實(shí)驗(yàn)原理的提煉及應(yīng)用

2010年江蘇省生物科考試說(shuō)明，刪除了“觀(guān)察線(xiàn)粒體和葉綠體”(a)的實(shí)驗(yàn)，增加了“模擬尿糖的檢測(cè)”(b)的實(shí)驗(yàn)，同時(shí)將“探究酶在洗滌方面的作用”由a級(jí)提高到b級(jí)要求。因此20個(gè)考查實(shí)驗(yàn)的等級(jí)比例a:b:c由2008年10:7:3升高至2009年的7:10:3又連續(xù)升高為2010年的5:12:3，對(duì)實(shí)驗(yàn)考查的等級(jí)要求是連年提高。如何進(jìn)行有效的復(fù)習(xí)以應(yīng)對(duì)高考要求的連年提高呢?

1 實(shí)驗(yàn)原理的定義

所謂實(shí)驗(yàn)原理就是實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)手段、實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析等所依據(jù)的科學(xué)理論。

實(shí)驗(yàn)原理的設(shè)計(jì)要遵循以下基本原則：

①科學(xué)性：實(shí)驗(yàn)原理首先要遵循實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性原則。實(shí)驗(yàn)中涉及到的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)依據(jù)必須是經(jīng)前人證明的科學(xué)理論。如還原糖與斐林試劑產(chǎn)生磚紅色的沉淀，甲狀腺激素可以促進(jìn)幼小動(dòng)物體的發(fā)育等，都是科學(xué)理論。②可行性：可行性是指從儀器選取、實(shí)驗(yàn)條件和操作等方面來(lái)看，實(shí)驗(yàn)是否符合實(shí)際情況，能否達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。如“探究培養(yǎng)液中酵母菌數(shù)量的動(dòng)態(tài)變化”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提示中，有的教材給出了“用試管、10mL馬鈴薯培養(yǎng)液”對(duì)酵母菌進(jìn)行連續(xù)7d觀(guān)察并每天取樣檢測(cè)的方案建議，明顯不符合實(shí)際情況，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到3、4d左右的時(shí)候，就開(kāi)始出現(xiàn)大量死菌，所以建議學(xué)生改用“錐形瓶、50mL培養(yǎng)液”則比較符合實(shí)際。除此之外，實(shí)驗(yàn)原理的設(shè)計(jì)還要遵循安全性、簡(jiǎn)便性、精確性等原則。

2 如何提煉實(shí)驗(yàn)原理

總結(jié)近幾年高考及模擬訓(xùn)練的試題，提煉實(shí)驗(yàn)原理的題型無(wú)非兩種：一種是知道實(shí)驗(yàn)的目的和材料寫(xiě)實(shí)驗(yàn)原理；另一種是根據(jù)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程和步驟等寫(xiě)實(shí)驗(yàn)原理。

2.1 根據(jù)實(shí)驗(yàn)的目的和材料寫(xiě)實(shí)驗(yàn)原理

對(duì)于這類(lèi)題型，闡述實(shí)驗(yàn)原理首先要明確實(shí)驗(yàn)原理的表述內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)原理的內(nèi)容通常表述為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的整體思路，即通過(guò)…達(dá)到…的目的；還包括實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果出現(xiàn)的原因以及重要實(shí)驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)的根據(jù)等?？梢愿爬閷?duì)實(shí)驗(yàn)的相關(guān)理論知識(shí)、大致的處理方案、采用的檢測(cè)手段(含觀(guān)測(cè)指標(biāo))三個(gè)方面的描述。

如，在“DNA的粗提取和鑒定”實(shí)驗(yàn)的原理中，利用“DNA在不同濃度NaCl溶液中的溶解度不同，在0.14 mol／L的NaCl溶液中溶解度最低”的原理來(lái)提取DNA，利用“DNA不溶于酒精，而某些雜質(zhì)溶于酒精”或“酶的專(zhuān)一性”或者是“DNA和蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性不同”的原理來(lái)初步提純DNA，就包含了對(duì)實(shí)驗(yàn)相關(guān)的理論知識(shí)和大致處理方案的描述；而“DNA遇二苯胺試劑變藍(lán)”則是對(duì)檢測(cè)手段的描述。

[例1]細(xì)胞分裂素是由植物的根尖等部位合成的一種植物激素，科學(xué)研究表明：細(xì)胞分裂索能抑制葉綠素、核酸和蛋白質(zhì)的降解，抑制葉片衰老。所以在生產(chǎn)中可利用細(xì)胞分裂素作保鮮劑。請(qǐng)你設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)證明細(xì)胞分裂素有延緩葉片衰老的作用。

(1)實(shí)驗(yàn)原理：_______ 。

分析：本題實(shí)驗(yàn)原理的提出首先要從題干中提煉出相關(guān)理論知識(shí)(葉綠素逐漸喪失是葉片衰老最明顯的特點(diǎn)，細(xì)胞分裂素能通過(guò)抑制葉綠素、核酸和蛋白質(zhì)的降解來(lái)抑制葉片衰老。離體的葉片缺乏細(xì)胞分裂素，很快就會(huì)出現(xiàn)衰老的特點(diǎn))，據(jù)此可以找到大致的處理方案(用細(xì)胞分裂素處理離體葉片)和觀(guān)測(cè)指標(biāo)(記錄葉片失綠變黃所需的時(shí)間)。這樣，就能完整準(zhǔn)確地闡述實(shí)驗(yàn)的原理了。

答案(1)：葉綠素逐漸喪失是葉片衰老最明顯的特點(diǎn)，離體葉片很快就會(huì)出現(xiàn)衰老的特點(diǎn)，細(xì)胞分裂素能抑制葉綠素、核酸和蛋白質(zhì)的降解，因此可通過(guò)用細(xì)胞分裂素來(lái)處理離體葉片，記錄葉片失綠變黃的所需時(shí)間來(lái)證明。

2.2 根據(jù)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程或步驟寫(xiě)實(shí)驗(yàn)原理

對(duì)于這一類(lèi)題型，闡述實(shí)驗(yàn)原理必須要解決兩個(gè)問(wèn)題：為什么這樣操作?為什么出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象?在回答這兩個(gè)問(wèn)題時(shí)，可以只針對(duì)實(shí)驗(yàn)組的處理和變化進(jìn)行敘述，講清前因后果，也可以寫(xiě)清對(duì)同一實(shí)驗(yàn)對(duì)象實(shí)施不同自變量處理時(shí)的變化。

[例2]為確定人體在運(yùn)動(dòng)時(shí)呼出氣體中的CO₂濃度是否比靜止時(shí)高，某同學(xué)進(jìn)行了如下探究：

作出假設(shè)：人體在運(yùn)動(dòng)時(shí)呼出氣體中CO₂的濃度比靜止時(shí)高。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：①在3個(gè)燒杯中，分別注入100mL蒸餾水，測(cè)定其pH。

②實(shí)驗(yàn)者在安靜狀態(tài)(靜坐2min)、中度運(yùn)動(dòng)(步行2min)以及劇烈運(yùn)動(dòng)(跳繩2min)后，立即分別向上述3個(gè)燒杯的水中吹入等量氣體，測(cè)定pH。經(jīng)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，所得平均數(shù)據(jù)如表1。

請(qǐng)回答：該實(shí)驗(yàn)的原理是_____(其他問(wèn)題略)。

分析：本題實(shí)驗(yàn)原理的提出在于回答清楚兩個(gè)問(wèn)題：為什么這樣操作?(CO₂在水中溶解后使水的pH下降，因此讓受試者在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下呼出氣體到水中，通過(guò)測(cè)定水pH的變化可以推測(cè)呼出氣體中CO₂濃度的變化。)為什么出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象?(人在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下產(chǎn)生的CO₂不同，溶于水后也會(huì)導(dǎo)致pH不同。)

參考答案：CO₂在水中溶解后使水的oH下降，人在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下產(chǎn)生的CO₂不同，溶于水后也會(huì)導(dǎo)致pH不同，通過(guò)測(cè)定水pH的變化可以推測(cè)呼出氣體中CO₂濃度的變化。

2.3 實(shí)驗(yàn)原理在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的指導(dǎo)作用

準(zhǔn)確掌握實(shí)驗(yàn)原理可以在實(shí)驗(yàn)中指導(dǎo)選擇實(shí)驗(yàn)材料、選擇觀(guān)測(cè)指標(biāo)、設(shè)計(jì)方法步驟、預(yù)測(cè)和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

[例3] 驗(yàn)證CO₂是光合作用的必要條件之一。

分析：本題首先需要考慮光合材料的選擇：植物(常用盆栽植物、水生植物)、新鮮的葉圓片等，而后根據(jù)所選材料分析如何控制“有無(wú)CO₂供應(yīng)”的條件(如用NaHCO₃溶液提供CO₂，用NaOH吸收CO₂等)，從而設(shè)計(jì)出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)步驟，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和預(yù)期)。

實(shí)驗(yàn)原理一：光照條件下，植物吸收CO₂進(jìn)行光合作用，合成淀粉，遇碘變藍(lán)。a裝置中CO₂被NaOH吸收，不能進(jìn)行光合作用，則葉片遇碘不變藍(lán)。

選材：綠色盆栽植物。

實(shí)驗(yàn)步驟：①選擇兩株長(zhǎng)勢(shì)相同的植株，饑餓處理后分別如圖裝置，適宜光照2h；

②分別取a、b兩株植物的葉片，碘蒸氣熏蒸，觀(guān)察葉片是否變藍(lán)(檢測(cè)指標(biāo))。

預(yù)期結(jié)果：a葉片不變藍(lán)，b葉片變藍(lán)。

實(shí)驗(yàn)原理二：光照條件下，B組黑藻利用NaHCO₃溶液提供的CO₂進(jìn)行光合作用，釋放O₂，裝置中氣體壓強(qiáng)大于B裝置，紅色液滴左移。

選材：水生植物。

實(shí)驗(yàn)步驟：選擇兩株長(zhǎng)勢(shì)相同的黑藻，如圖裝置(圖2)，給予適宜光照；觀(guān)察紅色液滴的移動(dòng)情況(檢測(cè)指標(biāo))。

預(yù)期結(jié)果：紅色液滴左移。

實(shí)驗(yàn)原理三：光照條件下，葉圓片吸收NaHCO₃溶液提供的CO₂進(jìn)行光合作用，釋放的O₂積累在葉肉細(xì)胞間隙，葉圓片上浮。

選材：新鮮的葉圓片。

實(shí)驗(yàn)步驟：取新鮮葉片，用打孔器打出葉圓片20片，抽去其中空氣后，平分為兩組，如圖放置(圖3)，將A、B兩裝置都置于25％、相同光照條件下，觀(guān)察葉圓片能否浮起(觀(guān)測(cè)指標(biāo))。

預(yù)期結(jié)果：B組葉圓片很快浮起。

上述實(shí)例告訴我們，實(shí)驗(yàn)原理是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的依據(jù)和思路，是理解、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。要研究實(shí)驗(yàn)，只有明確實(shí)驗(yàn)的原理，才能真正掌握實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵、操作的要點(diǎn)，進(jìn)而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、改造和創(chuàng)新。因此，在二輪專(zhuān)題復(fù)習(xí)中，教師要引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)真梳理書(shū)本實(shí)驗(yàn)的基本原理，并加以適當(dāng)拓展、訓(xùn)練，是提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ闹匾椒?，?dāng)然也是應(yīng)對(duì)高考實(shí)驗(yàn)考查的有效措施。