实验设计原理1.单一变量原则（1）概念①变量：实验过程中可以发生变化的因素称为变量，即因果关系中所有的可能的因和果。
例如，在探究温度对酶活性的影响实验中，所有可变的因素，包括影响酶活性的温度、pH、酶的抑制剂等因素和酶本身的活性都属于变量。
②自变量：人为改变的变量称作自变量，也称为实验变量，是因果关系中的“因”，是实验的操作对象，应具有可变性和可操作性。
例如①中的温度。
③因变量：随着自变量的变化而变化的变量称作因变量，也称为反应变量，是因果关系中的果，是实验的观察对象，应具有可测性和客观性。
例如①中的酶活性变化。
④无关变量：实验过程中可能还会存在一些可变因素，对实验结果造成影响，这些变量称为无关变量。
无关变量与研究目标无关，但却影响研究结果，实验中应严格控制，否则实验结果的真实性无法得到认定，例如①中的pH和酶的抑制剂。
⑤额外变量：由无关变量引起的变化结果叫做额外变量，额外变量会影响实验结论的准确性。
变量概念示意图（2）原理①单一变量原则：实验的本质是找到自变量和因变量之间的关系，所以在实验中需要排除无关变量的干扰，保证通过自变量影响因变量，从而得出合理的实验结果和结论。
所以单一变量原则就是通过改变单一的自变量，同时控制无关变量，探究自变量对因变量的影响。
【例1】下列有关“探究酶的特性”系列实验的叙述中，正确的是()A.在“探究酶的高效性”实验中，自变量是酶的种类B.在“探究酶的专一性”实验中，自变量一定是酶的种类C.在“探究温度对酶活性的影响”实验中，自变量不止一种D.在“探究pH对酶活性的影响”实验中，无关变量不止一种答案：D解析：酶的活性受pH的影响，每一种酶都有其最适宜pH，pH过高或过低都会使酶的活性降低，甚至失去活性，探究酶催化作用的最适pH时，自变量是pH，无关变量有温度、酶的种类和量、底物的种类和量等，D正确。
2.对照原则（1）原理对照原则：除了一个因素以外，其余因素都保持不变的实验叫做对照实验。
对照实验是单一变量原则实现的具体体现，通过不同组实验的比较，得出合理的结果和结论。
高中所有的探究类实验中，都应设置对照，但具体的对照形式可以是空白对照，也可以是相互对照或自身对照等，有些对照并不需要单独设置对照组。
（2）形式①空白对照空白对照指不做任何实验的对照组或不给对照组以任何处理因素。
但注意，不给对照组任何处理因素是相对于实验组的自变量而言的，无关变量对应的处理需要和实验组中保持一致。
空白对照能对比实验组的变化和结果，增加说服力。
通常未经实验因素处理的对象组为对照组，经实验因素处理的对象组为实验组；或处于正常情况下的对象组为对照组，未处于正常情况下的对象组为实验组。
【例2】如图是某实验小组“探究2，4—D对插枝生根的作用”的实验结果,下列相关叙述错误的是()A.该实验结果体现了2,4—D作用的两重性B.该实验的自变量是2,4—D的浓度C.该实验既有空白对照也有相互对照D.若要进一步探究2,4—D促进生根的最适浓度,则需要在A、B组之间设置一系列2,4—D浓度梯度组答案：D解析：本题考查探究2,4—D对插枝生根的作用的实验。
从实验结果可以看出低浓度2,4—D 促进生根，高浓度2,4—D抑制生根，体现了2,4—D作用的两重性，A正确；该实验分成3组，自变量是2,4—D的浓度，蒸馏水组作为空白对照组，低浓度组和高浓度组之间形成相互对照，B、C正确；若要进一步探究2,4—D促进生根的最适浓度，需要在A、C组之间设置一系列2,4—D浓度梯度组，D错误。
②自身对照自身对照指对照组和实验组都在同一研究对象上进行，不单独另设对照，通过改变自变量，观察实验前后的自身的因变量变化，得出实验结论。
自身对照方法简便，关键是理清实验处理前后对象变化的差异，从而确定自变量和因变量的关系。
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。
【例3】某研究小组欲探究桑叶提取液对患糖尿病小鼠的降血糖效果，设计了一系列实验。
下列有关实验的设计思路，说法错误的是()A.随机选取三组生理状况相同、数量相等的健康小鼠，其中两组制备成患糖尿病的小鼠B.对照组除每天饲喂等量的食物，也要注射等量的桑叶提取液C.每组小鼠在实验开始前和实验结束后都需要测量其血糖浓度D.患糖尿病小鼠既可以作为实验组又可以作为对照组答案：B解析：本实验的目的是探究桑叶提取液对患糖尿病小鼠的降血糖效果，故自变量应为是否注射桑叶提取液，其他无关变量应该保持相同且适宜，因此应该随机选取三组生理状况相同、数量相等的健康小鼠，其中一组小鼠正常，另外两组制备成患糖尿病的小鼠，A正确；根据实验的单一变量原则和对照原则，实验组注射桑叶提取液，则对照组应该注射等量的不含桑叶提取液的溶剂，B错误；该实验的因变量是小鼠的血糖浓度，因此每组小鼠在实验开始前和实验结束后都需要测量其血糖浓度，C正确；患糖尿病小鼠与正常小鼠相比为实验组，同时其前后可以自身对照，也可以作为对照组，D正确。
③相互对照相互对照也称为对比实验，是指不单独设对照组，而是几个实验组相互对比对照，其中每一组既是实验组也是其他组的对照组，由此得出相应的实验结论。
通过实验的相互对比，确立实验变量和反应变量的关系。
在没有空白对照的情况下，各实验组之间遵循单一变量原则，平衡和抵消无关变量的影响，使实验结果具有说服力【例4】某生物兴趣小组利用2,4-D对桂花进行了插枝生根的实验，结果如表所示。
根据以上结果，下列分析正确的是（）A.促进桂花插枝生根的最适2,4-D溶液浓度是10-11mol·L-1B.本实验的对照方法有空白对照和相互对照C.相同浓度的2,4-D溶液和吲哚乙酸溶液对插枝生根的作用相同D.实验表明2,4-D的生理作用是高浓度促进生根，低浓度抑制生根答案：B解析：分析表中数据，以2,4-D溶液浓度为0作为空白对照，不同浓度的2,4-D溶液作为相互对照，同时使用了两种对照方式对结果进行分析。
在因变量及生根数平均值中，随2,4-D 溶液浓度的上升，促进生根的效果越来越好。
所以在实验范围内，2,4-D溶液浓度越大，促进生根效果越好。
虽然2,4-D溶液浓度为10-11mol·L-1在各组实验浓度中最适宜，但是没有出现峰值，不能确定最适浓度，A错误；题中没有涉及有关吲哚乙酸的实验，不能说明相同浓度的2,4-D溶液和吲哚乙酸溶液对插枝生根的作用相同，C错误；表中没有浓度能体现2,4-D 溶液对植物生根有抑制作用，D错误。
④条件对照条件对照是指虽给对象施以某种实验处理，但此处理并非实验的自变量，同时此处理可以更好地证明实验结论，此处理也被称为条件变量。
通常施以条件因素的对象组为对照组，施以实验因素的对象组为实验组。
【例5】在做土壤中分解尿素的细菌的分离与计数实验时，甲组实验用只含尿素做氮源的培养基，乙组实验用另加入硝酸盐的培养基，其他成分都相同，在相同条件下操作、培养与观察，则乙组实验属于()A.空白对照B.标准对照C.相互对照D.条件对照答案：D解析：实验应遵守原则包括：控制单一变量原则，等量原则，对照原则等；对照原则包括空白对照，自身对照，相互对照及条件对照；空白对照：对照组不施加任何处理因素；标准对照：指以已知经典药物在标准条件下与实验药物进行对照；相互对照：几种处理（或水平）互为对照；条件对照：指虽给对象施以某种实验处理，但这种处理是作为对照意义的，或者说这种处理不是实验假设所给定的实验变量意义的。
3.平行重复原则（1）原理：每组实验需要多个实验对象、足够的实验次数，才能避免偶然误差，使得出的结论准确。
反之若实验对象过少，重复次数不足，则容易由于实验对象出现偶然误差形成错误的实验结论。
（2）形式①数量重复：通常实验每组对象应在三个或以上，例如，取生长发育状态相同的白兔若干只，平均分成若干组，保证每组具有多个实验对象，对实验结果进行记录后去除有明显误差的数据，剩下的数据取平均值。
②次数重复：每次实验需要重复三次或以上，使实验结果可重复出现，若实验重复次数不足，则可能造成错误结果，如孟德尔豌豆杂交实验中，每组实验均重复多次，并对每次的结果进行统计和比较。
【例6】某同学为了模拟标记重捕法，用若干黄粒玉米种子代表一定区域内某动物种群个体总数，用50粒白玉米种子代表被标记的个体，则最接近自然条件下种群个体总数和实际操作的模拟步骤是()A.取全部黄粒倒入烧杯→加入50粒白种子→混合均匀→随机抓取→统计黄粒数→计算烧杯中黄粒总数→重复3~5次→计算每次总数的平均值B.取出50粒黄种子→剩余黄粒种子倒入烧杯→加入50粒白种子→混合均匀→随机抓取→统计白粒与黄粒数→计算烧杯中黄粒总数→重复3~5次→计算每次总数的平均值C.取全部黄粒倒入烧杯→加入50粒白种子→随机抓取→统计白粒与黄粒数→混合均匀→计算烧杯中黄粒总数→重复3~5次→计算每次总数的平均值D.取出50粒黄种子→剩余黄粒种子倒入烧杯→加入50粒白种子→随机抓取→混合均匀→统计白粒数→计算烧杯中黄粒总数→重复3~5次→计算每次总数的平均值答案：B解析：由于若干黄粒玉米种子代表一定区域内某动物种群个体总数，而50粒白玉米种子代表被标记的个体，因此设置该动物种群个体总数的操作应为：取出50粒黄种子→剩佘黄粒种子倒入烧杯→加入50粒白种子→混合均匀→随机抓取→统计白粒与黄粒数，由抓取的白粒数占总抓取数的比例等于50粒白种子占烧杯中总种子数的比例，可求出烧杯中黄粒总数，重复3~5次→计算每次总数的平均值，即最接近自然条件下种群个体总数，B正确。
4.其他原则在生物学实验设计中，还有其他几个原则，才能保证结果的准确性和结论的合理性，但在试题中很少直接考查，总结如下。
（1）随机性原则：是指被研究的样本是从总体中任意抽取的。
其目的包括：①消除或减少系统误差，使显著性测验有意义；②平衡各种条件，避免实验结果中的偏差。
在实验描述中，通常体现为随机获取一定数量的实验材料。
在样方法取样中，获取样方需要随机取样。
（2）科学性原则：是指实验的原理要符合科学原理，实验结果的预期有科学依据，实验的各个环节不能偏离生物学基础知识和基本原理，以及其他学科领域的基本原则。
主要体现在以下几个方面。
①实验原理的科学性：实验原理是实验设计的依据，也是用来检验和修正实验过程中失误的依据，因此它必须是经前人总结或经科学检验得出的科学理论。
例如，在颜色反应中，不同物质和不同的检测试剂发生反应产生的颜色是特定的，符合科学性要求。
（3）简便可行性原则：简便是指在设计生物学实验时，要尽量做到实验材料容易获得，实验装置比较简单，实验药品比较便宜，实验操作比较简便，实验步骤比较少，实验时间比较短。
可行是指在设计生物学实验时，要考虑现有的实验条件，要保证现有的条件能够满足实验的要求。