高中生物學實驗定量分析途徑及其應用

林建春 （浙江省溫州市洞頭區第一中學 浙江溫州 325700）

生物學是一門以實驗為基礎的自然科學。高中生物學必修課程《分子與細胞》《遺傳與進化》共包含4 個大概念，為達成學生對大概念的理解，普通高中生物學教材（2019 年版）開展了多個活動或實驗（圖1）。此外，《普通高中生物學課程標準（2017 年版）》極其重視對實驗進行定量分析，以促成學生生物學核心素養的形成。開展生物學定量分析實驗，有利于學生體驗科學研究過程，在量的變化過程中了解事物的本質[1]。

圖1 高中生物學必修模塊建議開展的活動或實驗

然而，定量分析實驗在高中生物學課程中所占比例很少，這是導致定量分析實驗未能引起高度重視的根本原因。教材中原有的定量實驗由于器材特殊、時間較長、現象不明顯等因素，難以在高中生物學課堂中開展。因此，需要教師對教材中的實驗進行改進，以實現定性實驗向定量實驗的轉變，或對教材中原有的定量實驗進行創新以便更好地開展。本文以課堂教學實踐、文獻等為依據，闡述高中生物學實驗定量分析的多種途徑，并將其應用于普通高中生物學教材中的多個實驗中，從而發揮定量實驗在培養學生生物學學科核心素養中的作用。

1 分光光度法的應用

分光光度法主要用于溶液中物質含量檢測、微生物數量分析、酶活性測定等多個實驗。朗伯-比爾定律（Lambert-Beer）是其進行定量分析的基本原理，即溶液吸光度值=溶液吸光系數×溶液層厚度（cm）×溶液濃度（g/mL）。當溶液層厚度和吸光系數固定時，吸光度值與溶液濃度成正相關。因此，可實現溶液中物質的定量分析。其具體操作流程可分為4 步：①確定待測物質最適波長；②制作標準曲線；③檢測未知樣品吸光度值；④計算樣品濃度。分光光度法可應用于高中生物學課程中的多個實驗（表1），具有測定時間短、操作簡單等優勢。

表1 分光光度法在高中生物學實驗定量分析中的應用

2 傳感器法的應用

傳感器指一類能感受被測量并按照一定的規律轉換成可輸出信號的裝置或器件。例如，溶解O2傳感器是一種用于測量O2在液體中溶解量（含量）的傳感設備。基于傳感器技術進行定量分析的設備主要由3 個部分組成，分別是傳感器、數據采集器和計算機中相應的配套軟件。與分光光度法不同，傳感器法操作更為簡單、方便，一般不需要配制一系列不同濃度的溶液用于制作標準曲線。高中階段所用到的傳感器主要有pH 傳感器、O2傳感器、CO2傳感器等，應用于生物學實驗定量分析中（表2）。

表2 傳感器在高中生物學實驗定量分析中的應用

3 數碼顯微鏡法的應用

普通光學顯微鏡由光學、照明和機械3 個部分組成，而數碼顯微鏡在普通光學顯微鏡的基礎上，增加了攝像系統、自帶顯示器或電腦，能將顯微鏡所成的像呈現在自帶顯示器或與之相連的電腦顯示屏上。應用普通顯微鏡進行長時間觀察，存在觀察者易疲勞、標本易脫水失活等問題，從而難以開展定量分析實驗。而數碼顯微鏡具有對圖像進行拍照、標記、測量、計數及對整個實驗過程全程錄像等多種實用性功能。此外，還可實現師生之間的雙向互動，及時掌握實驗的最新動態，提高實驗教學效率。數碼顯微鏡至少可應用于以下3 個生物學實驗中，詳見表3。

表3 數碼顯微鏡在高中生物學實驗定量分析中的應用

4 注射器法的應用

注射器是常用的醫療器材，具有規格多樣、易購買、使用方便、易操作等優勢，在生物學定量實驗分析中備受教師青睞。注射器在定量分析實驗中可作為移液、加樣、量取的裝置，也可作為反應器及氣體收集裝置[6]。注射器可用于以下實驗定量分析，詳見表4。

表4 注射器在高中生物學實驗定量分析中的應用

5 Excel 公式法的應用

上述4 種定量分析方法均需借助實驗裝置，Excel 軟件中的函數公式也可應用于個別實驗定量分析，例如，模擬植物或動物性狀分離的雜交實驗、模擬探究細胞表面積與細胞體積的關系等實驗。以開展“模擬孟德爾雜交實驗”為例，開展該實驗的目的是為了增強學生對孟德爾定律實質形成的直觀感受，并在親自參與、體驗科學研究的過程中加深對分離定律和自由組合定律的理解與認識。對于該實驗而言，獲取精準的性狀分離比必須要有大數據的支撐，尤其是在模擬2對相對性狀的雜交實驗中。由于實驗課堂中學生模擬次數有限，使得模擬結果難以趨于真實的性狀分離比9∶3∶3∶1。

因此，在單元格中輸入函數公式=IF(RAND()＜0.5,"Y","y")&IF(RAND()＜0.5,"Y","y")&IF(RAND()＜0.5,"R","r")&IF(RAND()＜0.5,"R","r")用于隨機生成多個F2基因型，“SUMPRODUCT(N(EXACT(數據范圍,"基因型類型")))”函數公式可用于統計不同基因型的數目，具體操作見已發表文獻[7]。借助Excel 軟件中的函數公式，可實現快速獲得模擬數據、統計模擬數據，從而實現模擬實驗的定量分析。

6 總結

教學過程中，開展定量分析實驗有助于學生達成生物學大概念，并發展生物學學科核心素養。上述5 種定量分析方法各具優勢，至少可應用于必修模塊中的7 個實驗。對于同一個實驗，可采用不同的定量分析方法，例如，“探究不同環境因素對光合作用的影響”實驗，可采用注射器法、傳感器法等。教師在開展定量實驗時，要結合學校實際情況，因地制宜選取最佳實驗方案。同時，上述5種定量分析方法除應用于普通高中生物學必修模塊外，還可應用于選修課程，例如，“探究培養液中某種酵母種群數量的動態變化”等實驗中，也可應用于學生的研究性課題、綜合實踐活動中。