Câu hỏi chuẩn và suy luận ngược từ thiết kế thí nghiệm

Đề chuẩn chỉ hỏi thuộc lòng phương trình quang hợp. Ở đây đề cho số liệu bốn bình mà không nói trước bạn học sinh đang kiểm tra yếu tố nào — em phải tự suy ra từ chính cách bố trí thí nghiệm.

Điều kiện duy nhất đổi là cường độ ánh sáng (yếu → trung bình); CO2 và nhiệt độ giữ nguyên. Kết quả tăng từ 4 lên 9 bọt/phút. Vì chỉ một điều kiện đổi mà kết quả đổi theo, ánh sáng đang là yếu tố giới hạn ở mức ánh sáng yếu.

Điều kiện duy nhất đổi tiếp là ánh sáng (trung bình → mạnh), nhưng kết quả không đổi, vẫn 9 bọt/phút. Ánh sáng tăng mà tốc độ không tăng theo, nên từ mức trung bình trở lên, ánh sáng không còn giới hạn — phải có yếu tố khác đang giữ tốc độ cố định.

Ánh sáng giữ nguyên (mạnh), chỉ thêm CO2 hoà tan. Kết quả tăng vọt từ 9 lên 15 bọt/phút. Vì chỉ CO2 đổi mà kết quả đổi theo, CO2 chính là yếu tố đang giới hạn tốc độ ở bình 3 — đúng như dự đoán ở bước trước.

Từ bốn kết quả, người làm thí nghiệm đang kiểm tra: khi ánh sáng đã đủ mạnh, điều gì tiếp tục giới hạn tốc độ quang hợp? Bình 4 là đối chứng khẳng định giả thuyết đó — nó chứng minh CO2 là yếu tố giới hạn kế tiếp.

Một nhóm khác kiểm tra ảnh hưởng của CO2: Bình 1 (5g rong, không thêm CO2) → 6 bọt/phút; Bình 2 (5g rong, thêm CO2) → 11 bọt/phút; Bình 3 (8g rong, thêm CO2 nhiều hơn) → 20 bọt/phút. Nhóm kết luận: “CO2 càng nhiều, tốc độ càng tăng, bình 3 là bằng chứng rõ nhất.” Kết luận này có đáng tin không?

So sánh bình 1 và bình 2 hợp lệ vì chỉ CO2 đổi. Nhưng so sánh bình 2 và bình 3 có hai điều kiện đổi cùng lúc: lượng CO2 và cả khối lượng rong (5g → 8g).

Khối lượng rong là một biến kiểm soát bị bỏ sót — nó âm thầm làm hỏng phép so sánh, vì rong nhiều hơn cũng có nhiều diện tích lá quang hợp hơn, tự nó đã đủ tăng số bọt khí.

Chỉ bình 1, 2 cho phép kết luận CO2 làm tăng tốc độ. Bình 3 không thể củng cố kết luận đó, vì khối lượng rong đã đổi theo — muốn dùng bình 3, nhóm phải làm lại với đúng 5g rong.

Trước khi so sánh hai bình để rút ra kết luận, luôn kiểm tra: có đúng một điều kiện đổi hay không? Nếu từ hai điều kiện trở lên cùng đổi, phép so sánh đó không dùng được, dù kết quả có vẻ ủng hộ giả thuyết.

Quay lại Ví dụ 1. Bốn bình được đo lần lượt theo thứ tự 1, 2, 3, 4, mỗi bình cách nhau 15 phút, dùng chung một đèn. Một bạn phản biện: “Biết đâu tốc độ tăng dần là do đèn làm nước ấm dần lên theo thời gian, khiến oxygen thoát ra dễ hơn — không phải do ánh sáng hay CO2.” Lập luận này có hợp lý không, và cần thêm gì để loại trừ nó?

Lập luận phản biện hợp lý — thời gian trôi qua là một biến chưa được kiểm soát, và nó thay đổi cùng lúc với ánh sáng/CO2 trong toàn bộ thí nghiệm, giống lỗi ở Ví dụ 2 nhưng tinh vi hơn: biến gây nhiễu ở đây là thời gian, không phải một điều kiện được ghi rõ trong bảng.

Khi các nghiệm thức được đo theo một trình tự thời gian cố định, mọi thứ thay đổi dần theo thời gian — nhiệt độ nước, độ tươi của cây — đều trở thành lời giải thích thay thế khả dĩ, không chỉ biến người thí nghiệm cố tình thay đổi.

Đo lại bình 1 ở cuối, sau bình 4. Nếu tốc độ quay lại đúng mức khoảng 4 bọt/phút như lần đầu, giả thuyết “nhiệt độ nước tăng dần” bị loại — vì nếu đúng, bình 1 đo lại phải cho kết quả cao hơn 4. Cách khác: đảo ngẫu nhiên thứ tự đo bốn bình.

Một kết luận rút ra từ dữ liệu luôn cần được hỏi lại: “còn cách giải thích nào khác cho đúng số liệu này không?” — đặc biệt khi các nghiệm thức được đo theo một trình tự cố định.