已经排除了无氧呼吸产生CO2对实验结果的影响。接下来要排除的就是叶片受非生命因素的影响。所以，对照组的设置上就应该把实验组中的活叶片替换为死叶片，其它完全相同。因为外界干扰因素对实验组已造成了干扰，要通过设置对照组来排除其干扰，对照组中也一定要让这些干扰因素存在。也就是说通过将研究的对象——叶片设置为变量（即叶片的死活），从而排除的外界因素的干扰。
【总结】在已有实验组的基础上设置对照组
根据单因子变量原则，对照组与实验组之间只能有一个变量。所以，在已有实验组的基础上设置对照组时，首先应考虑使对照组和实验组应该基本相同，然后考虑让其中只有一个因子不同。实验组的存在，就为设置对照组提供了依据和典范。我们只要在实验组的基础上稍作改进，另设一组，使之与实验组形成单一变量的对照即可。本实验就从两个方面出发，有效设置了实验对照。一、通过控制实验进行的环境条件：置于黑暗中，排除光合作用对实验的影响。二、控制装置中与叶片生理过程无直接关联的因子完全相同，而通过对研究对象本身生理过程的改变形成了单因子变量，进而排除了无关变量的影响。
以上两个实验均是为了排除外界因素的干扰，一般说来，要排除环境因素对生物生理过程的影响，应从研究的生物材料着手进行控制，设置单因子变量为能进行该生理作用的生物体与不能进行该生理过程的生物体，而所有环境因素控制为相同，即可通过对照的设置排除环境因素的干扰。但是这样的对照设置并不能排除装置内生物体的生理活动引起的因变量对检测结果的影响。如上述两实验中均未考虑叶片自生呼吸产生的热量对气压变化的影响。O
3．研究种子的呼吸强度
【例3】为了测定种子萌发时的呼吸强度，实验者将刚萌发的且用消毒剂清洗过（不影响种子的生命活力）的小麦种子放入下列装置（装置足够大，满足种子萌发时的氧气需求），在环境温度不变，压力为一个大气压的情况下进行实验：
在实验过程中为了防止因萌发种子的生理活动产生的热量引起锥形瓶内气体的物理性膨胀或收缩所造成的误差，必须要有对照，并对实验结果进行验证。
【解析】种子萌发时，吸收了锥形瓶中的氧气，放出的CO2被CO2吸收剂吸收，所以，玻璃管中有色液滴在单位时间左移的距离就代表其呼吸强度。但是，由于种子萌发时，呼吸作用产生的能量有一部分转变为热能，会引起锥形瓶内气体的膨胀，所以会使实验结果形成一定的误差。本实验中实验组液滴移动距离其实是有氧呼吸消耗氧气和热量引起气体体积改变的共同结果。为了排除实验组中的“萌发种子的生理活动产生的热量引起锥形瓶内气体的物理性膨胀或收缩所造成的误差”，所以，在对照组中就应该只有“萌发种子的生理活动产生的热量引起锥形瓶内气体的物理性膨胀或收缩”的影响，而没有气体体积变化对液滴移动的影响，而去除实验组中的CO2吸收剂就可以去除呼吸作用引起的气体体积变化。所以，对照组中就应该将实验组中CO2吸收剂换作等量的蒸馏水形成对照。
【总结】不要把要排除的干扰因素设置为实验变量
设置对照是为了排除某种因素的干扰，不能把要排除的干扰因素设置为变量，即对照组和实验组中均应置于相同的该干扰因素的影响下进行。本实验中，为了“防止因萌发种子的生理活动产生的热量引起锥形瓶内气体的物理性膨胀或收缩所造成的误差”，而小室内的气体的物理性膨胀或收缩所造成的原因有可能是萌发种子的生理活动产生的热量引起，也可能是光照引起的，当然还可能是其它因素引起。对照设置的思路为：实验组中a+b+c+d=A，即实验结果A是受a、b、c、d诸因素的影响，而要研究的是d对A干扰或影响，所以，对照组就应该为a+b+c+d1=A，即单一变量是d和d1。而a、b、c均是要排除的干扰因素，是实验组中已有了的因素，所以在对照组中也应该有相同的这些干扰因素，这样才能排除其对实验结果的影响。d1与d的差别则是唯一用来区分我们要研究的因子对实验结果造成影响的因素。
4．研究呼吸作用的类型
【例4】为了探究酵母菌所进行的呼吸作用类型，请根据所给的实验材料和用具设计实验。
实验目的：探究酵母菌的呼吸类型。
实验原理：酵母菌是兼性厌氧菌，既能进行有氧呼吸，也能进行无氧呼吸，但产物不同。有氧呼吸吸收的氧气量和放出的二氧化碳量相等；如果只进行无氧呼吸，则不吸收氧气，能放出二氧化碳；如果既有有氧呼吸又进行无氧呼吸，则吸收的氧气量小于放出的二氧化碳量。
实验材料和用具：酵母菌培养液、带橡皮塞的锥形瓶两只、烧杯4个、两根弯曲的带有红色液滴的刻度玻璃管、NaOH溶液、清水、凡士林。（提示：假设酵母菌以葡萄糖作为呼吸底物）
实验方法：①将实验材料和用具按下图（装置1）安装好。②如果想得到实验结论还必须同时设计对照实验，请描述对照实验装置（装置2）如何设置？
【解析】新陈代谢的异化作用类型有需氧型、厌氧型、和兼性厌氧型。锥形瓶内小烧杯中放有NaOH溶液，可吸收呼吸放出的CO2，因而装置内气压变化仅由O2消耗量所引起，但由于需要探究呼吸类型，而呼吸类型可以通过消耗O2和产生CO2量的比较予以确定，所以，要确定呼吸类型需设置另一对照装置，装置内要求测定出比较O2和CO2变化情况外，其余条件应该均与装置1相同，而欲测定CO2产生O2消耗的关系，就应该将小烧杯内NaOH溶液换为等量的蒸馏水，这样放出的CO2就没有被吸收。其相当的结果和结论如下表：

现 象(红色液滴移动情况)
结 论
装置1中液滴
装置2中液滴
1
左移
不移动
只进行有氧呼吸
2
不移动
右移
只进行无氧呼吸
3
左移
右移
既进行有氧呼吸，又进行无氧呼吸
【总结】从实验进行条件或观察指标入手设置对照
对照组的设置，有时是为了排除环境因素对生物生命活动的影响，有时是为了排除同时进行的生命活动对实验观察指标造成的影响，明确对照设置的目的是进行对照设置的出发点，否则将导致“差之毫厘,谬以千里”。最终在对照设置这个重要环节中浪费大量时间，却得不偿失，甚至使整个实验设计不严谨，丧失科学性。若实验要求排除环境因素对生物生命活动的影响，一般从研究的生物对象上设置差异进行对照；若要排除不同生命活动对实验观察指标的影响，则应从装置中非生物的材料入手，而且要设置的变量也是与我们要研究的生命活动的观察指标最直接相关的，使这种非生命材料的改变造成的差异直接体现出对研究对象生理活动检测结果的影响。如例4中，酵母菌同时进行的生命活动可能有有氧呼吸，还有无氧呼吸。要区分有氧呼吸与无氧呼吸，就可以从检测指标入手。而装置中的NaOH溶液就是影响检测指标的关键因子。有NaOH溶液，检测指标为有氧呼吸的消耗氧气的体积变化，而将NaOH溶液换作蒸馏水，则检测出无氧呼吸产生的CO2体积。NaOH溶液这种非生命的因素在装置中起的作用就是联系我们要区分的两个生理过程有氧呼吸和无氧呼吸的关联因子。因此设置对照时，就应从NaOH的有无，来区分有氧呼吸和无氧呼吸的观测指标。同时，实验中的其他因素还很多，如锥形瓶的大小、烧杯的大小、烧杯中液体的多少、装置置于光照还是暗处等，但这些因素都与酵母菌的有氧呼吸和无氧呼吸的区分没有直接联系，所以，对照组中这些因素的设置也应该和实验组完全一样。而准确判断出与实验要求区分的两个生理过程之间密切相关的因子，是成功设置对照的关键。
综上所述，生物实验设计要进行严谨的对照，科学地设置实验组和对照组。而对照组的设置，应该从多个方面综合考虑。即要根据单因子变量原则，考虑到对照组应该和实验组只相差一个因子，只存在一个变量。实验设计时，根据要排除的干扰因素不同，正确选择从研究的对象上来设置变量或是选择环境因子中与研究对象的生理过程进行的条件或观察指标紧密关联的非生物因子来设置变量。同时还应注意，不要把要排除的干扰因素设置为实验变量。
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