生物实验设计中对照实验的分析及应用

摘　要：就生物实验设计中对照实验的类型、作用进行分析，简述确定对照组的几个原则，并举例说明了对照实验在生物实验设计中的应用。

关键词：对照实验　空白对照　自身对照

中图分类号：G633．91　文献标识码：B

设置对照实验是生物实验设计中的基本原则之一。如何设置、确定对照实验是生物实验设计及考试中常常遇到的难点。下面通过分析对照实验的类型作用等，以助于对对照实验的理解判断和设计应用。

1　生物实验中对照实验的类型

1．1　空白对照

不给对照组任何处理因素，因而空白对照能明白地对比和衬托出实验组的变化和结果，增强了实验结果的说服力。设置空白对照目的是为了说明实验对象所具备的性质等，作为“空白对照”，它的实验结果应该是预知的。所以空白组明显的就是我们所指的对照组了。例如证明甲状腺激素可促进幼小动物的发育的实验中，不作任何处理喂养正常食物的一组是空白对照。

1．2　条件对照

虽然给对照组施以部分实验因素，但不是所要研究的处理因素。处理不是我们在实验假设所给定的实验变量意义的。这种处理是有对照意义的。例如证明甲状腺激素可促进幼小动物的发育的实验中，给小蝌蚪喂养添加有甲状腺激素抑制剂食物的一组就是条件对照。

1．3 自身对照

对照和实验都在同一研究对象上进行。有的是同一研究对象在实验前后对照，如“观察植物细胞的质壁分离和复原”的实验；有的是在同一研究对象的不同部位进行对照，如利用银边天竺葵(叶片边缘无绿色)证明光合作用需要叶绿素等。

1．4　相互对照

相互对照是指不另设对照组，而是在进行的几个实验相互之间形成对比对照。如探究酶的最适温度分成不同的实验组。如用不同浓度的蔗糖溶液来测定细胞液浓度实验时，彼此不同的浓度梯度形成相互对照。

2　对照实验的作用

设计对照实验可以说明生物体内某物质具有某项性质而其他物质没有。如为了证明酶具有高效性，需要将新鲜的肝脏研磨液与Fe³⁺催化效率进行对比，设计了让Fe³⁺作对照组。如果没有Fe³⁺对照组，就无法体现酶的高效性。又如为了说明甲状腺激素的作用，设计了正常食物给小蝌蚪喂养的空白对照组，添加有甲状腺激素抑制剂食物喂养的条件对照组。

设计对照实验可以说明生物体某些生理功能产生的条件或某些物质发挥作用的条件，如研究影响光合作用进行的条件，就需要设置相关的对照组。

为了消除实验中无关变量对实验结果数量上的影响需要设置对照组，在涉及有关定量实验时，因为生物体生命活动过程中容易受到环境中各种不可预知因素的影响，为了使实验统计的数据更加准确，就需设置对照组。如测定种子的呼吸速率时，要考虑对外界因素的影响，需要设置对照组。此外，通过对照实验，还可以纠正实验误差。

设置对照实验可以控制无关变量处于适宜条件。由于在生物学实验过程中，干扰实验结果出现的因素是多方面的，不仅有实验变量，也有无关变量。在防止无关变量对实验结果的干扰时，首先必须要保证无关变量适宜，但无关变量是多方面的，甚至是不可预知的，有时还经常受到实验者以至我们人类对生命活动规律认知水平的限制。那么怎样保证无关变量适宜呢?最简单有效的方法就是设置对照组，对照组只有在出现预期结果时，才能说明无关变量是适宜的。

通过对照实验可以得到我们需要的实验数据。如探究生长素作用的最适浓度时，设置不同的浓度梯度作为相互对照。从中才能得到实验结果。

3　生物实验设计类习题中对照组的判断

如何区分确定实验组与对照组。应该综合分析来确定。一般地说，可从以下几个方面结合起来判断。

一般情况下，针对实验所要研究的因素，不作任何实验处理的对象组，一般作为对照组，如各种空白对照。

用实验所研究的因素处理的对象组称为实验组，未用实验所研究的因素处理的对象组称为对照组。但要注意的是：用实验因素处理，并非对实验因素的处理。如萨克斯关于“光合作用需要光照”的实验中，实验因素为“光照”，因此，用“光照”处理的曝光组就为实验组；未用实验因素(光照)处理的遮光组就为对照组。

根据实验对象是否处于正常状态来确定。一般情况下，把处于正常生活状态下的实验对象确定为对照组。

综合以上几点，我们知道设置对照实验是起到衬托作用。对照实验应该是根据日常生活经验预先知道的。实验结果有一定的可预测性。如果发现真正做实验之后对照组的实验结果与预期的结果是不相符合的，说明此实验操作过程有误，宣布实验失败；如各种空白对照实验。而如果不能确定预测实验结果的就是相互对照了。事实上相互对照各组都是实验组。

通过分析对照实验的类型和作用，目的是为了帮助学生更好地分析确定设计对照实验，下面通过典型例题进行应用分析。

4　对照实验在生物试题的应用分析

4．1 生物实验中对照组的确定

[例1](2005年普通高等学校春季招生考试)为验证光是植物生长发育的必要条件，设计如下实验：选择生长状况一致的小麦幼苗200株，随机均分为实验组和对照组，分别处理并预期结果。下面是关于实验组或对照组的处理方法和预期结果的几种组合，其中正确的是(　)

①实验组②对照组③黑暗中培养④在光下培养⑤生长发育好⑥生长不良

A．②③⑤

B．①③⑥

C．①④⑤

D．②④⑥

解析：小麦苗在光下培育生长发育良好，在黑暗中培养生长不良，这是常识性的判断，也是人们可以预先知道的，这并非是考查的主要目标。本题主要考查对实验组与对照组的判断，对于植物来讲正常情况下是生长在光下的，黑暗中的培养(无光照)是一种人为的控制，所以黑暗中培养是实验组，光下培养是对照组。选B。

[例2]大麦种子结构如图1(a)发芽时，胚产生赤霉素。有人推测赤霉素扩散到糊粉层，诱导合成淀粉酶，淀粉酶再分泌到胚乳中，使储藏的淀粉分解，为胚生长发育提供物质和能量。有同学对此开展课题研究，假设你是其中一员，请根据课题研究要求，回答有关问题：课题一：赤霉素能否诱导淀粉酶合成。

假设：赤霉素能诱导淀粉酶合成实验。供选材料：表面消毒的干燥大麦种子若干粒，将种子横切成两部分(X部分无胚，Y部分有胚)，如图1(b)所示。

供选试剂：①蒸馏水、②适当浓度的赤霉素溶液。

方法：请在表1空格内填入适当的材料、试剂和用于定量测定的物质名称。

结果：若假设成立，实验组和对照组的结果将如图2中的_______和_______。

解析：本题是探究赤霉素能否诱导淀粉酶合成，但根据本题回答项目首先应确定实验组与对照组，同

时应考虑到单一变量原则。当用x(无胚部分)作使用材料时，分别向2组加入适当浓度的赤霉素溶液或蒸馏水做实验，其中加入蒸馏水是为了作空白对照。当用蒸馏水作实验时，而分别用有胚部分和无胚作实验材料时，其中有胚部分加入蒸馏水能出现赤霉素诱导淀粉酶合成的结果，而无胚部分(X)加入蒸馏水不能出现赤霉素诱导淀粉酶合成的结果。在这里无胚部分与有胚部分之间形成了对照。其中无胚部分起到了空白衬托作用，作为对照组。

如选淀粉酶为测定物，则应为C和D，如选淀粉为测定物，则应为A和B。

4．2　验证性实验中的对照实验应用分析

[例3]为了验证甲状腺激素的生理作用，试以大白鼠的耗氧量和活动量为观察指标，根据给出的实验材料和用具，设计实验步骤，预测实验结果，并作出分析。

(1)材料和用具：日龄相同体重相近的雄性成年大白鼠两组，甲状腺激素溶液，蒸馏水，灌胃器，耗氧量测定装置，小动物活动测定仪等。

(实验提示：给药途径为每日灌胃，给药剂量和仪器操作不作考试要求，室温恒定。)

(2)方法与步骤：______。

(3)结果预测与分析：______。

解析：本题看是常规的实验设计与分析预测，但对考生实验设计过程中思维的严密性有较高的要求。设计的实验步骤中，不仅需要设置空白对照，更需要注意的是，在实验前对实验鼠分别用给出的仪器，测定与记录耗氧量和活动量，也就需要进行前测，这是一般考生容易忽略的。因为本实验是要测定耗氧量和活动量，对于不同的鼠来讲，其初始的状态是可能存在着差异的，只有进行了前测，实验前后才具有比较的可能，才能反映施加变量前后小鼠状态是否发生改变。也就是说本实验，不仅涉及到两组实验间的对照，也需要实验前后的对照

参考答案：

(2)方法与步骤：

①将2组大白鼠分别标号为甲组和乙组，并分别用给出的仪器，测定与记录耗氧量和活动量。②每日用灌胃器给予甲组鼠灌胃甲状腺激素溶液，给予乙组鼠灌胃等量的蒸馏水，饲养一定时间。③测定与记录甲、乙组鼠的耗氧量和活动量

(3)结果预测与分析：①未给甲状腺激素时，甲、乙两组鼠的耗氧量和活动量相近。②给甲组鼠甲状腺激素后，其耗氧量和活动量均大于乙组鼠。结果表明甲状腺激素能促进新陈代谢，加速体内物质的氧化分解，提高神经系统的兴奋性，从而使动物的耗氧量和活动量增加。

4．3　探究性实验中对照实验的应用分析

[例4]研究性学习小组的同学在某电镀厂排水口采集重金属污染液1 000mL。利用以下实验材料和器材设计实验，探究不同浓度重金属污染液对水稻种子萌发和生长的影响。

实验材料和器材：水稻种子；试管；培养皿；纱布；尺子(100 mml；蒸馏水；恒温光照培养箱，温度设定为28℃，光强度为2 000Lx)；(实验材料和器材的数量不限)。

根据给出的实验材料和器材，请设计实验方法和步骤。预测实验结果并作出分析。

(1)方法和步骤：______。

(2)结果预测和分析：______。

解析：本题是利用题给材料探究不同浓度重金属污染液对水稻种子萌发和生长的影响，因此应设置不同的浓度梯度作为实验组从而彼此作为相互对照。可用蒸馏水逐级稀释重金属污染液来得到，需注意的是，不同浓度梯度的梯度差应相同，同时还应设置蒸馏水作空白对照。

需要注意本题研究的有不同浓度重金属污染液对水稻种子萌发和生长2个方面的影响。设置实验步骤时，应充分利用题目给的实验材料和器材，用水稻种子作为研究种子萌发的实验材料。用纱布浸润重金属污染液或蒸馏水，放置恒温光照培养箱培养，统计一段时间后种子的萌发率，通过比较可知不同浓度重金属污染液对水稻种子萌发率的影响。用尺子测量种子萌发后株高或根长作为生长的标志。可知其对生长的影响。

参考答案：

(1)方法和步骤：

①用蒸馏水将重金属污染液逐级稀释10、10²、10³、10⁴倍，获得4种不同浓度污染液；

②挑选籽粒饱满、大小一致的水稻种子250粒．随机分成5组：

③取5只培养皿加入等体积的不同浓度重金属污染液(浸润纱布即可)，另1只培养皿的纱布加入等体积的蒸馏水作对照；

④每只培养皿的纱布上，均匀放置50粒水稻：

⑤将5只培养皿置于恒温光照培养箱培养，每天实验组补充等量的相应浓度的重金属污染液，对照组补充等体积的蒸馏水，以保持纱布的湿润。

⑥一周后统计各组的发芽率，用尺子测量幼苗株高(或根长)，计算平均值。

(2)结果预测和分析

不同浓度的重金属污染液对水稻种子的萌发均有抑制作用，随着浓度的增加，萌发率逐渐降低。不同浓度的重金属污染液对水稻生长的萌发均有抑制作用，随着浓度的增加，幼苗株高(或根长)逐渐变小。

4．4　利用对照实验校正实验误差

[例5]图3是测量种子萌发时锥形瓶中气体体积变化的实验装置。锥形瓶中放的种子事先用水浸泡过并在稀释的消毒剂中清洗过(不影响种子生命力)。实验开始时管Y与管X液面相平，每隔0.5h利用标尺量出X管内的液面高度变化，实验结果记录于表2。回答下列问题：

(1)管x中液面是怎样移动的?________。

(2)解释0～3.5 h内气体体积变化原因________。

估计3.5～4 h内种子的呼吸作用的方式为________。

(3)此实验的实验目的是________。

(4)简述如何设置此实验的对照。

实验________。

(5)如果对照实验中气体体积变化在1.5 h是+0.2个单位，解释可能的原因是________；同等条件下萌发的种子中的实际呼吸速率是________单位／h。

(6)种子为什么要在稀释的消毒剂中清洗?

解析：锥形瓶中放入活的种子进行呼吸作用，由于锥形瓶中放有氢氧化钾溶液，种子进行呼吸作用消耗氧气，产生的二氧化碳被氢氧化钾吸收，于是瓶内的气体体积减少，u形管右侧液面升高。其中液面上升的量就是消耗的氧气量。但在整个实验过程中，外界的因素如温度变化、气流因素等可能会对实验结果有影响，因此应设置一个矫正外界因素的对照实验。即放入等量的煮熟的种子，其他条件不变；若对照组液面不变，说明外界影响因素为0。若对照实验中右侧液面下降，体积变化为正值，说明瓶内气体体积增大，可能原因是瓶内气体受热膨胀，造成体积增大，此时应在实验值基础上加上这个数值。若对照实验中右侧液面上升，也为负值，说明瓶内本身气体体积也减少，此时应在实验值基础上减去这个数值。在1.5 h时，实验组读数为-2.5，对照组为+0.2，则在此时间内

的实际呼吸速率为(2.5+0.2)／1.5=1.8单位／h。

参考答案：

(1)向上移动

(2)有氧呼吸吸收氧气，释放的三氧化碳被氢氧化钠吸收，气体体积减少：无氧呼吸

(3)验证种子呼吸时进行有氧呼吸

(4)放入煮熟的种子，其他条件不变．

(5)气体受热膨胀，造成体积增大；1.8

(6)避免微生物的呼吸作用对实验的干扰

4．5　利用设置对照实验进行定量计算

[例6]在科学研究中常用呼吸商(RQ=释放的二氧化碳体积／消耗的氧体积)表示生物用于有氧呼吸的能源物质不同。测定发芽种子呼吸商的装置如图4。

关闭活塞，在25℃下经20 min读出刻度管中着色液移动距离。设装置1和装置2的着色液分别向左移动xmm和ymm。x和y值反映了容器内气体体积的减少。请回答：

(1)装置1的小瓶中加入NaOH溶液的目的是________。

(2)x代表________值，y代表________值。

(3)若测得x=200(mm)，y=30(mm)，则该发芽种子的呼吸商是________。

(4)若要测定已长出一片真叶幼苗的RQ值，则应将该装置放于何种条件下进行，为什么?________。

(5)为使测得的x和y值更精确，还应再设置一对照装置。对照装置的容器和小瓶中应分别放入______________。设对照的目的是______________。

解析：该实验实际包括自身对照和相互对照及空白对照。每个实验装置实验前后为自身对照，因此应分别读出实验前后刻度管的读数。通过装置1与装置2两个实验组的相互对照，来确定消耗氧的体积与产生的CO₂量。由于装置1装有NaOH溶液用来吸收呼吸放出的CO₂，因此装置1中着色液向左移动的数值X代表了消耗氧的体积，而对装置2来说，用等量蒸馏水来代替NaOH溶液，此时装置2中着色液向左移动的数值Y表示了消耗氧和释放二氧化碳的体积之差。若差值为正值时，说明消耗氧气量大于产生的CO₂量，若差值为负值(即着色液向右移动)时，说明消耗氧气量小于产生的CO₂量，(X-Y)为产生的二氧化碳的体积。呼吸商=(X-Y)／Y。代人数值可求得发芽种子的呼吸商。

对植物来说，研究呼吸作用时，要注意避免进行光合作用，因此凡有叶片时要在暗处进行。

在实验时，为了避免非生物因素的影响，应再设置空白对照实验。用死的发芽种子和蒸馏水用于校正装置1与2装置内因物理因素(或非生物因素)引起的容积变化。

参考答案：

(1)吸收呼吸产生的二氧化碳

(2)消耗氧的体积 消耗氧和释放二氧化碳的体积之差

(3)0.85

(4)黑暗。避免因为幼苗进行光合作用，干扰呼吸作用的气体量的变化

(5)死的发芽种子和蒸馏水 用于校正装置1和2内因物理因素(或非生物因素)引起的容积变化

4．6　强化训练

[例7]设计实验探究元素X是否属于必需的矿质元素，某同学的构思大致如下：

本实验中采用甲组和乙组之间空白对照，以及乙组中实验前(无x元素)与实验后(有X元素)之间的自身对照，其中属于对照的分别是(　)

A．甲组、实验前

B．甲组、实验后

C．乙组、实验前

D．乙组、实验后

[例8]用狗作实验材料设计一个实验，证明动物生长激素的分泌器官及其生理作用。

(1)实验材料：________时期的狗。

(2)实验处理：

实验组(一)________

实验组(二)________

对照组________

(3)观察实验：

实验组(一)________

实验组(二)________

(4)结论________

[例9]某实验小鼠适宜生活在25℃左右的环境中，为探究低于适宜温度的环境(如10℃)对小鼠能量代谢的影响(能量代谢的强弱用单位时间的耗氧量表示)，请依据所给的实验装置(图3)、实验材料和用品，在给出的实验方法和步骤的基础上，继续完成探究实验，预测可能的实验结果和结论，并回答问题。

实验室温度：25℃左右。

材料和用品：小鼠、冰袋、秒表等。

方法和步骤：

步骤1：将小鼠放入广口瓶的笼子内，加塞密闭。打开夹子(A)、(B)、(C)，片刻后关闭夹子(B)，用注射器抽取10毫升氧气备用。关闭夹子(C)，打开夹子(B)，使水检压计液面左右平齐。

步骤2：________。

步骤3：________。

结果预测和结论：①________②________③________

该实验最可能的结果和结论应是________。原因是________。

[例10]为了探究酵母菌的细胞呼吸类型，请根据所给材料和用具设计实验。

(1)实验目的：探究酵母菌的细胞呼吸类型

(2)实验原理：酵母菌如果进行有氧呼吸，即为需氧型，则吸收的O₂量与放出的CO₂量相等。如果只进行无氧呼吸，即为厌氧型，则不吸收O₂，能放出CO₂。如果既进行有氧呼吸又进行无氧呼吸，即为兼性厌氧型，则吸收的O₂量小于放出的CO₂量。

(3)实验材料和用具：

酵母菌培养液、带橡皮塞的玻璃钟罩两只、烧杯4个、两根弯曲的带有红色液滴的刻度管、NaOH溶液、清水、凡土林。

(4)实验方法：将实验材料和用具按图示配好实验装置，如果想得到实验结论还必须同时设计另一个实验，请在方框内绘出装置图，并注上文字

(5)用表格记录实验可能出现的现象和结论。

(6)如果装置1中液滴向左移动4个单位，装置2中液滴向右移动4个单位。那么酵母菌此时进行有呼吸消耗的葡萄糖与进行无氧呼吸消耗的葡萄糖的比值为_______。

参考答案：

例7解析：本题中甲乙两组形成空白对照，甲组是处于正常状态下的实验设置，也是我们可以预测实验结果的，因此应该是对照组。对于乙组来说，是自身对照，在实验前、后的自身对照中，实验后现象的变化是在实验前的基础上进行判断的，因而实验前应为对照组。本题答案选A。

例8(1)幼年

(2)切除狗的垂体先切除垂体，过一段时期后，再给该狗每天注射一定量的生长激素不做任何处理

(3)生长立刻停滞；先生长停滞，注射激素后又恢复生长

(4)垂体能分泌生长激素，生长激素能促进幼小动物的生长

例9步骤2：待小鼠安静后，关闭夹子(A)，记下时间，将注射器向前推进5毫升(推进数量合理即可)，水检压计液面左侧升高，关闭夹子(B)，待水检压计的液面左右平齐时，记录时间。得到在25℃环境中小鼠消耗5mL氧气所用时间。

结果预测和结论：

步骤3：将冰袋放在广口瓶周围，调节距离，使瓶内的温度稳定在10℃，待小鼠安静后。重复步骤1、2中的有关操作。得到在10℃环境中小鼠消耗5mL氧气所用时间。

①消耗5 mL氧气所用的时间10℃少于25 ℃，说明小鼠的生活环境从25℃降为10℃时。能量代谢会加强。

②消耗5 mL氧气所用的时间10℃多于25℃，说明小鼠的生活环境从25℃降为10℃时，能量代谢会减弱。

③消耗5 mL氧气所用时间10℃等于25℃，说明小鼠的生活环境从25℃降为10℃时，能量代谢不受影响。

最可能的结果和结论是：消耗5 mL氧气所用的时间10℃少于25℃．说明小鼠的生活环境从25℃降为10℃时，能量代谢会加强。因为小鼠是恒温动物，在10 ℃比25℃下维持体温所消耗的能量多。

例10(4)如图所示：

(注意：用等量的酵母菌溶液，等量的清水代替NaOH溶液，观察红色液滴的移动)