李進京

摘要：就生物實驗設計中對照實驗的類型、作用進行分析，簡述確定對照組的幾個原則，并舉例說明了對照實驗在生物實驗設計中的應用。

關鍵詞：對照實驗空白對照自身對照

中圖分類號：G633．91文獻標識碼：B

設置對照實驗是生物實驗設計中的基本原則之一。如何設置、確定對照實驗是生物實驗設計及考試中常常遇到的難點。下面通過分析對照實驗的類型作用等，以助于對對照實驗的理解判斷和設計應用。

1生物實驗中對照實驗的類型

1．1空白對照

不給對照組任何處理因素，因而空白對照能明白地對比和襯托出實驗組的變化和結果，增強了實驗結果的說服力。設置空白對照目的是為了說明實驗對象所具備的性質等，作為“空白對照”，它的實驗結果應該是預知的。所以空白組明顯的就是我們所指的對照組了。例如證明甲狀腺激素可促進幼小動物的發(fā)育的實驗中，不作任何處理喂養(yǎng)正常食物的一組是空白對照。

1．2條件對照

雖然給對照組施以部分實驗因素，但不是所要研究的處理因素。處理不是我們在實驗假設所給定的實驗變量意義的。這種處理是有對照意義的。例如證明甲狀腺激素可促進幼小動物的發(fā)育的實驗中，給小蝌蚪喂養(yǎng)添加有甲狀腺激素抑制劑食物的一組就是條件對照。

1．3自身對照

對照和實驗都在同一研究對象上進行。有的是同一研究對象在實驗前后對照，如“觀察植物細胞的質壁分離和復原”的實驗；有的是在同一研究對象的不同部位進行對照，如利用銀邊天竺葵(葉片邊緣無綠色)證明光合作用需要葉綠素等。

1．4相互對照

相互對照是指不另設對照組，而是在進行的幾個實驗相互之間形成對比對照。如探究酶的最適溫度分成不同的實驗組。如用不同濃度的蔗糖溶液來測定細胞液濃度實驗時，彼此不同的濃度梯度形成相互對照。

2對照實驗的作用

設計對照實驗可以說明生物體內某物質具有某項性質而其他物質沒有。如為了證明酶具有高效性，需要將新鮮的肝臟研磨液與Fe³⁺催化效率進行對比，設計了讓Fe³⁺作對照組。如果沒有Fe³⁺對照組，就無法體現(xiàn)酶的高效性。又如為了說明甲狀腺激素的作用，設計了正常食物給小蝌蚪喂養(yǎng)的空白對照組，添加有甲狀腺激素抑制劑食物喂養(yǎng)的條件對照組。

設計對照實驗可以說明生物體某些生理功能產(chǎn)生的條件或某些物質發(fā)揮作用的條件，如研究影響光合作用進行的條件，就需要設置相關的對照組。

為了消除實驗中無關變量對實驗結果數(shù)量上的影響需要設置對照組，在涉及有關定量實驗時，因為生物體生命活動過程中容易受到環(huán)境中各種不可預知因素的影響，為了使實驗統(tǒng)計的數(shù)據(jù)更加準確，就需設置對照組。如測定種子的呼吸速率時，要考慮對外界因素的影響，需要設置對照組。此外，通過對照實驗，還可以糾正實驗誤差。

設置對照實驗可以控制無關變量處于適宜條件。由于在生物學實驗過程中，干擾實驗結果出現(xiàn)的因素是多方面的，不僅有實驗變量，也有無關變量。在防止無關變量對實驗結果的干擾時，首先必須要保證無關變量適宜，但無關變量是多方面的，甚至是不可預知的，有時還經(jīng)常受到實驗者以至我們人類對生命活動規(guī)律認知水平的限制。那么怎樣保證無關變量適宜呢?最簡單有效的方法就是設置對照組，對照組只有在出現(xiàn)預期結果時，才能說明無關變量是適宜的。

通過對照實驗可以得到我們需要的實驗數(shù)據(jù)。如探究生長素作用的最適濃度時，設置不同的濃度梯度作為相互對照。從中才能得到實驗結果。

3生物實驗設計類習題中對照組的判斷

如何區(qū)分確定實驗組與對照組。應該綜合分析來確定。一般地說，可從以下幾個方面結合起來判斷。

一般情況下，針對實驗所要研究的因素，不作任何實驗處理的對象組，一般作為對照組，如各種空白對照。

用實驗所研究的因素處理的對象組稱為實驗組，未用實驗所研究的因素處理的對象組稱為對照組。但要注意的是：用實驗因素處理，并非對實驗因素的處理。如薩克斯關于“光合作用需要光照”的實驗中，實驗因素為“光照”，因此，用“光照”處理的曝光組就為實驗組；未用實驗因素(光照)處理的遮光組就為對照組。

根據(jù)實驗對象是否處于正常狀態(tài)來確定。一般情況下，把處于正常生活狀態(tài)下的實驗對象確定為對照組。

綜合以上幾點，我們知道設置對照實驗是起到襯托作用。對照實驗應該是根據(jù)日常生活經(jīng)驗預先知道的。實驗結果有一定的可預測性。如果發(fā)現(xiàn)真正做實驗之后對照組的實驗結果與預期的結果是不相符合的，說明此實驗操作過程有誤，宣布實驗失??；如各種空白對照實驗。而如果不能確定預測實驗結果的就是相互對照了。事實上相互對照各組都是實驗組。

通過分析對照實驗的類型和作用，目的是為了幫助學生更好地分析確定設計對照實驗，下面通過典型例題進行應用分析。

4對照實驗在生物試題的應用分析

4．1生物實驗中對照組的確定

[例1](2005年普通高等學校春季招生考試)為驗證光是植物生長發(fā)育的必要條件，設計如下實驗：選擇生長狀況一致的小麥幼苗200株，隨機均分為實驗組和對照組，分別處理并預期結果。下面是關于實驗組或對照組的處理方法和預期結果的幾種組合，其中正確的是()

①實驗組②對照組③黑暗中培養(yǎng)④在光下培養(yǎng)⑤生長發(fā)育好⑥生長不良

A．②③⑤

B．①③⑥

C．①④⑤

D．②④⑥

解析：小麥苗在光下培育生長發(fā)育良好，在黑暗中培養(yǎng)生長不良，這是常識性的判斷，也是人們可以預先知道的，這并非是考查的主要目標。本題主要考查對實驗組與對照組的判斷，對于植物來講正常情況下是生長在光下的，黑暗中的培養(yǎng)(無光照)是一種人為的控制，所以黑暗中培養(yǎng)是實驗組，光下培養(yǎng)是對照組。選B。

[例2]大麥種子結構如圖1(a)發(fā)芽時，胚產(chǎn)生赤霉素。有人推測赤霉素擴散到糊粉層，誘導合成淀粉酶，淀粉酶再分泌到胚乳中，使儲藏的淀粉分解，為胚生長發(fā)育提供物質和能量。有同學對此開展課題研究，假設你是其中一員，請根據(jù)課題研究要求，回答有關問題：課題一：赤霉素能否誘導淀粉酶合成。

假設：赤霉素能誘導淀粉酶合成實驗。供選材料：表面消毒的干燥大麥種子若干粒，將種子橫切成兩部分(X部分無胚，Y部分有胚)，如圖1(b)所示。

供選試劑：①蒸餾水、②適當濃度的赤霉素溶液。

方法：請在表1空格內填入適當?shù)牟牧?、試劑和用于定量測定的物質名稱。

結果：若假設成立，實驗組和對照組的結果將如圖2中的_______和_______。

解析：本題是探究赤霉素能否誘導淀粉酶合成，但根據(jù)本題回答項目首先應確定實驗組與對照組，同

時應考慮到單一變量原則。當用x(無胚部分)作使用材料時，分別向2組加入適當濃度的赤霉素溶液或蒸餾水做實驗，其中加入蒸餾水是為了作空白對照。當用蒸餾水作實驗時，而分別用有胚部分和無胚作實驗材料時，其中有胚部分加入蒸餾水能出現(xiàn)赤霉素誘導淀粉酶合成的結果，而無胚部分(X)加入蒸餾水不能出現(xiàn)赤霉素誘導淀粉酶合成的結果。在這里無胚部分與有胚部分之間形成了對照。其中無胚部分起到了空白襯托作用，作為對照組。

如選淀粉酶為測定物，則應為C和D，如選淀粉為測定物，則應為A和B。

4．2驗證性實驗中的對照實驗應用分析

[例3]為了驗證甲狀腺激素的生理作用，試以大白鼠的耗氧量和活動量為觀察指標，根據(jù)給出的實驗材料和用具，設計實驗步驟，預測實驗結果，并作出分析。

(1)材料和用具：日齡相同體重相近的雄性成年大白鼠兩組，甲狀腺激素溶液，蒸餾水，灌胃器，耗氧量測定裝置，小動物活動測定儀等。

(實驗提示：給藥途徑為每日灌胃，給藥劑量和儀器操作不作考試要求，室溫恒定。)

(2)方法與步驟：______。

(3)結果預測與分析：______。

解析：本題看是常規(guī)的實驗設計與分析預測，但對考生實驗設計過程中思維的嚴密性有較高的要求。設計的實驗步驟中，不僅需要設置空白對照，更需要注意的是，在實驗前對實驗鼠分別用給出的儀器，測定與記錄耗氧量和活動量，也就需要進行前測，這是一般考生容易忽略的。因為本實驗是要測定耗氧量和活動量，對于不同的鼠來講，其初始的狀態(tài)是可能存在著差異的，只有進行了前測，實驗前后才具有比較的可能，才能反映施加變量前后小鼠狀態(tài)是否發(fā)生改變。也就是說本實驗，不僅涉及到兩組實驗間的對照，也需要實驗前后的對照

參考答案：

(2)方法與步驟：

①將2組大白鼠分別標號為甲組和乙組，并分別用給出的儀器，測定與記錄耗氧量和活動量。②每日用灌胃器給予甲組鼠灌胃甲狀腺激素溶液，給予乙組鼠灌胃等量的蒸餾水，飼養(yǎng)一定時間。③測定與記錄甲、乙組鼠的耗氧量和活動量

(3)結果預測與分析：①未給甲狀腺激素時，甲、乙兩組鼠的耗氧量和活動量相近。②給甲組鼠甲狀腺激素后，其耗氧量和活動量均大于乙組鼠。結果表明甲狀腺激素能促進新陳代謝，加速體內物質的氧化分解，提高神經(jīng)系統(tǒng)的興奮性，從而使動物的耗氧量和活動量增加。

4．3探究性實驗中對照實驗的應用分析

[例4]研究性學習小組的同學在某電鍍廠排水口采集重金屬污染液1 000mL。利用以下實驗材料和器材設計實驗，探究不同濃度重金屬污染液對水稻種子萌發(fā)和生長的影響。

實驗材料和器材：水稻種子；試管；培養(yǎng)皿；紗布；尺子(100 mml；蒸餾水；恒溫光照培養(yǎng)箱，溫度設定為28℃，光強度為2 000Lx)；(實驗材料和器材的數(shù)量不限)。

根據(jù)給出的實驗材料和器材，請設計實驗方法和步驟。預測實驗結果并作出分析。

(1)方法和步驟：______。

(2)結果預測和分析：______。

解析：本題是利用題給材料探究不同濃度重金屬污染液對水稻種子萌發(fā)和生長的影響，因此應設置不同的濃度梯度作為實驗組從而彼此作為相互對照。可用蒸餾水逐級稀釋重金屬污染液來得到，需注意的是，不同濃度梯度的梯度差應相同，同時還應設置蒸餾水作空白對照。

需要注意本題研究的有不同濃度重金屬污染液對水稻種子萌發(fā)和生長2個方面的影響。設置實驗步驟時，應充分利用題目給的實驗材料和器材，用水稻種子作為研究種子萌發(fā)的實驗材料。用紗布浸潤重金屬污染液或蒸餾水，放置恒溫光照培養(yǎng)箱培養(yǎng)，統(tǒng)計一段時間后種子的萌發(fā)率，通過比較可知不同濃度重金屬污染液對水稻種子萌發(fā)率的影響。用尺子測量種子萌發(fā)后株高或根長作為生長的標志?？芍鋵ιL的影響。

參考答案：

(1)方法和步驟：

①用蒸餾水將重金屬污染液逐級稀釋10、10²、10³、10⁴倍，獲得4種不同濃度污染液；

②挑選籽粒飽滿、大小一致的水稻種子250粒．隨機分成5組：

③取5只培養(yǎng)皿加入等體積的不同濃度重金屬污染液(浸潤紗布即可)，另1只培養(yǎng)皿的紗布加入等體積的蒸餾水作對照；

④每只培養(yǎng)皿的紗布上，均勻放置50粒水稻：

⑤將5只培養(yǎng)皿置于恒溫光照培養(yǎng)箱培養(yǎng)，每天實驗組補充等量的相應濃度的重金屬污染液，對照組補充等體積的蒸餾水，以保持紗布的濕潤。

⑥一周后統(tǒng)計各組的發(fā)芽率，用尺子測量幼苗株高(或根長)，計算平均值。

(2)結果預測和分析

不同濃度的重金屬污染液對水稻種子的萌發(fā)均有抑制作用，隨著濃度的增加，萌發(fā)率逐漸降低。不同濃度的重金屬污染液對水稻生長的萌發(fā)均有抑制作用，隨著濃度的增加，幼苗株高(或根長)逐漸變小。

4．4利用對照實驗校正實驗誤差

[例5]圖3是測量種子萌發(fā)時錐形瓶中氣體體積變化的實驗裝置。錐形瓶中放的種子事先用水浸泡過并在稀釋的消毒劑中清洗過(不影響種子生命力)。實驗開始時管Y與管X液面相平，每隔0.5h利用標尺量出X管內的液面高度變化，實驗結果記錄于表2?；卮鹣铝袉栴}：

(1)管x中液面是怎樣移動的?________。

(2)解釋0～3.5 h內氣體體積變化原因________。

估計3.5～4 h內種子的呼吸作用的方式為________。

(3)此實驗的實驗目的是________。

(4)簡述如何設置此實驗的對照。

實驗________。

(5)如果對照實驗中氣體體積變化在1.5 h是+0.2個單位，解釋可能的原因是________；同等條件下萌發(fā)的種子中的實際呼吸速率是________單位／h。

(6)種子為什么要在稀釋的消毒劑中清洗?

解析：錐形瓶中放入活的種子進行呼吸作用，由于錐形瓶中放有氫氧化鉀溶液，種子進行呼吸作用消耗氧氣，產(chǎn)生的二氧化碳被氫氧化鉀吸收，于是瓶內的氣體體積減少，u形管右側液面升高。其中液面上升的量就是消耗的氧氣量。但在整個實驗過程中，外界的因素如溫度變化、氣流因素等可能會對實驗結果有影響，因此應設置一個矯正外界因素的對照實驗。即放入等量的煮熟的種子，其他條件不變；若對照組液面不變，說明外界影響因素為0。若對照實驗中右側液面下降，體積變化為正值，說明瓶內氣體體積增大，可能原因是瓶內氣體受熱膨脹，造成體積增大，此時應在實驗值基礎上加上這個數(shù)值。若對照實驗中右側液面上升，也為負值，說明瓶內本身氣體體積也減少，此時應在實驗值基礎上減去這個數(shù)值。在1.5 h時，實驗組讀數(shù)為-2.5，對照組為+0.2，則在此時間內

的實際呼吸速率為(2.5+0.2)／1.5=1.8單位／h。

參考答案：

(1)向上移動

(2)有氧呼吸吸收氧氣，釋放的三氧化碳被氫氧化鈉吸收，氣體體積減少：無氧呼吸

(3)驗證種子呼吸時進行有氧呼吸

(4)放入煮熟的種子，其他條件不變．

(5)氣體受熱膨脹，造成體積增大；1.8

(6)避免微生物的呼吸作用對實驗的干擾

4．5利用設置對照實驗進行定量計算

[例6]在科學研究中常用呼吸商(RQ=釋放的二氧化碳體積／消耗的氧體積)表示生物用于有氧呼吸的能源物質不同。測定發(fā)芽種子呼吸商的裝置如圖4。

關閉活塞，在25℃下經(jīng)20 min讀出刻度管中著色液移動距離。設裝置1和裝置2的著色液分別向左移動xmm和ymm。x和y值反映了容器內氣體體積的減少。請回答：

(1)裝置1的小瓶中加入NaOH溶液的目的是________。

(2)x代表________值，y代表________值。

(3)若測得x=200(mm)，y=30(mm)，則該發(fā)芽種子的呼吸商是________。

(4)若要測定已長出一片真葉幼苗的RQ值，則應將該裝置放于何種條件下進行，為什么?________。

(5)為使測得的x和y值更精確，還應再設置一對照裝置。對照裝置的容器和小瓶中應分別放入______________。設對照的目的是______________。

解析：該實驗實際包括自身對照和相互對照及空白對照。每個實驗裝置實驗前后為自身對照，因此應分別讀出實驗前后刻度管的讀數(shù)。通過裝置1與裝置2兩個實驗組的相互對照，來確定消耗氧的體積與產(chǎn)生的CO₂量。由于裝置1裝有NaOH溶液用來吸收呼吸放出的CO₂，因此裝置1中著色液向左移動的數(shù)值X代表了消耗氧的體積，而對裝置2來說，用等量蒸餾水來代替NaOH溶液，此時裝置2中著色液向左移動的數(shù)值Y表示了消耗氧和釋放二氧化碳的體積之差。若差值為正值時，說明消耗氧氣量大于產(chǎn)生的CO₂量，若差值為負值(即著色液向右移動)時，說明消耗氧氣量小于產(chǎn)生的CO₂量，(X-Y)為產(chǎn)生的二氧化碳的體積。呼吸商=(X-Y)／Y。代人數(shù)值可求得發(fā)芽種子的呼吸商。

對植物來說，研究呼吸作用時，要注意避免進行光合作用，因此凡有葉片時要在暗處進行。

在實驗時，為了避免非生物因素的影響，應再設置空白對照實驗。用死的發(fā)芽種子和蒸餾水用于校正裝置1與2裝置內因物理因素(或非生物因素)引起的容積變化。

參考答案：

(1)吸收呼吸產(chǎn)生的二氧化碳

(2)消耗氧的體積消耗氧和釋放二氧化碳的體積之差

(3)0.85

(4)黑暗。避免因為幼苗進行光合作用，干擾呼吸作用的氣體量的變化

(5)死的發(fā)芽種子和蒸餾水用于校正裝置1和2內因物理因素(或非生物因素)引起的容積變化

4．6強化訓練

[例7]設計實驗探究元素X是否屬于必需的礦質元素，某同學的構思大致如下：

本實驗中采用甲組和乙組之間空白對照，以及乙組中實驗前(無x元素)與實驗后(有X元素)之間的自身對照，其中屬于對照的分別是()

A．甲組、實驗前

B．甲組、實驗后

C．乙組、實驗前

D．乙組、實驗后

[例8]用狗作實驗材料設計一個實驗，證明動物生長激素的分泌器官及其生理作用。

(1)實驗材料：________時期的狗。

(2)實驗處理：

實驗組(一)________

實驗組(二)________

對照組________

(3)觀察實驗：

實驗組(一)________

實驗組(二)________

(4)結論________

[例9]某實驗小鼠適宜生活在25℃左右的環(huán)境中，為探究低于適宜溫度的環(huán)境(如10℃)對小鼠能量代謝的影響(能量代謝的強弱用單位時間的耗氧量表示)，請依據(jù)所給的實驗裝置(圖3)、實驗材料和用品，在給出的實驗方法和步驟的基礎上，繼續(xù)完成探究實驗，預測可能的實驗結果和結論，并回答問題。

實驗室溫度：25℃左右。

材料和用品：小鼠、冰袋、秒表等。

方法和步驟：

步驟1：將小鼠放入廣口瓶的籠子內，加塞密閉。打開夾子(A)、(B)、(C)，片刻后關閉夾子(B)，用注射器抽取10毫升氧氣備用。關閉夾子(C)，打開夾子(B)，使水檢壓計液面左右平齊。

步驟2：________。

步驟3：________。

結果預測和結論：①________②________③________

該實驗最可能的結果和結論應是________。原因是________。

[例10]為了探究酵母菌的細胞呼吸類型，請根據(jù)所給材料和用具設計實驗。

(1)實驗目的：探究酵母菌的細胞呼吸類型

(2)實驗原理：酵母菌如果進行有氧呼吸，即為需氧型，則吸收的O₂量與放出的CO₂量相等。如果只進行無氧呼吸，即為厭氧型，則不吸收O₂，能放出CO₂。如果既進行有氧呼吸又進行無氧呼吸，即為兼性厭氧型，則吸收的O₂量小于放出的CO₂量。

(3)實驗材料和用具：

酵母菌培養(yǎng)液、帶橡皮塞的玻璃鐘罩兩只、燒杯4個、兩根彎曲的帶有紅色液滴的刻度管、NaOH溶液、清水、凡土林。

(4)實驗方法：將實驗材料和用具按圖示配好實驗裝置，如果想得到實驗結論還必須同時設計另一個實驗，請在方框內繪出裝置圖，并注上文字

(5)用表格記錄實驗可能出現(xiàn)的現(xiàn)象和結論。

(6)如果裝置1中液滴向左移動4個單位，裝置2中液滴向右移動4個單位。那么酵母菌此時進行有呼吸消耗的葡萄糖與進行無氧呼吸消耗的葡萄糖的比值為_______。

參考答案：

例7解析：本題中甲乙兩組形成空白對照，甲組是處于正常狀態(tài)下的實驗設置，也是我們可以預測實驗結果的，因此應該是對照組。對于乙組來說，是自身對照，在實驗前、后的自身對照中，實驗后現(xiàn)象的變化是在實驗前的基礎上進行判斷的，因而實驗前應為對照組。本題答案選A。

例8(1)幼年

(2)切除狗的垂體先切除垂體，過一段時期后，再給該狗每天注射一定量的生長激素不做任何處理

(3)生長立刻停滯；先生長停滯，注射激素后又恢復生長

(4)垂體能分泌生長激素，生長激素能促進幼小動物的生長

例9步驟2：待小鼠安靜后，關閉夾子(A)，記下時間，將注射器向前推進5毫升(推進數(shù)量合理即可)，水檢壓計液面左側升高，關閉夾子(B)，待水檢壓計的液面左右平齊時，記錄時間。得到在25℃環(huán)境中小鼠消耗5mL氧氣所用時間。

結果預測和結論：

步驟3：將冰袋放在廣口瓶周圍，調節(jié)距離，使瓶內的溫度穩(wěn)定在10℃，待小鼠安靜后。重復步驟1、2中的有關操作。得到在10℃環(huán)境中小鼠消耗5mL氧氣所用時間。

①消耗5 mL氧氣所用的時間10℃少于25 ℃，說明小鼠的生活環(huán)境從25℃降為10℃時。能量代謝會加強。

②消耗5 mL氧氣所用的時間10℃多于25℃，說明小鼠的生活環(huán)境從25℃降為10℃時，能量代謝會減弱。

③消耗5 mL氧氣所用時間10℃等于25℃，說明小鼠的生活環(huán)境從25℃降為10℃時，能量代謝不受影響。

最可能的結果和結論是：消耗5 mL氧氣所用的時間10℃少于25℃．說明小鼠的生活環(huán)境從25℃降為10℃時，能量代謝會加強。因為小鼠是恒溫動物，在10 ℃比25℃下維持體溫所消耗的能量多。

例10(4)如圖所示：

(注意：用等量的酵母菌溶液，等量的清水代替NaOH溶液，觀察紅色液滴的移動)