實驗原理的提煉及應用

2010年江蘇省生物科考試說明，刪除了“觀察線粒體和葉綠體”(a)的實驗，增加了“模擬尿糖的檢測”(b)的實驗，同時將“探究酶在洗滌方面的作用”由a級提高到b級要求。因此20個考查實驗的等級比例a:b:c由2008年10:7:3升高至2009年的7:10:3又連續升高為2010年的5:12:3，對實驗考查的等級要求是連年提高。如何進行有效的復習以應對高考要求的連年提高呢?

1 實驗原理的定義

所謂實驗原理就是實驗方法、實驗手段、實驗操作過程以及實驗結果分析等所依據的科學理論。

實驗原理的設計要遵循以下基本原則：

①科學性：實驗原理首先要遵循實驗的科學性原則。實驗中涉及到的實驗設計依據必須是經前人證明的科學理論。如還原糖與斐林試劑產生磚紅色的沉淀，甲狀腺激素可以促進幼小動物體的發育等，都是科學理論。②可行性：可行性是指從儀器選取、實驗條件和操作等方面來看，實驗是否符合實際情況，能否達到實驗目的。如“探究培養液中酵母菌數量的動態變化”的實驗設計提示中，有的教材給出了“用試管、10mL馬鈴薯培養液”對酵母菌進行連續7d觀察并每天取樣檢測的方案建議，明顯不符合實際情況，實驗進行到3、4d左右的時候，就開始出現大量死菌，所以建議學生改用“錐形瓶、50mL培養液”則比較符合實際。除此之外，實驗原理的設計還要遵循安全性、簡便性、精確性等原則。

2 如何提煉實驗原理

總結近幾年高考及模擬訓練的試題，提煉實驗原理的題型無非兩種：一種是知道實驗的目的和材料寫實驗原理；另一種是根據實驗的過程和步驟等寫實驗原理。

2.1 根據實驗的目的和材料寫實驗原理

對于這類題型，闡述實驗原理首先要明確實驗原理的表述內容。實驗原理的內容通常表述為實驗設計的整體思路，即通過…達到…的目的；還包括實驗現象與結果出現的原因以及重要實驗步驟設計的根據等。可以概括為對實驗的相關理論知識、大致的處理方案、采用的檢測手段(含觀測指標)三個方面的描述。

如，在“DNA的粗提取和鑒定”實驗的原理中，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”的原理來提取DNA，利用“DNA不溶于酒精，而某些雜質溶于酒精”或“酶的專一性”或者是“DNA和蛋白質的熱穩定性不同”的原理來初步提純DNA，就包含了對實驗相關的理論知識和大致處理方案的描述；而“DNA遇二苯胺試劑變藍”則是對檢測手段的描述。

[例1]細胞分裂素是由植物的根尖等部位合成的一種植物激素，科學研究表明：細胞分裂索能抑制葉綠素、核酸和蛋白質的降解，抑制葉片衰老。所以在生產中可利用細胞分裂素作保鮮劑。請你設計一個實驗證明細胞分裂素有延緩葉片衰老的作用。

(1)實驗原理：_______ 。

分析：本題實驗原理的提出首先要從題干中提煉出相關理論知識(葉綠素逐漸喪失是葉片衰老最明顯的特點，細胞分裂素能通過抑制葉綠素、核酸和蛋白質的降解來抑制葉片衰老。離體的葉片缺乏細胞分裂素，很快就會出現衰老的特點)，據此可以找到大致的處理方案(用細胞分裂素處理離體葉片)和觀測指標(記錄葉片失綠變黃所需的時間)。這樣，就能完整準確地闡述實驗的原理了。

答案(1)：葉綠素逐漸喪失是葉片衰老最明顯的特點，離體葉片很快就會出現衰老的特點，細胞分裂素能抑制葉綠素、核酸和蛋白質的降解，因此可通過用細胞分裂素來處理離體葉片，記錄葉片失綠變黃的所需時間來證明。

2.2 根據實驗的過程或步驟寫實驗原理

對于這一類題型，闡述實驗原理必須要解決兩個問題：為什么這樣操作?為什么出現這樣的現象?在回答這兩個問題時，可以只針對實驗組的處理和變化進行敘述，講清前因后果，也可以寫清對同一實驗對象實施不同自變量處理時的變化。

[例2]為確定人體在運動時呼出氣體中的CO₂濃度是否比靜止時高，某同學進行了如下探究：

作出假設：人體在運動時呼出氣體中CO₂的濃度比靜止時高。

實驗過程：①在3個燒杯中，分別注入100mL蒸餾水，測定其pH。

②實驗者在安靜狀態(靜坐2min)、中度運動(步行2min)以及劇烈運動(跳繩2min)后，立即分別向上述3個燒杯的水中吹入等量氣體，測定pH。經多次重復實驗，所得平均數據如表1。

請回答：該實驗的原理是_____(其他問題略)。

分析：本題實驗原理的提出在于回答清楚兩個問題：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動狀態下呼出氣體到水中，通過測定水pH的變化可以推測呼出氣體中CO₂濃度的變化。)為什么出現這樣的現象?(人在不同運動狀態下產生的CO₂不同，溶于水后也會導致pH不同。)

參考答案：CO₂在水中溶解后使水的oH下降，人在不同運動狀態下產生的CO₂不同，溶于水后也會導致pH不同，通過測定水pH的變化可以推測呼出氣體中CO₂濃度的變化。

2.3 實驗原理在實驗設計中的指導作用

準確掌握實驗原理可以在實驗中指導選擇實驗材料、選擇觀測指標、設計方法步驟、預測和分析實驗結果。

[例3] 驗證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，而后根據所選材料分析如何控制“有無CO₂供應”的條件(如用NaHCO₃溶液提供CO₂，用NaOH吸收CO₂等)，從而設計出相應的實驗步驟，并對實驗結果進行分析和預期)。

實驗原理一：光照條件下，植物吸收CO₂進行光合作用，合成淀粉，遇碘變藍。a裝置中CO₂被NaOH吸收，不能進行光合作用，則葉片遇碘不變藍。

選材：綠色盆栽植物。

實驗步驟：①選擇兩株長勢相同的植株，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，觀察葉片是否變藍(檢測指標)。

預期結果：a葉片不變藍，b葉片變藍。

實驗原理二：光照條件下，B組黑藻利用NaHCO₃溶液提供的CO₂進行光合作用，釋放O₂，裝置中氣體壓強大于B裝置，紅色液滴左移。

選材：水生植物。

實驗步驟：選擇兩株長勢相同的黑藻，如圖裝置(圖2)，給予適宜光照；觀察紅色液滴的移動情況(檢測指標)。

預期結果：紅色液滴左移。

實驗原理三：光照條件下，葉圓片吸收NaHCO₃溶液提供的CO₂進行光合作用，釋放的O₂積累在葉肉細胞間隙，葉圓片上浮。

選材：新鮮的葉圓片。

實驗步驟：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，觀察葉圓片能否浮起(觀測指標)。

預期結果：B組葉圓片很快浮起。

上述實例告訴我們，實驗原理是實驗設計的依據和思路，是理解、設計實驗的基礎。要研究實驗，只有明確實驗的原理，才能真正掌握實驗的關鍵、操作的要點，進而進行實驗的設計、改造和創新。因此，在二輪專題復習中，教師要引導學生認真梳理書本實驗的基本原理，并加以適當拓展、訓練，是提高學生實驗能力的重要方法，當然也是應對高考實驗考查的有效措施。