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实验设计应当科学合理，严谨周密，经得起推敲，实验结论方能科学可靠，令人信服。高考应试时，如果实验设计不够严谨，哪怕有微小的缺陷或瑕疵，都会令阅卷老师对整个实验过程和结果产生怀疑，从而导致严重失分。下面通过一些具体的实验实例，从实验的检测方法、变量排除、操作步骤、实验材料等几个方面，剖析影响中学生物实验设计严密性的一些常见原因及方法改进。
一、实验结果检测的方法不当
例1 猪笼草是一种食虫植物，为了验证猪笼草分泌液中有蛋白酶，某学生设计了一个实验，如图实验①所示。在35℃水浴中保温一段时间后，甲、乙试管中加入适量的双缩脲试剂。观察实验结果。若甲、乙两支试管都变紫色，说明甲试管中的蛋白质没有被分解，则得出结论：猪笼草分泌液中没有蛋白酶。若甲试管不变紫色，乙试管变紫色，说明甲试管中的蛋白质已被分解，则得出结论：猪笼草分泌液中有蛋白酶。
实验① 实验②
【分析】实验①的设计似乎没有问题，但仔细考虑一下就会发现，若甲试管中的分泌液中有蛋白酶，则将甲试管中的蛋白质分解掉后，虽然试管中没有蛋白质了，但分泌液中的蛋白酶依然在，它也是蛋白质，可能也会引起颜色反应，量虽然很少，但甲试管毕竟还是存在蛋白质，因此该实验的设计并不是很严谨，需要改进。
【改进】改进后的实验如图实验②。改进后的实验不再使用蛋白液而改用蛋白块，不再用双缩脲试剂来检验丙、丁两试管中蛋白质有没有被分解，而是通过观察蛋白块是否消失来判断分泌液中有没有蛋白酶。蛋白块消失则说明分泌液中有蛋白酶，蛋白块不消失则说明分泌液中没有蛋白酶，从而避免了前面所提的不严谨之处。
二、无关变量的影响没有排除
例2 某学生利用如下装置设计实验测定植物的光合作用强度，具体方法步骤如下。
先用该装置测定植物的净光合作用強度：①在装置的D中放入适量的NaHCO3溶液；②将装置放在光照强度和温度等条件适宜的环境中，60分钟后记录装置红墨水滴移动的方向和刻度，并填入下表。
再用该装置测定植物的呼吸作用强度，方法步骤：①在装置的D中放入适量的NaOH溶液；②将装置遮光处理，60分钟后分别记录装置红墨水滴移动的方向和刻度，并填入下表。
实验目的 装置 实验60分钟后红墨水滴移动情况
测定净光合作用强度 甲 向_____（填左或右）移动 厘米
测定呼吸作用强度 甲 向_____（填左或右）移动 厘米
上述两项的数值相加即为植物的光合作用强度。
【分析】上述实验看起来好像没有问题，其实不够严密。实验测得的数值并没有经过校正，也就是没有排除无关变量的影响。在实验中，由于光照等因素的影响，可能会导致装置内的温度上升，使得其中气体体积膨胀，测得的数值有可能偏大。排除无关变量影响的最佳方法是设计相应的对照实验，原来的实验装置为甲，再增加一个同样的装置乙，将其中的植物改成死的植物。
【改进】改进实验装置如下：
先测定植物的净光合作用强度：①在甲、乙两装置的D中都放入等量NaHCO3溶液，装置乙作为对照；②将甲、乙两装置放在光照强度和温度等条件相同的适宜环境中；③60分钟后分别记录甲、乙两装置红墨水滴移动的方向和刻度，并填入下表。
再测定植物的呼吸作用强度：①在甲、乙两装置的D中都放入等量的NaOH溶液，装置乙作为对照；②将甲、乙两装置遮光处理，放在温度等条件相同的环境中；③60分钟后分别记录甲、乙两装置红墨水滴移动的方向和刻度，并填入下表。
实验目的 装置 实验60分钟后红墨水滴移动情况
测定净光合
作用强度 甲 向_____（填左或右）移动 厘米
乙 向_____（填左或右）移动 厘米
测定呼吸
作用强度 甲 向_____（填左或右）移动 厘米
乙 向_____（填左或右）移动 厘米
乙装置的读数是对甲装置读数的修正，从而排除了光照、温度等无关变量的变化对实验结果的影响。
三、自变量的分析不够全面
例3 某同学为了验证胚芽鞘尖端是感光部位的结论，设计了如图所示一组实验。
该同学认为，两个实验形成一组对照，实验①整个胚芽鞘裸露，单侧光照射发生向光弯曲生长，实验②尖端用不透光的锡铂小帽遮光，尖端以下部位裸露，单侧光照射直立生长，得出结论：尖端是感光部位，尖端以下不是感光部位。
【分析】以上实验和分析似乎非常合理，无懈可击，但仔细推敲，却不够严密，问题出在对自变量的分析不够全面。该实验的自变量应有三个，即感光部位有三种可能：尖端、尖端以下部位、尖端和以下部分共同组成一个感光部位。实验②只能确定尖端以下不是感光部位，剩余两种可能无法判断，还需再增加一个实验才可。
【改进】改进后的实验设计如下。
改进后的实验③是尖端以下部位也用锡铂遮光，用单侧光照射，实验③的结果如图弯曲生长，从而排除尖端和以下部分共同组成一个感光部位的可能性，从而肯定尖端是感光部位。假如实验③是直立生长，则排除尖端是感光部位的可能性，肯定尖端和以下部分共同组成一个感光部位的可能性。达尔文当年正是设计了上述三个实验来研究植物向光性的。
四、实验操作步骤设计不严谨
例4 某学生为了探究温度对酶活性的影响，设计的实验方法步骤如下：
（1）取3支洁净的试管，编上号，并且分别注入2 mL质量分数为3%的可溶性淀粉；
（2）将3支试管分别放在60 ℃左右的热水、沸水、冰块中各维持5 min；
（3）取出，分别滴入1 mL质量分数为2%的新鲜淀粉酶溶液，摇匀后，再在各自温度中维持5 min； （4）在3支试管中分别滴入1滴碘液，观察现象。按照课本实验原理的推测，沸水和冰块中的试管应变蓝色，而60 ℃左右热水中的试管不变蓝色。
【分析】该实验设计似乎没有问题，许多教辅材料和习题集都是这样设计的，其实还是值得商榷。根据实验设计的程序，步骤（3）是先将3支盛有可溶性淀粉液的试管处在60 ℃左右热水、沸水、冰块中，目的是使淀粉液达到实验所要求的不同温度条件，探索不同温度对淀粉酶活性的影响。但是，步骤（3）中滴入的是室温下的淀粉酶溶液，室溫时淀粉酶溶液的温度一般维持在15 ℃—20 ℃左右，这样，当滴入淀粉酶溶液后，试管中的温度必然会发生改变：60 ℃和沸水中的温度会暂时下降，冰块中的温度会暂时上升。另外滴入的淀粉酶溶液量也比较多，与淀粉液溶液的体积比是1∶2，有的资料是1∶1，再加上酶具有高效性这一特点，因此在步骤（3）中，当分别滴入淀粉酶溶液后，由于试管中温度的瞬间改变，尤其是置于沸水和冰块中的试管内温度的改变，淀粉酶溶液可能很快就将淀粉液给分解了，即使摇匀后，再放入各自的温度中维持5分钟，那已经没有什么意义了，在步骤（4）中，再各滴入1滴碘液后，3支试管有可能都不变蓝色。
【改进】改进后的实验设计如下。
（1）取3支洁净的试管，编号，分别注入2 mL质量分数为3%的可溶性淀粉液；同时，再取3支洁净试管，编号，分别注入2 mL质量分数为2%的新鲜淀粉酶溶液。
（2）将3支盛有淀粉液的试管分别放入60 ℃左右的热水、沸水、冰块中，同时，在三种温度中各放入一个盛有淀粉酶溶液的试管，维持各自的温度5 min。
（3）将三种温度下的淀粉酶溶液分别倒入各自温度下的3支淀粉液试管中，摇匀后，维持各自的温度5 min。
（4）在3支试管中各滴入1滴碘液，摇匀，观察其颜色变化。
改进后的实验步骤保证了酶与淀粉溶液一接触的瞬间就使反应处在所要求的温度条件下，从而自始至终将实验控制在所要求的条件下，如此实验才能称为严密。
五、实验材料选择不当
探究温度对酶活性的影响时，我们一般选择淀粉溶液和淀粉酶做实验材料，而不采用过氧化氢溶液和过氧化氢酶。原因是：虽然在一定范围内，随温度升高，过氧化氢酶活性增大，由过氧化氢酶催化的过氧化氢的分解速率会加快，但是，由于过氧化氢溶液在没有酶催化的情况下也能自行分解，而且自行分解的速率也会随着环境温度的升高而升高，从而对实验结论产生影响。因此如果选择过氧化氢溶液和过氧化氢酶为实验材料，来探究温度对酶活性的影响，则实验设计就会不够严密。而改用淀粉溶液和淀粉酶做实验，则可避免这种不够严密的问题。
同样道理，在探究pH对酶活性的影响时，我们通常选择过氧化氢溶液和过氧化氢酶作实验材料，而不用淀粉和淀粉酶，因为在酸性溶液中淀粉会自行水解成麦芽糖、葡萄糖。当酸性较强时，也就是pH较小时，酶失活，淀粉水解应当停止，但由于在酸性溶液中淀粉会自行分解，从而干扰实验结果。而过氧化氢溶液的自行分解则不受pH变化的影响。
严密性是实验设计的最基本要求，也是最重要的一项要求。缺乏严密性的实验是没有说服力的，得出的结论也是不能让人信服的。记得艾弗里在做肺炎球菌的转化实验时，他已将肺炎球菌的DNA提纯到了99.98%的纯度，只含有0.02%的杂质，但他的“肺炎球菌的转化因子是DNA”的结论，依然没有能说服当时那些挑刺的科学家，由此可见，实验的严谨性对于实验结论的正确性和科学性是多么的重要！
一、实验结果检测的方法不当
例1 猪笼草是一种食虫植物，为了验证猪笼草分泌液中有蛋白酶，某学生设计了一个实验，如图实验①所示。在35℃水浴中保温一段时间后，甲、乙试管中加入适量的双缩脲试剂。观察实验结果。若甲、乙两支试管都变紫色，说明甲试管中的蛋白质没有被分解，则得出结论：猪笼草分泌液中没有蛋白酶。若甲试管不变紫色，乙试管变紫色，说明甲试管中的蛋白质已被分解，则得出结论：猪笼草分泌液中有蛋白酶。
实验① 实验②
【分析】实验①的设计似乎没有问题，但仔细考虑一下就会发现，若甲试管中的分泌液中有蛋白酶，则将甲试管中的蛋白质分解掉后，虽然试管中没有蛋白质了，但分泌液中的蛋白酶依然在，它也是蛋白质，可能也会引起颜色反应，量虽然很少，但甲试管毕竟还是存在蛋白质，因此该实验的设计并不是很严谨，需要改进。
【改进】改进后的实验如图实验②。改进后的实验不再使用蛋白液而改用蛋白块，不再用双缩脲试剂来检验丙、丁两试管中蛋白质有没有被分解，而是通过观察蛋白块是否消失来判断分泌液中有没有蛋白酶。蛋白块消失则说明分泌液中有蛋白酶，蛋白块不消失则说明分泌液中没有蛋白酶，从而避免了前面所提的不严谨之处。
二、无关变量的影响没有排除
例2 某学生利用如下装置设计实验测定植物的光合作用强度，具体方法步骤如下。
先用该装置测定植物的净光合作用強度：①在装置的D中放入适量的NaHCO3溶液；②将装置放在光照强度和温度等条件适宜的环境中，60分钟后记录装置红墨水滴移动的方向和刻度，并填入下表。
再用该装置测定植物的呼吸作用强度，方法步骤：①在装置的D中放入适量的NaOH溶液；②将装置遮光处理，60分钟后分别记录装置红墨水滴移动的方向和刻度，并填入下表。
实验目的 装置 实验60分钟后红墨水滴移动情况
测定净光合作用强度 甲 向_____（填左或右）移动 厘米
测定呼吸作用强度 甲 向_____（填左或右）移动 厘米
上述两项的数值相加即为植物的光合作用强度。
【分析】上述实验看起来好像没有问题，其实不够严密。实验测得的数值并没有经过校正，也就是没有排除无关变量的影响。在实验中，由于光照等因素的影响，可能会导致装置内的温度上升，使得其中气体体积膨胀，测得的数值有可能偏大。排除无关变量影响的最佳方法是设计相应的对照实验，原来的实验装置为甲，再增加一个同样的装置乙，将其中的植物改成死的植物。
【改进】改进实验装置如下：
先测定植物的净光合作用强度：①在甲、乙两装置的D中都放入等量NaHCO3溶液，装置乙作为对照；②将甲、乙两装置放在光照强度和温度等条件相同的适宜环境中；③60分钟后分别记录甲、乙两装置红墨水滴移动的方向和刻度，并填入下表。
再测定植物的呼吸作用强度：①在甲、乙两装置的D中都放入等量的NaOH溶液，装置乙作为对照；②将甲、乙两装置遮光处理，放在温度等条件相同的环境中；③60分钟后分别记录甲、乙两装置红墨水滴移动的方向和刻度，并填入下表。
实验目的 装置 实验60分钟后红墨水滴移动情况
测定净光合
作用强度 甲 向_____（填左或右）移动 厘米
乙 向_____（填左或右）移动 厘米
测定呼吸
作用强度 甲 向_____（填左或右）移动 厘米
乙 向_____（填左或右）移动 厘米
乙装置的读数是对甲装置读数的修正，从而排除了光照、温度等无关变量的变化对实验结果的影响。
三、自变量的分析不够全面
例3 某同学为了验证胚芽鞘尖端是感光部位的结论，设计了如图所示一组实验。
该同学认为，两个实验形成一组对照，实验①整个胚芽鞘裸露，单侧光照射发生向光弯曲生长，实验②尖端用不透光的锡铂小帽遮光，尖端以下部位裸露，单侧光照射直立生长，得出结论：尖端是感光部位，尖端以下不是感光部位。
【分析】以上实验和分析似乎非常合理，无懈可击，但仔细推敲，却不够严密，问题出在对自变量的分析不够全面。该实验的自变量应有三个，即感光部位有三种可能：尖端、尖端以下部位、尖端和以下部分共同组成一个感光部位。实验②只能确定尖端以下不是感光部位，剩余两种可能无法判断，还需再增加一个实验才可。
【改进】改进后的实验设计如下。
改进后的实验③是尖端以下部位也用锡铂遮光，用单侧光照射，实验③的结果如图弯曲生长，从而排除尖端和以下部分共同组成一个感光部位的可能性，从而肯定尖端是感光部位。假如实验③是直立生长，则排除尖端是感光部位的可能性，肯定尖端和以下部分共同组成一个感光部位的可能性。达尔文当年正是设计了上述三个实验来研究植物向光性的。
四、实验操作步骤设计不严谨
例4 某学生为了探究温度对酶活性的影响，设计的实验方法步骤如下：
（1）取3支洁净的试管，编上号，并且分别注入2 mL质量分数为3%的可溶性淀粉；
（2）将3支试管分别放在60 ℃左右的热水、沸水、冰块中各维持5 min；
（3）取出，分别滴入1 mL质量分数为2%的新鲜淀粉酶溶液，摇匀后，再在各自温度中维持5 min； （4）在3支试管中分别滴入1滴碘液，观察现象。按照课本实验原理的推测，沸水和冰块中的试管应变蓝色，而60 ℃左右热水中的试管不变蓝色。
【分析】该实验设计似乎没有问题，许多教辅材料和习题集都是这样设计的，其实还是值得商榷。根据实验设计的程序，步骤（3）是先将3支盛有可溶性淀粉液的试管处在60 ℃左右热水、沸水、冰块中，目的是使淀粉液达到实验所要求的不同温度条件，探索不同温度对淀粉酶活性的影响。但是，步骤（3）中滴入的是室温下的淀粉酶溶液，室溫时淀粉酶溶液的温度一般维持在15 ℃—20 ℃左右，这样，当滴入淀粉酶溶液后，试管中的温度必然会发生改变：60 ℃和沸水中的温度会暂时下降，冰块中的温度会暂时上升。另外滴入的淀粉酶溶液量也比较多，与淀粉液溶液的体积比是1∶2，有的资料是1∶1，再加上酶具有高效性这一特点，因此在步骤（3）中，当分别滴入淀粉酶溶液后，由于试管中温度的瞬间改变，尤其是置于沸水和冰块中的试管内温度的改变，淀粉酶溶液可能很快就将淀粉液给分解了，即使摇匀后，再放入各自的温度中维持5分钟，那已经没有什么意义了，在步骤（4）中，再各滴入1滴碘液后，3支试管有可能都不变蓝色。
【改进】改进后的实验设计如下。
（1）取3支洁净的试管，编号，分别注入2 mL质量分数为3%的可溶性淀粉液；同时，再取3支洁净试管，编号，分别注入2 mL质量分数为2%的新鲜淀粉酶溶液。
（2）将3支盛有淀粉液的试管分别放入60 ℃左右的热水、沸水、冰块中，同时，在三种温度中各放入一个盛有淀粉酶溶液的试管，维持各自的温度5 min。
（3）将三种温度下的淀粉酶溶液分别倒入各自温度下的3支淀粉液试管中，摇匀后，维持各自的温度5 min。
（4）在3支试管中各滴入1滴碘液，摇匀，观察其颜色变化。
改进后的实验步骤保证了酶与淀粉溶液一接触的瞬间就使反应处在所要求的温度条件下，从而自始至终将实验控制在所要求的条件下，如此实验才能称为严密。
五、实验材料选择不当
探究温度对酶活性的影响时，我们一般选择淀粉溶液和淀粉酶做实验材料，而不采用过氧化氢溶液和过氧化氢酶。原因是：虽然在一定范围内，随温度升高，过氧化氢酶活性增大，由过氧化氢酶催化的过氧化氢的分解速率会加快，但是，由于过氧化氢溶液在没有酶催化的情况下也能自行分解，而且自行分解的速率也会随着环境温度的升高而升高，从而对实验结论产生影响。因此如果选择过氧化氢溶液和过氧化氢酶为实验材料，来探究温度对酶活性的影响，则实验设计就会不够严密。而改用淀粉溶液和淀粉酶做实验，则可避免这种不够严密的问题。
同样道理，在探究pH对酶活性的影响时，我们通常选择过氧化氢溶液和过氧化氢酶作实验材料，而不用淀粉和淀粉酶，因为在酸性溶液中淀粉会自行水解成麦芽糖、葡萄糖。当酸性较强时，也就是pH较小时，酶失活，淀粉水解应当停止，但由于在酸性溶液中淀粉会自行分解，从而干扰实验结果。而过氧化氢溶液的自行分解则不受pH变化的影响。
严密性是实验设计的最基本要求，也是最重要的一项要求。缺乏严密性的实验是没有说服力的，得出的结论也是不能让人信服的。记得艾弗里在做肺炎球菌的转化实验时，他已将肺炎球菌的DNA提纯到了99.98%的纯度，只含有0.02%的杂质，但他的“肺炎球菌的转化因子是DNA”的结论，依然没有能说服当时那些挑刺的科学家，由此可见，实验的严谨性对于实验结论的正确性和科学性是多么的重要！