【正文】 全面性原則是要求在實驗觀察中，盡可能地運用多種感官從多方面、多角度、多層次地進行觀察。還有的假象是由于一些媒介的作用，如物體在不同介質(zhì)中的折射作用。假象是自然界中的一種“正?，F(xiàn)象”，自然界錯覺的產(chǎn)生也是影響觀察客觀性的原因，它是由于實驗者生理或心理上的局限所造成的。思維的定勢是導(dǎo)致主觀性的思想根源，由于實驗者根據(jù)以往的經(jīng)驗、知識和思維模式很難突破認識的局限，往往對觀察到的事實選取自己主觀想像的材料，即所謂“取已所需”。客觀性原則的基本點就是防止主觀性。(2)客觀性原則。目的性是科學觀察區(qū)別于一般感知活動的根本標志，它反映了實驗者的主動性。4．生物學實驗中觀察的基本原則生物學實驗中的觀察既然不是盲目的、隨意的觀察，就必須遵循一定的原則。生物學實驗中的觀察根據(jù)觀察結(jié)果是否提供數(shù)據(jù)可以分為定性觀察和定量觀察，也可以根據(jù)觀察在實驗中的認識作用分為探索性觀察和驗證性觀察，還可以根據(jù)觀察的特征分為靜態(tài)觀察和動態(tài)觀察以及比較觀察。實驗過程實際上就是控制活動和觀察活動的有機結(jié)合。在生物學實驗中，實驗者不是簡單地對研究對象進行觀察，而是運用實驗手段，通過對研究對象和實驗條件的控制和干預(yù)，獲得在自然狀態(tài)下難以得到的更翔實、更準確、更便于比較和易于觀察的事實。3．生物學實驗中的觀察任何實驗都離不開科學觀察，沒有無觀察的實驗，只有非實驗的觀察(即自然觀察)。在生物科學史上，很多假說是通過科學觀察得到驗證后才成為理論的。古人類學家古道爾，運用觀察的方法，在非洲肯尼亞的熱帶密林里建立了觀察哨，經(jīng)過10年對黑猩猩全部生活的深入觀察，寫出了《人類的近親》、《我在黑猩猩中生的活》等極有科學價值的著作，為古人類學的研究開辟了一條新路?？茖W觀察不僅可以為已被發(fā)現(xiàn)但尚未被充分認識的自然事物和現(xiàn)象提供更為豐富、翔實的感性材料，而旦可以直接導(dǎo)致科學上的重大發(fā)現(xiàn)，使人對迄今為止尚不知道或根本不曾想到的事物獲得認識，從而為科學發(fā)展開辟新方向。原始資料的獲得是一切科學知識的起點，從這個意義上說，科學始于觀察。另外，即使在必須經(jīng)過人為控制或干預(yù)而進行實驗研究的領(lǐng)域，也需要對實驗所表現(xiàn)出的現(xiàn)象進行觀察、記錄和描述?？茖W觀察和自然觀察各有其存在的價值，不能完全互相替代。生物學實驗中的科學觀察與自然觀察的根本區(qū)別，在于觀察活動的先決條件。二、生物學實驗中的科學觀察1．科學觀察的含義科學觀察是進行生物科學研究的一種最基本的方法，它是獲得經(jīng)驗知識，為科學理論的建立提供第一手原始資料的重要途徑和手段。通過對多種因素即實驗條件的控制，就可以在諸因素中獲得對株高影響最顯著的條件。例如，在考察白天光照和夜間溫度對某一種植物的株高的影響的實驗中，需要對光照和溫度這兩種因素加以控制，在控制時，可以將每種因素人為地設(shè)計為幾個水平，如對白天光照的時間分別控制為8小時、10小時、12小時3個水平的處理，對夜間溫度可以分為高溫、低溫2個水平的處理。(2)多因素控制方式。對飼料的控制表現(xiàn)在人為地設(shè)計幾種水平的配方，以考察哪一種配方的增重效果最好。通過比較飼料(即某一因素)的不同配方(即不同水平)對小雞增重量(即實驗結(jié)果)的影響，從而選擇出最佳飼料配方(即實驗條件)。它們的增重量如下表：組 別每只雞增重量(g)155 49 42 21 52261 99 30 89 63342 97 81 95 92在這里，飼料作為該實驗的重要條件，也稱為因素，而3種不同的飼料就是該因素的3個不同水平，喂給小雞的每種飼料就是1個處理。4．對實驗條件的控制方式在生物學實驗實施的過程中，對實驗條件的控制方式很多，根據(jù)所要控制因素的多少，分為以下兩種：(1)單因素控制方式。實際上，很多生物學實驗就是對實驗條件的研究，因此，有時實驗條件本身也就是研究對象。在這里，對天數(shù)的控制就成為該實驗條件控制的關(guān)鍵。所謂實驗條件的控制，就是通過限制、改變實驗條件，并運用不同的對比或?qū)φ諏嶒瀬硖綄か@得最佳效果的實驗條件的科學方法，即創(chuàng)造一個典型環(huán)境或特殊條件而進行的控制活動。例如，具有光合作用生理功能的必須是含有葉綠素的植物(或微生物)，只有葉綠素分子才能吸收光能，并激發(fā)出高能電子，從而進行能量轉(zhuǎn)換。實際上；每一種實驗條件對實驗都有各自的影響，而最終的影響是各種條件相互作用的綜合效應(yīng)。因此，在光合作用的實驗中，溫度條件控制在25—30℃，可得到比較理想的實驗效果。例如，光合作用實驗中，溫度是一個重要條件。如果斐林試劑的配制在順序或時間上稍有差錯，則正常的結(jié)果就不能表現(xiàn)出來。例如，在“生物組織中可溶性糖的鑒定”的實驗中，斐林試劑是一個重要條件，它是通過與糖發(fā)生顏色反應(yīng)而鑒定糖的存在的指示劑。例如，上述組織培養(yǎng)的實驗中，無菌條件不嚴格，則愈傷組織將受到污染而不能分化；溫度不適宜則愈傷組織也不能分化；培養(yǎng)基的營養(yǎng)成分不全面，如缺少礦質(zhì)元素，也影響愈傷組織的分化，即使分化出組織器官，由于得不到全面的營養(yǎng)，也不會正常發(fā)育。例如，恒溫箱是控制溫度的重要設(shè)備，不同容量的移液管能夠保證液體容量的精確。儀器裝置作為生物學實驗的物質(zhì)手段，同樣也是實驗的重要條件之一。對生物材料各種組織的染色是清晰觀察的保證，因此染料的選擇也是重要的條件。生物學實驗中常常需要用到化學藥品試劑，這類實驗條件包括不同藥品的種類、純度、濃度、狀態(tài)、質(zhì)量等。時空條件也可以看做環(huán)境條件。(2)時空條件對實驗對象在不同時間處理或處理時間的長短都會產(chǎn)生不同的效果，如洋蔥根尖的有絲分裂在一天的24小時中是不同的，一般來說，下午2時是有絲分裂的高峰期，此時觀察效果最佳。環(huán)境對實驗結(jié)果的影響是非常重要的條件。如在進行“植物組織培養(yǎng)”的實驗中，光照、溫度、培養(yǎng)基的營養(yǎng)成分、無菌操作的裝置等，都對愈傷組織能否分化以及發(fā)育產(chǎn)生直接或間接的影響，因此，這些都構(gòu)成該實驗的條件。第三節(jié) 生物學實驗的實施生物學實驗實施過程主要包括對實驗條件的控制、對實驗現(xiàn)象的觀察和記錄以及對實驗結(jié)果的分析和討論。人造模型是指人工制造出來的代替原型進行實驗的某種裝置。自然模型是人們從自然界已有的事物中選擇出來代替原型作為研究對象的事物，例如，在醫(yī)學中，選擇某種動物作為人類的模型進行藥物反應(yīng)實驗。實物模型的替代物是具體的實物，它可以被人的感官直接感知，并與原型在結(jié)構(gòu)或功能上相似。理論模型包括圖像模型、邏輯模型和數(shù)學模型等。模型的這種雙重作用，決定了模擬實驗在生物學實驗和生物科學研究中的重要性。2．模擬實驗中的模型根據(jù)模擬實驗的含義，我們可以將模擬實驗的構(gòu)成用下式表示：實驗者實驗手段實驗?zāi)Ｐ蛯嶒炘湍M實驗的產(chǎn)生，使實驗者突破了傳統(tǒng)的生物學實驗的思維模式，同時，也使生物學實驗過程中文增加了一種特殊的要素——模型。在實驗研究中，實驗手段只直接作用于模型，而不直接作用于原型。這種實驗就叫做模擬實驗。因此必須采取模擬的方法，即通過模擬實驗才能進行。六、模擬實驗實驗者在進行生物學實驗時，就是按照研究目的，利用一定的手段，去控制和干預(yù)研究對象或研究過程中的某些因素，但是，自然界中有許多現(xiàn)象是人們難以直接控制和干預(yù)的。析因?qū)嶒炦€可以用于探索性實驗中實驗現(xiàn)象和結(jié)果與預(yù)期的不一致，或?qū)嶒灣霈F(xiàn)了異?，F(xiàn)象時。析因?qū)嶒灥奶攸c是：結(jié)果是已知的，即所表現(xiàn)出的生命現(xiàn)象是客觀的、可見的，而影響或造成這種現(xiàn)象或結(jié)果的各種因素，特別是主要因素是未知的。這種實驗稱為析因?qū)嶒?。因此，對照比較實驗中對相關(guān)因素的控制作用即人為干預(yù)的作用更大。在對照比較實驗中，為了獲得可靠的實驗結(jié)果，應(yīng)該注意以下兩點：第一，除了用于比較的因素外，其他因素必須加以嚴格控制，并盡量趨于相同；第二，要注意消除實驗中的系統(tǒng)誤差，這需要采取隨機方法抽取樣本，并運用數(shù)理統(tǒng)計的方法來做出顯著性檢驗。例如，在研究一種叫做“生脈散”的藥物對運動員消除疲勞的作用時，實驗組服用的是生脈散糖水制劑，而空白對照組并非什么都不服用，而是服用5％的淡糖水作為空白，也稱“安慰劑”。如果實驗組給予的是溶解在生理鹽水中的抗癌藥物，則對照組就應(yīng)給予等量的生理鹽水作空白。需要說明的是，“空白，絕不是什么影響因素都不給予，而是針對實驗組所要研究的因素給予空白，以突出或純化所要研究的因素。(2)空白對照。經(jīng)實驗，如果這種新的抗生素與有效的青霉素有同樣的作用，則這種抗生素的抗菌作用得到證明，反之，則被否定。給對照組施以已經(jīng)被證明是一種有效的處理因素。依據(jù)對研究對象的影響與否，又可以將對照比較實驗分為“陽性對照”和“空白對照”。將實驗組中的未知因素同對照組的已知因素進行對照比較，通過對實驗組的人為干預(yù)，以確定該因素的影響作用。同一物種在不同環(huán)境中引起的形態(tài)方面的變化，或不同物種由于生活在相同的環(huán)境中發(fā)生的系統(tǒng)的趨同效應(yīng)，也可以進行比較(圖2—2)。1．相對比較實驗相對比較實驗是在兩種或多個相似組樣之間進行比較，以確定實驗組樣之間某種特性上的異同、優(yōu)劣。這種實驗要設(shè)置兩個或兩個以上的相似組樣，一個是對照組，作為比較的標準；另一個是實驗組，通過某種實驗步驟，在兩組之間判定實驗組是否具有某種性質(zhì)或影響。中學生物學教學中設(shè)計一些定量實驗不僅可以幫助學生樹立“量化”意識，學會用數(shù)據(jù)表達實驗結(jié)果的科學方法和嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，還可以通過探尋各因素之間的量化關(guān)系，進行邏輯思維的訓(xùn)練。定量實驗有定性實驗所不能取代的作用。實際上，生物學實驗中的量化也是可以用數(shù)學函數(shù)式表達的，特別是現(xiàn)代生物學的發(fā)展，生物統(tǒng)計學已經(jīng)成為一門重要的生物學實驗工具學科。由于生物學實驗的研究對象及其環(huán)境影響的復(fù)雜性，生物學實驗中的定量往往難于把握，也很難形成如物理學中的或化學中的“玻義爾—馬略特定律的數(shù)學表達式”等函數(shù)關(guān)系。這種揭示各因素之間數(shù)量關(guān)系的實驗稱為定量實驗。2．定量實驗為了對研究對象的性質(zhì)、組成及影響因素有更深入的認識，就必須探究它們之間的數(shù)量關(guān)系，否則，得出的結(jié)論就可能是相反的。它主要是把注意力集中于了解研究對象“質(zhì)”的特性方面，是進行定量實驗的基礎(chǔ)。這是一種最基本的實驗方法。1．定性實驗定性實驗是判斷研究對象具有哪些性質(zhì)，并判定某種物質(zhì)的成分、結(jié)構(gòu)或者鑒別某種因素是否存在，以及某些因素之間是否具有某種關(guān)系的一種實驗方法。同時，激素濃度的高低對生物體的生長發(fā)育及各種代謝所起的作用是不同的，甚至是相反的，如吲哚乙酸(即植物生長素)的不同濃度對植物的同一器官的生長所起的作用是不同的(圖2—1)。三、定性實驗和定量實驗各種研究對象都具有“質(zhì)”和“量”的兩個方面的特性。在對研究對象的探索過程中，對未知的研究目標，必然要提出假設(shè)或猜想，并做出預(yù)期，只有通過驗證性實驗來證明假設(shè)的正確與否，才能得出科學的結(jié)論。實際上，在生物科學研究的過程中，探索性實驗和驗證性實驗往往是不可分割的。因此，驗證性實驗是把研究對象引向深入的重要環(huán)節(jié)。2．驗證性實驗驗證性實驗是驗證某一個理論是否正確的實驗。生物科學史上的很多重大發(fā)現(xiàn)和理論的建立，都是通過長期的探索性實驗才得以實現(xiàn)的。當然，這種摸索和嘗試，并不是像古人那樣盲目地“試錯”，而是根據(jù)一定的實驗?zāi)康模靡阎臈l件，用外加因素去干擾研究對象，以觀察實驗中發(fā)生了什么現(xiàn)象，產(chǎn)生了什么結(jié)果，并通過推理得出結(jié)論。二、探索性實驗和驗證性實驗1．探索性實驗探索性實驗是探索研究對象的未知屬性、特征以及與其他因素的關(guān)系的實驗方法。例如，生態(tài)學、環(huán)境科學以及生物的生活習性方面的實驗研究等都離不開自然實驗。2．自然實驗自然實驗是在研究對象處于自然環(huán)境中和自然狀態(tài)下對其加以考察的一種實踐活動。一、實驗室實驗和自然實驗1．實驗室實驗所謂實驗室實驗，是指在實驗室內(nèi)，通過各種實驗儀器和設(shè)備，在人為地制造、控制或改變實驗對象的狀態(tài)和條件下，考察與研究實驗對象的一種有目的、有計劃的操作或?qū)嵺`活動。如在中學生物學教學中，還有很多觀察實驗、調(diào)查實驗，課堂中根據(jù)教師的作用還有演示實驗、學生獨立實驗等。由于生物科學研究的復(fù)雜性，生物學實驗隨著科學技術(shù)的進步與發(fā)展，隨著實驗儀器、設(shè)備等手段的不斷更新，其種類也越來越具有多樣性?？茖W研究的一般方法大體上可以分為三類：第一類，是適應(yīng)于一切科學的最普遍的研究方法，包括唯物辯證方法、邏輯方法等；第二類，是適應(yīng)于自然科學的一般研究方法，如觀察方法、實驗方法等；第三類，是某一門具體科學研究的特殊方法，如動物學中的解剖方法等。隨著電子計算機在生物學實驗中的應(yīng)用，這種控制已經(jīng)達到自動化的程度。有關(guān)實驗手段的原理在后面的一章中還要詳細討論。生物學實驗中使用的各種手段有些是根據(jù)生物學原理，有些是根據(jù)物理學、化學原理或借鑒物理學、化學的手段，但不管哪一種手段，在生物學實驗中應(yīng)用都有其理論依據(jù)。研究過程中的每一種手段，都是根據(jù)研究目標而選擇或設(shè)計，有時還需要特殊制造或改革陳舊的手段。③實驗手段是生物學理論的物化。生物學實驗中，實驗者對研究對象及其環(huán)境的控制是需要借助儀器、設(shè)備才能達到的。沒有實驗手段作為中介，實驗者對研究對象的研究很難達到深人、精確的要求。人類的感知覺是有限的，實驗手段可以延伸人的感官，如放大儀器可以提高人視覺的分辨率，從放大鏡到顯微鏡，再到屯子顯微鏡，這些儀器設(shè)備不斷地提高人的視覺極限；實驗手段還可以使人的感知覺量化，如質(zhì)量、長度、溫度、濕度等靠人的感知覺是不能量化的，而各種測量儀器是可以解決這個問題的；實驗手段還可以解決人的肢體所觸及不到的困難，如對微細結(jié)構(gòu)的解剖，對炙熱物體的拿放等需要靠各種工具來解決。(2)實驗手段的特性。當然，這些只是一些主要的常用的物質(zhì)手段。②儀器類：主要有顯微鏡、解剖鏡、放大鏡、天平，過濾器、計紋鼓(現(xiàn)在大多用電子記錄儀)、離心機、高壓滅菌器、粉碎機、鐵架臺、酒精燈、各種玻璃器皿等。(1)實驗手段的類型。因此在對研究對象進行控制時，要周密地分析影響生物的各種因素，即哪些是主要因素，哪些是次要因素，哪些是無關(guān)因素，才能避免不必要的錯誤發(fā)生。人的主動性是有意識的，是自覺的行動，而其他生物卻是本能。這些都顯示了生物不同于非生命體的主動；性。植物雖然不能像動物一樣奔跑飛翔，但也有明顯的感性運動。這種主動性決定了它們有主動趨向或主動逃避某一環(huán)境或某一因素