生物學(xué)經(jīng)典實驗在高中生物實驗教學(xué)中的作用

全國慶　江東

探究性學(xué)習(xí)理念已成為當(dāng)下所倡導(dǎo)的最為重要的學(xué)習(xí)理念之一，探究性思想已被廣大師生所接受。現(xiàn)行高中生物課本（必修）介紹了大量的經(jīng)典實驗，它不僅提供了科學(xué)史實，更重要的是展示了科學(xué)理論、科學(xué)理念的形成過程。它們所蘊含的探究性理念應(yīng)該成為實驗教學(xué)、尤其是探究性實驗教學(xué)的重要素材。近年高考越來越重視對書本主干知識的考查，遵循“源于課本、高于課本”的原則，而作為書本的經(jīng)典實驗連年被高考所采用。因此，充分利用好教材中的經(jīng)典實驗是高中生物實驗教學(xué)的重要內(nèi)容。

1 經(jīng)典實驗在實驗教學(xué)中的作用

（1） 教材中的經(jīng)典實驗是對學(xué)生進(jìn)行生物科學(xué)史教育的良好素材，科學(xué)家為科學(xué)獻(xiàn)身的精神是對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)素養(yǎng)和科學(xué)精神教育的生動教材。

科學(xué)每前進(jìn)一步，都凝聚著無數(shù)科學(xué)家的辛勤汗水。例如沃森和克里克這兩位年輕的科學(xué)家在總結(jié)前人已有成果的基礎(chǔ)上，提出了DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，可以說這兩位科學(xué)家的合作精神是科學(xué)研究中的典范。奧地利遺傳學(xué)家孟德爾身為傳道士，卻對自然科學(xué)充滿興趣，經(jīng)過無數(shù)次實驗總結(jié)出兩大遺傳定律，在當(dāng)時不能被眾人所接受的情況下仍能堅持真理。這里所體現(xiàn)出的合作精神，堅持真理的精神都是從事科研工作必須具備的品質(zhì)。

（2） 經(jīng)典實驗中體現(xiàn)出的探究性實驗設(shè)計原則、步驟、思路為學(xué)生進(jìn)行探究性實驗設(shè)計提供了范本。教師可以此為素材進(jìn)行分析，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實驗設(shè)計。在探究性實驗設(shè)計中為研究某一因素對某一生理過程的影響，要遵循對照原則和單一變量原則，教材中許多經(jīng)典實驗很好地體現(xiàn)了這些原則。教師指導(dǎo)學(xué)生對這些實驗進(jìn)行分析，可加深其對探究性實驗設(shè)計思路的理解。

例如：“光合作用”一節(jié)中有關(guān)薩克斯驗證光合作用需光的實驗，為了盡量消除無關(guān)變量的影響，采用同一葉片的遮光部分和曝光部分進(jìn)行對照，體現(xiàn)了實驗設(shè)計的原則。而且此實驗提供了一類實驗，即需通過驗證光合產(chǎn)物（或產(chǎn)物部位）來研究光合作用條件（或是判斷C3、C4植物）的基本步驟：饑餓處理→設(shè)置對照→光照→取葉→酒精褪綠→碘處理→觀察是否產(chǎn)生藍(lán)色或產(chǎn)生藍(lán)色部位。

教學(xué)實踐表明，教師指導(dǎo)學(xué)生對這些實驗認(rèn)真分析，書寫步驟、結(jié)果、結(jié)論，可大大提高學(xué)生的實驗設(shè)計能力。

（3） 經(jīng)典實驗中體現(xiàn)出的科學(xué)思路、科學(xué)思想是人類智慧的精華，通過對這些實驗設(shè)計思路的分析，可以拓展學(xué)生思維，啟迪智慧。

例如，恩格爾曼驗證光合作用條件和場所的實驗可以稱為高中顯微實驗的經(jīng)典。教師引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)真分析此實驗，體會其中的絕妙之處：① 選用水綿作實驗材料，水綿不僅具有細(xì)而長的帶狀葉綠體，而且螺旋狀地分布于細(xì)胞中，便于觀察和分析研究；② 將臨時裝片放在黑暗并且無空氣的環(huán)境中，排除了環(huán)境中光和氧的影響，確保實驗?zāi)苷＿M(jìn)行；③ 選用極細(xì)的光束照射，并且用好氧細(xì)菌進(jìn)行檢測，從而能準(zhǔn)確判斷出水綿細(xì)胞中釋放氧的部位；④ 進(jìn)行黑暗和曝光的對比實驗，從而明確實驗結(jié)果完全由光照引起。

又如，在證明DNA是主要的遺傳物質(zhì)的2個經(jīng)典實驗中，均是采用把蛋白質(zhì)和核酸分開然后單獨觀察它們在遺傳中所起作用這一思想。艾弗里采用的是化學(xué)提取和分離并鑒定S型細(xì)菌中的各物質(zhì)，而后與R型細(xì)菌單獨培養(yǎng)；而赫爾希和蔡斯則采用放射性35S和32P分別標(biāo)記T2噬菌體蛋白外殼和核酸，去研究它們在遺傳中的作用。不同時代采用不同技術(shù)，也說明了技術(shù)對科學(xué)研究的巨大推動作用。

（4） 經(jīng)典實驗中初步涉及到一些生物研究的技術(shù)方法。

生物學(xué)有一套完整的學(xué)科研究方法，如植物生理中經(jīng)常用到的溶液培養(yǎng)法、放射自顯影技術(shù)、環(huán)割法（研究植物體內(nèi)有機物運輸?shù)耐緩剑趧游锓置谘芯恐薪?jīng)常用到的摘除、移植法，在各學(xué)科普遍應(yīng)用的同位素標(biāo)記法等。

在高中生物的經(jīng)典實驗中，同位素標(biāo)記法是一種常用的實驗技術(shù)。如魯賓、卡門驗證光合作用產(chǎn)物O2中O原子來源的實驗、噬菌體侵染細(xì)菌實驗、研究分泌蛋白合成和分泌過程中涉及的細(xì)胞結(jié)構(gòu)實驗等。因此，在習(xí)題中也經(jīng)常遇到用同位素標(biāo)記法來研究某一生理過程的實驗設(shè)計和分析題。

例：Grimtone曾觀察到：饑餓的原生動物逐漸停止形成高爾基體，同時粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)也減少或幾乎完全消失，由于這些細(xì)胞于實驗期間還繼續(xù)形成分泌小泡，所以每一個高爾基體的囊的數(shù)目減少了；但當(dāng)給動物重新喂食后，形成了新的粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，同時產(chǎn)生新的高爾基體，囊的能力也恢復(fù)了。高爾基體的構(gòu)建和數(shù)目變化為什么與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)一致呢？

假設(shè)： 。

進(jìn)行實驗：用含有14C的亮氨酸和含有14C的甘油（合成生物膜的原料）同時培養(yǎng)原生動物，然后用放射自顯影技術(shù)觀察放射性出現(xiàn)的先后順序。

結(jié)果：放射性出現(xiàn)的先后順序是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)→高爾基體→細(xì)胞膜。

結(jié)論：高爾基體膜是由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜轉(zhuǎn)化的。

根據(jù)上述探索過程，請回答下列問題：

（1） 作為這一實驗的假設(shè)，下列說法最為恰當(dāng)?shù)氖牵?）

A. 細(xì)胞內(nèi)的膜結(jié)構(gòu)可以互相轉(zhuǎn)化

B. 高爾基體膜可以轉(zhuǎn)化為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜

C. 高爾基體膜是由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜轉(zhuǎn)化的

D. 高爾基體的形成需要原料

答案：C。

（2） 上述實驗存在一個不當(dāng)之處，請指出并改正。

答案：含有14C的亮氨酸和含有14C的甘油不應(yīng)同時培養(yǎng)原生動物，應(yīng)分別培養(yǎng)，再用放射自顯影技術(shù)分別觀察放射性出現(xiàn)的先后順序。

可見，同位素標(biāo)記法主要是用放射性同位素標(biāo)記某物質(zhì)以研究該物質(zhì)或該物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)構(gòu)在生物體或細(xì)胞中的轉(zhuǎn)移情況。

2 教材中的經(jīng)典實驗在高考試題中的出現(xiàn)形式

以教材中的經(jīng)典實驗為背景進(jìn)行再組合成為高考實驗題組題的重要形式。如肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗、噬菌體侵染細(xì)菌實驗、性腺的切除和移植實驗、生長素發(fā)現(xiàn)、豌豆的雜交實驗等，均可成為高考命題的知識來源。下面以2道全國理綜卷實驗題加以說明。

（1） 證明“生長素在植物體內(nèi)只能進(jìn)行極性運輸”的實驗。本實驗的情境學(xué)生并不陌生，它正是采用了教材中溫特證明“胚芽鞘尖端含有生長物質(zhì)”的實驗方法，均以空白瓊脂塊為載體，將空白瓊脂塊放上胚芽鞘尖端一段時間后，能使去尖的胚芽鞘彎向一側(cè)，說明胚芽鞘尖端含生長物質(zhì)；本實驗則說明含IAA的瓊脂塊能“從形態(tài)學(xué)上端向下端運輸”，使空白瓊脂塊含IAA。根據(jù)實驗?zāi)康脑僭O(shè)置一個對照實驗即可。

（2） 驗證“鎂是植物生活的必需元素”是一個實驗分析評價題，主要要求考生指出實驗錯誤并加以改正。而考查的知識正是經(jīng)典實驗中驗證必需元素的溶液培養(yǎng)法以及對溶液培養(yǎng)法的技術(shù)要求，此外注意到對照原則和控制好單一變量即可。

3 教學(xué)措施

從以上分析可以看出，教材中的經(jīng)典實驗應(yīng)成為高中生物實驗教學(xué)的重要部分，圍繞經(jīng)典實驗進(jìn)行復(fù)習(xí)應(yīng)成為實驗備考的一項重要內(nèi)容。圍繞教材中的經(jīng)典實驗，筆者在教學(xué)中主要采取了以下措施。

3.1 指導(dǎo)學(xué)生對經(jīng)典實驗認(rèn)真分析，書寫步驟、結(jié)果、結(jié)論

教師要求學(xué)生按實驗設(shè)計的要求對教材中的經(jīng)典實驗重新組織步驟，得出結(jié)果、結(jié)論，這不僅能加深學(xué)生對這些實驗的理解，體會其設(shè)計思路，關(guān)鍵能提高學(xué)生的語言組織能力。這種做法對提高學(xué)生的實驗設(shè)計能力是大有益處的。

3.2 介紹一些高校教材中的經(jīng)典實驗，開拓學(xué)生視野

高校教材，特別是高校教材中的實驗成為高考試卷組題的重要來源。因此，教師給學(xué)生介紹一些高校教材中的經(jīng)典實驗，能極大開拓學(xué)生視野，如巴甫洛夫證明狗的胃液分泌受神經(jīng)和激素控制、巴斯德的免疫實驗、光周期實驗、農(nóng)藥對害蟲是進(jìn)行選擇而不是使其發(fā)生變異的原因、密碼子所代表的氨基酸的確定等。

3.3 圍繞經(jīng)典實驗，進(jìn)行適當(dāng)訓(xùn)練

每套復(fù)習(xí)資料中都有關(guān)于相應(yīng)章節(jié)中經(jīng)典實驗的練習(xí)題目，這些題目多是圍繞對經(jīng)典實驗的分析。通過訓(xùn)練，可以大大加深學(xué)生對教材中經(jīng)典實驗的理解。另外，教師還可以錄制一些高質(zhì)量的經(jīng)典實驗微課程，充分利用數(shù)字化校園和其他平臺，供學(xué)生自主學(xué)習(xí)和同學(xué)科教師選用，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源的共享。

總之，實驗教學(xué)注重的是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方法和解決問題的能力，養(yǎng)成科學(xué)探究的精神。如何合理的、科學(xué)的、高效地使用生物學(xué)經(jīng)典實驗是每一位生物教師所面臨的一個問題。以上是我校在教學(xué)實踐中對教材經(jīng)典實驗的一些認(rèn)識和做法，希望能對生物界的教學(xué)同仁有所幫助，以共同提高生物學(xué)的教育教學(xué)質(zhì)量。