例談生物學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的科學(xué)性原則

王守民

(河北省灤平縣第一中學(xué) 068250)

1 實(shí)驗(yàn)原理的科學(xué)性

實(shí)驗(yàn)原理是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的科學(xué)依據(jù)，也是用來檢驗(yàn)和修正實(shí)驗(yàn)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(yàn)得出的科學(xué)理論，這樣才能設(shè)計(jì)出科學(xué)合理的實(shí)驗(yàn)，才能正確預(yù)期實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和結(jié)論。例如，驗(yàn)證鈣離子在血液凝固中的作用時(shí)，所依據(jù)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)原理：血液中的鈣離子在血液凝固時(shí)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(yīng)，形成草酸鈣或檸檬酸鈣沉淀而失去凝血作用。這兩條科學(xué)完整的原理有助于學(xué)生形成明確的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)出完整正確的實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)材料選擇的科學(xué)性

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

3 實(shí)驗(yàn)過程的科學(xué)性

實(shí)驗(yàn)過程的安排要有科學(xué)性，要注意實(shí)驗(yàn)步驟的關(guān)聯(lián)性和實(shí)驗(yàn)操作的程序性，實(shí)驗(yàn)步驟的前后順序一般不能顛倒，特別是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，不同的操作順序?qū)е虏煌慕Y(jié)果并影響實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)密性。例如，證明植物細(xì)胞呼吸釋放二氧化碳的實(shí)驗(yàn)是這樣設(shè)計(jì)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(yàn)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(shí)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(duì)酶活性的影響”實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性和可靠性。又如“還原性糖鑒定實(shí)驗(yàn)”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(shí)驗(yàn)”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(duì)酶活性影響”的實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)“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(shí)前者的操作是正確的，因?yàn)槿绻认蚴⒂械矸廴芤旱脑嚬苤屑尤氲矸勖福藭r(shí)淀粉酶對(duì)3支試管中淀粉均起消化分解作用。

4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察的科學(xué)性

科學(xué)的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)直接就有可見的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，而有些實(shí)驗(yàn)發(fā)生的反應(yīng)不可見，這就需要把不可見的反應(yīng)轉(zhuǎn)化為可見的現(xiàn)象，需要科學(xué)轉(zhuǎn)化。例如，做“觀察植物細(xì)胞的質(zhì)壁分離與復(fù)原”實(shí)驗(yàn)時(shí)，選擇紫色的洋蔥作為實(shí)驗(yàn)材料，由于其液泡中細(xì)胞液呈紫色而使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象易于觀察，保證了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。再如，在“探索淀粉酶對(duì)淀粉和蔗糖的作用”實(shí)驗(yàn)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(cè)是否有水解產(chǎn)物的形成。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理的科學(xué)性

對(duì)于實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象應(yīng)該首先記錄，然后進(jìn)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(zhǔn)確表現(xiàn)出來，最后再經(jīng)過仔細(xì)分析，最大限度地提取其中的信息，以便分析得出正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。例如，孟德爾的豌豆雜交實(shí)驗(yàn)是應(yīng)用了統(tǒng)計(jì)學(xué)的概率原理進(jìn)行計(jì)算。再如在用全素營養(yǎng)液培養(yǎng)大麥，48 h后測(cè)定幾種離子的濃度占原有濃度的百分比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1：

表1 全素營養(yǎng)液離子濃度變化

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果經(jīng)過記錄和整理，使人很容易進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的對(duì)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(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析時(shí)，也要從這三方面入手，從而得出結(jié)論。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)論表達(dá)的科學(xué)性

把實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析得到的結(jié)論，還需要用準(zhǔn)確恰當(dāng)簡明的語言表達(dá)出來，才能成為科學(xué)的理論，因此需要有深厚的語言功底、精煉的語言，才能把實(shí)驗(yàn)結(jié)論表達(dá)準(zhǔn)確完整，這也是近幾年高考生物學(xué)非選擇題考查的重點(diǎn)之一，因此需要加強(qiáng)訓(xùn)練。例如，上述實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)論：一是植物對(duì)水分和礦質(zhì)元素的吸收與光照有一定關(guān)系；二是植物對(duì)水分和礦質(zhì)元素的吸收是兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的過程；三是植物對(duì)礦質(zhì)元素的吸收具有選擇性。恩格爾曼的實(shí)驗(yàn)就可說明：一是光合作用需要光；二是光合作用的場(chǎng)所是葉綠體；三是光合作用釋放氧氣。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)型題是近幾年高考的熱點(diǎn)，它是以教材實(shí)驗(yàn)為依托，側(cè)重考查學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析和評(píng)價(jià)的能力，能較全面地考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)知識(shí)和基本技能，分析解決問題和語言表達(dá)的能力以及創(chuàng)造能力，都需要學(xué)生有科學(xué)思想和科學(xué)方法，掌握生物學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原則和規(guī)律，必須有充分的科學(xué)依據(jù)，而不能憑空想象，要遵循科學(xué)性原則，把科學(xué)的方法和科學(xué)探究過程滲透到設(shè)計(jì)中，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中形成科學(xué)的思想，學(xué)會(huì)運(yùn)用科學(xué)方法解決問題，從而提高學(xué)生的能力和思維的靈活性。