梯度法在高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

李晶 張改相

梯度法是一種測定單一因素的最適條件的實(shí)驗(yàn)方法。用梯度法測定某一因素的最佳條件或者最適條件時，首先根據(jù)文獻(xiàn)資料或預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定取值范圍，在該范圍內(nèi)縮小范圍設(shè)置梯度，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測定并繪制實(shí)驗(yàn)曲線。若該范圍內(nèi)測定的數(shù)據(jù)出現(xiàn)峰值，則峰值所對應(yīng)的條件即為最佳或者最適條件;若此范圍內(nèi)未出現(xiàn)峰值，則需擴(kuò)大自變量取值范圍，繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，直到出現(xiàn)峰值為止。

梯度法最早應(yīng)用于數(shù)學(xué)計算和工程學(xué)分析中。隨著學(xué)科交叉的發(fā)展，梯度法的基本思路逐漸在高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到滲透和應(yīng)用，擴(kuò)展了高中生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計和分析能力。下面以“探究生長素類似物促進(jìn)插條生根的最適濃度”實(shí)驗(yàn)為例，分析歸納出高中生物實(shí)驗(yàn)中梯度實(shí)驗(yàn)法應(yīng)用的基本思維過程。

一、梯度實(shí)驗(yàn)實(shí)例

高中生物必修三第三章中“探索生長素類似物促進(jìn)插條生根的最適濃度”的實(shí)驗(yàn)，就需要學(xué)生設(shè)計梯度實(shí)驗(yàn)去進(jìn)行探究學(xué)習(xí)。學(xué)生在課前預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)上，可能會提出如何選取插條生根的濃度值的問題。根據(jù)“生長素濃度與所起作用的關(guān)系”曲線，學(xué)生知道促進(jìn)生根的最適生長素濃度在[10-10]mol.[L-1]。然而生長素類似物又不完全等同于生長素，所以生長素類似物的濃度設(shè)置即成為實(shí)驗(yàn)設(shè)計的難點(diǎn)。教師可引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)來摸索條件，先以生根粉說明書上所給的6.0mg/ml為基準(zhǔn)濃度，兩邊等梯度進(jìn)行濃度取值：0mg/ml、2.0mg/ml、4.0mg/ml、6.0mg/ml、8.0mg/ml、10.0mg/ml，通過預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)所選的柳樹插條在2.0mg/ml和4.0mg/ml的濃度下生根條數(shù)相對較多，濃度超過4.0mg/ml后生根條數(shù)持續(xù)減少。由此大致可以確定柳樹插條生根的適宜濃度不能超過4.0mg/ml。為進(jìn)一步精確確定柳樹插條生根的最適濃度，可引導(dǎo)學(xué)生以2.0mg/ml為基準(zhǔn)，以0.5mg/ml為梯度差，進(jìn)行再次取值實(shí)驗(yàn)：0mg/ml、0.5mg/ml、1.0mg/ml、1.5mg/ml、2.0mg/ml、2.5mg/ml、3.0mg/ml、3.5mg/ml、4.0mg/ml。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)柳樹插條生根條數(shù)較多的濃度為1.5mg/ml和2.0mg/ml，當(dāng)濃度超過2.0mg/ml后，生根條數(shù)減少。若要更加精確鎖定最適濃度值，可以此濃度為基準(zhǔn)，縮小梯度差，在左右兩側(cè)等梯度取值進(jìn)行再次實(shí)驗(yàn)，不斷縮小梯度差值，直至達(dá)到所要求的測量精度為止。

上述實(shí)例僅僅是梯度法在高中生物實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的縮影。實(shí)際上，高中生物實(shí)驗(yàn)中凡是測定最佳條件或者最適條件的實(shí)驗(yàn)均可運(yùn)用梯度實(shí)驗(yàn)法解決。例如：高中生物必修一第五章中“探究影響酶活性的因素”中酶的最適溫度和最適pH值的測定實(shí)驗(yàn)等都是應(yīng)用梯度法的典例。

二、梯度法的實(shí)驗(yàn)流程剖析

梯度法的應(yīng)用能夠有效培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計思維和實(shí)驗(yàn)分析能力，教師應(yīng)將梯度法的基本思維逐漸滲透在高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中?，F(xiàn)將梯度法在高中生物實(shí)驗(yàn)設(shè)計中的基本實(shí)驗(yàn)流程總結(jié)如下：

根據(jù)系統(tǒng)論和程序設(shè)計的有關(guān)知識和思想，筆者將描述梯度實(shí)驗(yàn)步驟的過程借用程序設(shè)計的循環(huán)模式（如圖1所示）來進(jìn)行概括。其中輸入過程指的是實(shí)驗(yàn)所用到的材料、試劑和條件的準(zhǔn)備，在梯度實(shí)驗(yàn)中側(cè)重為梯度等差值的設(shè)置;操作包含了“準(zhǔn)備、處理和得到結(jié)果”三要素的完整處理過程;輸出過程為得到最終結(jié)論的過程。依據(jù)試驗(yàn)流程的循環(huán)模式，筆者總結(jié)出了梯度實(shí)驗(yàn)的基本操作流程（如圖2所示）。

高中生物教師在開展最適條件測定類實(shí)驗(yàn)時，就可依據(jù)以上梯度實(shí)驗(yàn)流程模式圖所示的操作流程，適時引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)思維和分析能力的訓(xùn)練，以達(dá)到有效提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果和學(xué)生實(shí)驗(yàn)思維能力的目的。

作者單位 ?甘肅蘭州市第五十中學(xué) ? 甘肅蘭州市第四中學(xué)