好的實驗設計是怎樣的?

 

好的實驗設計是怎樣的?

 

          生物科的實驗學習可算是最接近真實的科學研究的了(撰寫的實驗報告幾乎便是一份正式科學實驗報告所需的格式)，但由於課程的範圍很大，很多真實環境下的實驗步驟被簡化了，以致同學不太掌握一些關鍵的步驟，包括:

1.      不太掌握一個好的實驗設計的條件。(因為同學極少自行設計實驗的)

2.      不太掌握影響實驗準確度的因素。(經常把量度的精確度跟準確度混淆了)

3.      不太掌握實驗設計原理的寫法。(教科書沒特別指明甚麼是實驗設計原理，同學經常把實驗步驟跟設計原理混淆了)

 

其實最能深刻掌握科學實驗運作的方法是，自行探討一個問題，然後設計實驗探討，最後給別人審核實驗的結論。

 

但以上過程，隨時是一個問題要進行無數次的實驗才能完成的。對一個普通中學生來說可能要求太高。因此以下祇能儘量讓同學於認知上掌握一下好的實驗設計是如何進行的。

 

影響實驗設計的因素，其實包括以下各項:

1.      準確度

2.      成本

3.      速度

4.      操作

同學覺得以上哪一項最重要?

 

1.      準確度

-          何謂「準確度」? 簡單來說，即實驗的設計是否能直正達致實驗目的!

   - 同學不要以為實驗設計很簡單，很多時候要提供適當的自變量及因變量便不容易，因為很多實驗結果並不能直接觀察到的。

-          準確度影響可信度! 很明顯，如果可信度不足夠的話，便沒有人相信實驗結果，其他因素便全不重要的了。

-          但何謂準確度可接受? 簡單來說，便是實驗的誤差可接受。(留意，不是實驗錯誤! 實驗錯誤是不應發生的，但誤差是無法避免的。)

-          但，誤差又是甚麼? 為何誤差是無法避免的? 誤差又如何可減少至可接受程度?

2.      成本

-          成本較低，即代表可以用相同費用，重複實驗，可提高實驗的可信度。

-          科學研究是需要金錢的。但資金的來源卻可能影響實驗的可信度，但這是另一課題，不在此討論。

3.      速度快

-          實驗完成的時間較短，也代表可以重複多次實驗，可提高實驗的可信度。

-          當然，更快得出結果，相關的科學家的結論便可獲其他人認同，其他正在做相同實驗目的的研究便變得一文不值了。

-          科學研究一直都是一個比快的過程，所以一個成功的研究結果，背後其實一定有大量默默無聞的科學研究支持。

4.      操作度

-          操作愈複雜的話，出錯概率便愈大，別人或自己重複進行獲取相同結果的概率也可能較低。因此一般而言，好的實驗設計都追求簡潔的設計。

 

 相關內容:

1.     誤差是甚麼? 如何減低誤差?

2.     如何撰寫實驗報告?

3.    如何選擇光合作用速率使用的指標?

4.     如何量度化學反應的速率

如何選擇光合作用速率使用的指標?

 如何選擇光合作用速率使用的指標的?

之前的內容曾提及，量度光合作用速率，理論上起碼有5種方法，包括:

1.      二氧化碳的吸收速率

2.      水的吸收速率

3.      食物的產生速率

4.      氧氣的產生速率

5.      光的吸收速率

但如何選擇呢? 準則是甚麼? 基本上設計實驗都使用以下準則:

1.      準確度(以上哪一方法最準確?)

2.      操作難易度

3.      效能(哪一個最快獲得可靠結果?)

4.      成本(哪一個更便宜?)

其中以準確度最重要!

哪以上那些方法最準確?

理論上，要用作量度光合作用速率，這指標應最好祇涉及光合作用，而不涉及其他，否則便很難確定相關指標是否真的祇代表光合作用的速率。

但二氧化碳、水及氧氣，都涉及其他反應，例如呼吸作用會吸入氧氣、產生二氧化碳及水。水，同時也涉及蒸騰作用，而且植物吸收的水分，大部份都會藉蒸騰散失，祇有少部份用作光合作用的原料。

食物的產生及光的吸收，似乎是光合作用專有的反應，應該是最準確的! 但如何量度呢?

由於在中學實驗室很難量度植物產生食物的速率及光的吸收速率(沒相關儀器)，因此無法使用這兩種應該更準確的方法。

那唯有選擇二氧化碳的吸收速率或氧氣的產生速率作指標，但呼吸作用也涉及這兩種氣體。事實上，光合作用產生的氧氣，部分會被植物吸收進行呼吸作用，剩餘的才會釋出讓我們量度到，因此使用氧氣產生速率量度的話，實際上是低算了光合作用速率的。

那如何處理? 最佳方法自然是找出呼吸作用的速率，然後把呼吸作用吸收的氧氣速率加回至光合作用速率便成。

但於日間，光合作用其實跟呼吸作用同時發生的，那如何祇量度到呼吸作用速率? 那唯有於夜間才成，夜間沒有光線，無法進行光合作用，祇能進行呼吸作用。

但要進行這樣計算的話，其實需要一個重要假設的: 日間的呼吸作用速率跟夜間是一樣的。

如何量度化學反應的速率

如何量度化學反應的速率

於科學研究上，少不免要量度不同反應的速率。但量度反應速率實際上是很模糊的，不清楚量度的是甚麼?

舉例: 如何量度光合作用的速率?

同學可能第一時間，根據教科書的內容，想到以下唯一的方法(其實嚴格來說不是自己想出來的，是記誦而來的):

(1)   氧氣的產生速率

至於制造食物方面(例如檢測澱粉的存在)，最多祇能檢測出植物曾否進行光合作用，無法量度到光合作用的速率。

但，即使是使用氧氣的產生速率作指標，同學又有否想過背後的原理(即為甚麼可以用氧氣產生速率來作為光合作用速率)。另外又有沒有想過，氧氣的產生速率真的是光合作用速率嗎? 有沒有其他量度光合作用速率更好的方法呢?

答案是有的!

首先要知道光合作用的反應，如下，相信同學都清楚的:

根據以上的資料， 同學可否想出還有沒有其他量度光合作用速率的方法?

根據以上資料，理論上起碼有5個方法(但是否量度到是另一回事)，包括:

根據原料的消耗速率，即

1.     1. 二氧化碳的吸收速率 及

2.      2. 水的吸收速率

根據產物的產生速率，即

3.      3. 食物的產生速率

4.      4. 氧氣的產生速率

根據能量的吸收，即

5.     5. 光的吸收速率

那葉綠素呢? 在光合作用中，由於葉綠素並沒有被消耗，也沒有增加了，因此無法用以量度光合作用速率。

但以上哪一方法最準確呢? 選擇不同方法時用的準則又是甚麼? 當然先決條件是真的可量度到才成，例如同學能否想到如何量度以下的指標，包括:

1.      1. 二氧化碳的吸收速率

2.      2. 水的吸收速率

3.      3. 食物的產生速率

4.      4. 氧氣的產生速率

5.      5. 光的吸收速率

本文不打算討論如何量度到以上的指標。就假設真的可量度到以上的準則，那選擇哪一方法最好呢?

其實沒有所謂最好的! 視乎不同的環境及擁有的資源。但基本上會考慮以下準則嗎? 即

(1 (1) 準確度(以上哪一方法最準確?)

(2 (2) 操作難易度

(3 (3) 效能(哪一個最快獲得可靠結果?)

(4 (4) 成本(哪一個更便宜?)

這其實是設計實驗時的使用的準 則!

看罷以上的內容，日後同學要設計實驗，尤其是選取因變量(即要量度的指標)時，是否有一些可供思考的準則?

最重要的是，對相關反應的過程知悉得愈詳細，便愈能選取最好的方法!

根據以上的原理，同學試試可否想出如何量度以下的速率:

1. 蛋白質的消化速率

2. 脂質的消化速率

3. 澱粉的消化速率

提示: 想想以上三種食物物質，消化前及被消化後分別是甚麼分子? 這些分子的特性有甚麼差異?

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最後，順道一提，同學不要以為以上的思考方法祇適用於科學實驗研究上，其實任何涉及過程的運作，皆可應用以上的原則思考。舉一日常的例子，如何估計一所工廠產生的污染物水平? (從而用作徵費的指標)

同學第一時間可能想不就是可量度釋出的污染物便成嗎? 但其實不一定的! 如無法量度到污染物產生水平的話，那如何處理?

 

相關網頁:

具體上，是如何選擇光合作用速率使用的指標的?

如何根據實驗結果推論?

 如何根據實驗結果推論?

 

以下是研究不同因素對蛋白酶活性影響的實驗結果:

 

裝置	溶液pH值	温度	酶的活性
A	7	25oC	10
B	3	40oC	40

 

根據以上實驗結果，可得出甚麼結論? 以下哪(些)是正確的結論?

(1)   pH值會影響蛋白酶的活性

(2)   温度會影響蛋白酶的活性

(3)   pH值或温度會影響酶的活性

(4)   pH值及温度皆會影響酶的活性

(5)   酸性環境下，這種蛋白酶的活性較高

(6)   温度較高的話，這種蛋白酶的活性較高。

(7)   無法得出有效結論

 

作答前，請再想清楚，於科學研究上，如何根據實驗結果推論才是有效的?

 

1.      掌握好實驗的目的! 因變量是甚麼?

-          於以上實驗中，因變量是蛋白酶的活性。

2.      自變量又是甚麼?

-          留意，任何實驗中，自變量應該祇有一個! 才能有效作出推論。

-          實驗中，有沒有提供適當的實驗裝置(即有自變量)及控制裝置，或稱對照裝置(即沒有提供自變量)

3.      除了自變量之外，其他可能影響量度因變量結果的環境因素(稱為控制變量)皆應保持不變。

 

## 於以上實驗中，有兩個研究因素同時有變化(即pH值及温度)，因此於科學研究上，無法得出有效結論!

 

留意，「pH值或温度會影響酶的活性」這類方式的「結論」，於科學研究是沒有意義的，並不是真的結論! 要再研究究竟是pH值或是温度會影響酶的活性。

 

以下是研究pH值對蛋白酶活性的實驗裝置及可能結果:

裝置	溶液pH值	温度	蛋白酶的活性
A	7	25oC	10
B	3	25oC	30

以下哪些是這實驗結果的結論?

(1)   蛋白酶的最適pH值是3。

(2)   酸性環境下，蛋白酶活性較高。

(3)   蛋白酶於酸性環境下，較pH值呈中性，活性較高。

 

以上的實驗結果祇有一個自變量(pH值)，因此可以有效根據實驗結果(無論結果是甚麼)作出結論。

 

嚴格來說，以上祇有選項(3)才是這實驗結果的推論(即蛋白酶於酸性環境下，較pH值呈中性，活性較高)

因為，這實驗的自變量的pH值祇有7(即中性)及3(即酸性)，無法知道pH值7以上的酶的活性，因此無法知道最適pH值是否3，也可能低於3，亦不肯定這蛋白酶在鹼性環境下是否仍有活性。

 

再參考以下的實驗結果:

裝置	溶液pH值	温度	蛋白酶的活性
A	7	60oC	10
B	3	60oC	10

以下哪(些)是以上實驗結果的推論?

(1)   温度太高的話，酶失去活性

(2)   pH值不會影響酶的活性

(3)   無法證明pH值會影響酶的活性

 

答案是(3)，即無法證明pH值會影響蛋白酶的活性。

 

這個實驗仍然祇有一個自變量的變化(pH值，即3及7)，温度並沒有變化，無法推論出温度會否影響酶的活性。同學選(1)祇是因為知道温度太高，酶失去活性這知識而已，但這並不能夠從這實驗結果推論出來。

 

於較低年級，可能會接受選項(2)的答案，但嚴格來說，科學研究並不能推論出不存在的事實(即不會影響)，祇能說無法證明pH值會影響而已，因為可能在某些因素存在下(例如温度較低)pH值會影響酶的活性，但科學家自問無法窮盡所有可能性，因此祇能說「無法證明」。