例談生物學實驗設計的科學性原則

王守民

(河北省灤平縣第一中學 068250)

1 實驗原理的科學性

實驗原理是實驗設計的科學依據(jù)，也是用來檢驗和修正實驗方法和過程的理論依據(jù)，因此它必須是經(jīng)前人總結(jié)或檢驗得出的科學理論，這樣才能設計出科學合理的實驗，才能正確預期實驗的結(jié)果和結(jié)論。例如，驗證鈣離子在血液凝固中的作用時，所依據(jù)兩個實驗原理：血液中的鈣離子在血液凝固時起重要作用，若缺少它則血液不能凝固；草酸鉀或檸檬酸鈉能與血液中的鈣離子發(fā)生反應，形成草酸鈣或檸檬酸鈣沉淀而失去凝血作用。這兩條科學完整的原理有助于學生形成明確的設計思路，設計出完整正確的實驗。

2 實驗材料選擇的科學性

實驗材料是科學實驗成功與否的關鍵要素，設計實驗時，一定要根據(jù)實驗的目的和原理選擇恰當?shù)膶嶒灢牧希M量避免實驗材料的顏色和數(shù)量等因素對實驗結(jié)果的影響。例如，孟德爾在進行遺傳規(guī)律研究時，經(jīng)過大量的實驗和長期的觀察，選擇了嚴格自花受粉和閉花傳粉的豌豆作為雜交實驗的材料，這就保證了雜交實驗的親本一定是純種，保證實驗的科學性。再如，新鮮的黑藻嫩葉是“觀察細胞質(zhì)流動”實驗的理想材料，因其新鮮，故能保證觀察到的是活細胞；因其含水量多，故能保證細胞質(zhì)流動速度快，實驗現(xiàn)象明顯；因其含有葉綠體，故能使細胞質(zhì)的流動速度和方向因有參照物而清晰可見；因其葉片薄，是單層細胞，故便于制作臨時裝片進行觀察。又如，恩格爾曼在證明葉綠體是植物進行光合作用的場所時，選擇了水綿和好氧性細菌做實驗材料，一來水綿不僅有細而長的帶狀葉綠體，而且葉綠體螺旋狀地分布在細胞內(nèi)，便于觀察和分析研究；二來用好氧性細菌進行檢測，能準確判斷出水綿細胞中釋放氧氣的部位。有了這樣方便易得的實驗材料，再加上科學的實驗方法，就能順利地達到預期的實驗效果。

3 實驗過程的科學性

實驗過程的安排要有科學性，要注意實驗步驟的關聯(lián)性和實驗操作的程序性，實驗步驟的前后順序一般不能顛倒，特別是關鍵環(huán)節(jié)，不同的操作順序?qū)е虏煌慕Y(jié)果并影響實驗的嚴密性。例如，證明植物細胞呼吸釋放二氧化碳的實驗是這樣設計的：通入的空氣首先經(jīng)過氫氧化鈉溶液，以除去其中的二氧化碳，再經(jīng)過氫氧化鈣溶液，以檢驗二氧化碳是否除盡，最后才通入裝有萌發(fā)種子的密封瓶中，只有經(jīng)過這樣的步驟，才能完全排除空氣中二氧化碳的干擾，確實證明瓶中的二氧化碳真正來源于萌發(fā)種子的呼吸。再如，“溫度和酸堿度對酶活性的影響”實驗首先是把淀粉酶做不同的溫度和酸堿度處理，然后再加入到淀粉溶液中，這樣就能保證不同處理的酶的作用的發(fā)揮，而不是先把淀粉和淀粉酶混合后，再做不同的溫度和酸堿度處理，排除了其他因素的影響，保證了實驗結(jié)果的真實性和可靠性。又如“還原性糖鑒定實驗”中，先將斐林試劑甲液和乙液混合以形成Cu(OH)2后，再加入組織樣液中，而“蛋白質(zhì)的鑒定實驗”中，先加入雙縮脲試劑A液(NaOH)以創(chuàng)造堿性環(huán)境，再加入B液(CuSO4)。在“探索溫度對酶活性影響”的實驗中，應“將3支試管先分別放入60℃、0℃、沸水中5 min后再加淀粉酶”還是“先向3支試管中加入淀粉酶后再將3支試管分別放入60℃、0℃、沸水中”呢？表面看兩種操作無多大差別，其實前者的操作是正確的，因為如果先向盛有淀粉溶液的試管中加入淀粉酶，此時淀粉酶對3支試管中淀粉均起消化分解作用。

4 實驗現(xiàn)象觀察的科學性

科學的實驗要有正確的觀察方法，才能為結(jié)果的處理和分析提供可靠的依據(jù)。但有些實驗直接就有可見的實驗現(xiàn)象，而有些實驗發(fā)生的反應不可見，這就需要把不可見的反應轉(zhuǎn)化為可見的現(xiàn)象，需要科學轉(zhuǎn)化。例如，做“觀察植物細胞的質(zhì)壁分離與復原”實驗時，選擇紫色的洋蔥作為實驗材料，由于其液泡中細胞液呈紫色而使實驗現(xiàn)象易于觀察，保證了實驗的準確性。再如，在“探索淀粉酶對淀粉和蔗糖的作用”實驗中，淀粉和蔗糖是否被水解，表面上看不到現(xiàn)象，就需要用斐林試劑來檢測是否有水解產(chǎn)物的形成。

5 實驗結(jié)果處理的科學性

對于實驗的現(xiàn)象應該首先記錄，然后進行整理，以全面和便于分析的某種方式如表格、曲線、柱形圖等具體準確表現(xiàn)出來，最后再經(jīng)過仔細分析，最大限度地提取其中的信息，以便分析得出正確的實驗結(jié)論。例如，孟德爾的豌豆雜交實驗是應用了統(tǒng)計學的概率原理進行計算。再如在用全素營養(yǎng)液培養(yǎng)大麥，48 h后測定幾種離子的濃度占原有濃度的百分比，實驗結(jié)果如表1：

表1 全素營養(yǎng)液離子濃度變化

上述實驗結(jié)果經(jīng)過記錄和整理，使人很容易進行實驗的對比分析：一組是有光和無光；一組是水分的吸收和礦質(zhì)元素的吸收；另一組是不同礦質(zhì)元素的吸收。所以，對實驗結(jié)果的分析時，也要從這三方面入手，從而得出結(jié)論。

6 實驗結(jié)論表達的科學性

把實驗結(jié)果進行分析得到的結(jié)論，還需要用準確恰當簡明的語言表達出來，才能成為科學的理論，因此需要有深厚的語言功底、精煉的語言，才能把實驗結(jié)論表達準確完整，這也是近幾年高考生物學非選擇題考查的重點之一，因此需要加強訓練。例如，上述實驗中的實驗結(jié)論：一是植物對水分和礦質(zhì)元素的吸收與光照有一定關系；二是植物對水分和礦質(zhì)元素的吸收是兩個相對獨立的過程；三是植物對礦質(zhì)元素的吸收具有選擇性。恩格爾曼的實驗就可說明：一是光合作用需要光；二是光合作用的場所是葉綠體；三是光合作用釋放氧氣。

實驗設計型題是近幾年高考的熱點，它是以教材實驗為依托，側(cè)重考查學生對實驗進行設計、分析和評價的能力，能較全面地考查學生的實驗知識和基本技能，分析解決問題和語言表達的能力以及創(chuàng)造能力，都需要學生有科學思想和科學方法，掌握生物學實驗設計的原則和規(guī)律，必須有充分的科學依據(jù)，而不能憑空想象，要遵循科學性原則，把科學的方法和科學探究過程滲透到設計中，使學生在實驗設計過程中形成科學的思想，學會運用科學方法解決問題，從而提高學生的能力和思維的靈活性。