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。
