好的實驗設計是怎樣的?

           生科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

-          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?

有關植物補償點的認識

 下圖顯示不同植物於光強度與吸入二氧化碳的速率的關係。

補償點是甚麼?

- 補償點是植物光合作用速率與呼吸作用速率相同時的光強度。

 

討論問題:

1.      植物X及Y的補償點分別是甚麼?

2.      補償點的定義是甚麼?

3.      補償點較低，代表甚麼?

4.      根據對補償點的認識，以上哪一種植物(X抑或Y)適應於較陰暗的環境(即陰生的植物)? 試加以解釋。

5.      陰生的植物有甚麼適應特徵?

6.      同一株植物，位於較底層的葉片與位於上層的葉片，形態上有甚麼差異? 試加以解釋。

7.      把一株陰生植株置於強光下，可能會出現甚麼問題? 試加以解釋。

8.      把一株陽生植物置於陰暗環境，又可能出現甚麼問題? 試加以解釋。

 

建議答案:

1.      植物X及Y的補償點分別是甚麼?

答: X是0.5光強度; 而Y是2光強度。

 

2.      補償點的定義是甚麼?

答: 植物光合作用與呼吸作用速率相同時的光強度。

 

3.      補償點較低，代表甚麼?

答: 較低補償點的植物，代表需要較少光強度便可達致相同光合作用速率。

解: 由於補償點是光合作用與呼吸作用速率相同時的所需光強度，而呼吸作用速率大致不變(假設不變)，因此較低補償點的植物，代表需要較少光強度便可達致相同光合作用速率。可者可以參看上圖，於光強度是1 較低補償點的植物(即Y)的吸入二氧化碳速率(即光合作用速率)已是正數，但植物X則仍是負數。

 

4.      根據對補償點的認識，以上哪一種植物(X抑或Y)適應於較陰暗的環境(即陰生的植物)? 試加以解釋。

答: 植物Y。既然是適應較陰暗的環境，即是說可以於光強度較低的情況下仍能維持足夠的光合作用速率，以制造食物進行生長及繁殖等生命活動。

解: 這題目的解釋，即是要說明為何選擇一株補償點較低的植株。留意，能於光強度較低的環境生存，不代表這些植株的最高光合作用速率較佳，這些陰生植物，最高的光合作用速率必然低於陽生(適應強光環境)的植物的。

 

5.      陰生的植物有甚麼適應特徵?

答: 葉片較薄，氣室較多，較多葉綠體或氣孔較多。

解: 首先要理解光合作用所需的條件，包括光、葉綠體及二氧化碳。既然光已是受限制條件，為了使其他條件最大化，因此要製造多些葉綠體。葉片較薄、氣室及氣孔較多，可使二氧化碳更易到達可進行光合作用的組織(主要是柵狀組織)

 

6.      同一株植物，位於較底層的葉片與位於上層的葉片，形態上有甚麼差異? 試加以解釋。

答: 跟以上陰生植物的適應特徵應是一樣的。即是葉片較薄，氣室較多，較多葉綠體或氣孔較多。但氣孔密度可能受遺傳因素影響較大，可能沒大差異。

 

7.      把一株陰生植株置於強光下，可能會出現甚麼問題? 試加以解釋。

答: 陰生植物為了要更易吸入二氧化碳，氣孔密度會較多，葉片也較薄。於強光下，更易散失水分。因此應避免置於猛烈陽光下。

 

8.      把一株陽生植物置於陰暗環境，又可能出現甚麼問題? 試加以解釋。

答: 相反，陽生植物的葉綠體密度不高，氣孔也較少。於光度較低下，光合作用速率會很慢，導致植物生長速度很慢，但也不致死亡。

解: 所以很多本來於強光下生長的植物，移至室內的話，也不一定死亡。但如這陽生植物與陰生植物處於同一陰暗環境的話，適應陰生的植物的生長速率必然較快，更易遮擋了陽光，使陽生植物死亡。

有關傳染病問題

有關傳染病問題

2021-02-26

 

1.          試舉出一些DSE範圍內一些非傳染病。

答: 所有營養缺乏病，包括夜盲病、壞血病、貧血、佝僂病(軟骨病)、骨質疏鬆病。另外，於非傳染病的課題，包括心臟病、癌病及糖尿病。

解: 發熱、高血壓等不是疾病，是病徵。

 

2.          認識傳染病有甚麼類別病原體有何重要性?

答: 可推論可醫治的方法及傳播途徑。

解: 例如病毒於細胞外沒有活性，無法感染已死的細胞進行繁殖。因此抗生素無法消滅病毒，因為抗生素可干擾生物的代謝反應，但病毒於細胞外根本沒有代謝反應。由於病毒亦無法感染已死細胞進行繁殖，因此即使病毒停留在皮膚表面(主要由死細胞組成)或食物(例如肉類等)也不會滋生。但細菌或真菌則可以於死細胞表面滋生。

 

3.          認識傳染病有甚麼類別傳播途徑有何重要性?

答: 清楚不同病原體的傳播途徑，我們才能有效預防。

解: 即使不清楚甚麼病原體透過甚麼傳播途徑，其實問題也不大。針對傳播途徑處理便可以。例如針對食物傳播，其實把食物徹底煮熟便一定可預防相關的病原體。如果仍要進食生的食物的話，便要確保處理食物整個流程保持衞生。

 

4.          病毒跟生物的細胞主要有甚麼差異?

答: 病毒的外殼主要是蛋白質。生物細胞膜是磷脂，如是細胞壁的話，便主要是碳水化合物。

病毒的遺傳物質可能是DNA或RNA，生物的細胞的遺傳物質必定是DNA。

病毒於細胞外是沒有任何代謝活動的，但生物細胞(即使是細菌)，除非於超低溫的情況(指攝氏零下幾十度)，一定有代謝反應。

 

5.          病毒的外殼由甚麼主要物質組成，生物的外殼又由甚麼主要物質組成?

答: 病毒的外殼主要是蛋白質。生物細胞膜是磷脂，如是細胞壁的話，便主要是碳水化合物。

解: 引致人體產生抗體的正是病毒表面的抗原，抗原便屬於蛋白質分子。

 

6.          為何RNA病毒更易出現變種?

答: RNA是單鏈的，DNA是雙鏈的。因此DNA上的基因更易受到保護，而RNA則很容易受環境因素(例如紫外線等)破壞而出現變種。

解: 所以其實很易推論的，凡是容易有變種的病毒差不多都屬於RNA病毒。但RNA病毒不代表致命率一定較高。例如致病率極高的天花病毒及伊波拉病毒，前者的遺傳物質是DNA，後者卻是RNA。但肯定的是，由於RNA病毒更易出現變種，更難消滅。

 

7.          試列舉一些常見的RNA病毒例子。

答: 包括所有流感、受滋病、麻疹、伊波拉病毒，MERS(中東呼吸綜合症)、SARS(沙士)、登革熱，COVID-19(冠狀病毒)等等。

解: 以上的幾乎都是日常經常聽到的。不過這很正常，這些病毒都常出現變種，即是無法有效消滅。

 

8.          抗生素祇可殺細菌，不能殺病毒。為甚麼?

答: 因為抗生素靠干擾生物體內不同的代謝反應，從而抑制生物的生長。但病毒於細胞外根本沒有代謝反應。

解: 例如干擾細菌形成細胞壁，那細菌進行細胞分裂時，便無法形成細胞壁，因此也無法形成新的細胞。但留意，抗生素未必可以殺死現存的細菌，如細菌未進行細胞分裂的話，那抗生素也無法干擾代謝反應。由於群落中每一個細菌的處身的生命週期不同，因此要連續服食抗生素一段時間，起碼要跟細菌的生命週期一樣長才能有效殺滅所有細菌。

 

9.          流感是由病毒，其實是靠身體產生抗體消滅病毒的。那醫生處方的藥有甚麼作用?

答: 舒緩病徵。例如舒緩頭痛、肌肉痛、流鼻水等。

解: 但留意，有些病徵，其實也是身體產生的反應，以便消滅病原體，例如提高身體溫度(發熱)及流鼻水(排走停留於黏液的病原體)等。因此服用後，亦有可能使病情延誤更長時間，祇是人感覺上好像好多了而已。

 

10.      流感是由病毒，其實是靠身體產生抗體消滅病毒的。但有時醫生仍會處方抗生素。為甚麼?

答: 醫生處方抗生素，必然是想殺減細菌的。流感雖然是由病毒引致，但發病後會使身體虛弱，便有可能感染因細菌而引致的疾病，如醫生發現有這些病徵，也可能會處方抗生素的。

 

11.      病毒不可能透過皮膚進入人體。為甚麼?

答: 人體的皮膚表面是由已死的細胞組成的，即使病毒停留在皮膚表面，但也不能進入皮膚細胞，已死細胞亦沒有任何代謝活動供病毒使用。

解: 但留意，人體表面並不是完全被皮膚覆蓋的，空氣仍可直接接觸人體的活細胞，包括眼睛表面、呼吸道壁及消化道壁等。當然，最易感染的位置應是眼睛及呼吸道。消化道有胃酸，可破壞病毒。

 

12.      病毒不可能透過皮膚進入人體。那洗手有甚麼作用?

答: 因為人會不自覺用手觸摸眼睛及口鼻。用手擦拭鼻孔，如同時吸氣的話，那便很容易吸入病毒。當然，即使不同時吸氣，病毒也依附在鼻腔或口腔附近，使感染概率增加。