实验中的转化思想

李炜

摘 要：本文总结了生物实验设计中包含的转化思想，结合具体实验概述转化的作用、形式、方法，这有助于学生更好地总结实验设计规律，创新实验方法，实现实验能力迁移。

关键词：中学生物； 实验； 转化

中图分类号：G633.91 文献标识码：A 文章编号：1006-3315（2013）08-029-002

转化和比较（类比）是两种重要的迁移能力，特别是转化。转化是一种重要的学术思想，是科学的方法论，广泛应用于各学科领域。通过转化，可以化繁为简、化隐为显、化定性为定量，在未知和已知间建立桥梁和纽带，有时可化腐朽为神奇。可以说几乎每一个巧妙的实验都包含转化，实验的整体思路通过转化设计，实验变量的选择通过转化确定，实验结果的观察通过转化确定观察指标和内容。没有转化，就没有精巧的实验，就没有生物学的发展；所谓实验之巧妙，就巧在转化上。转化包括转化思想和转化方法。

一、转化在生物实验各环节上的应用

生物实验的各个环节都可能需要转化，无论是设计思路，原理，方法、观察指标等。

1.实验设计思路的转化

噬菌体侵染细菌实验就是运用转化思想获得成功的著名例子。想单独观察DNA和Pr在遗传中作用，但又不能用提取法将两者彻底分离开，怎么办？转化一下思路，不从空间距离上分离，而是分别给它们打上特殊标记，这样在生物原生态条件下去观察DNA和蛋白质的遗传角色，要比机械分离后再去观察它们作用更符合生命的本原规律。

逆向思维也是一种转化。在用伞藻为实验材料探究核质比大小与细胞分裂关系的实验时，有人提出假说，核质比只有小到一定程度细胞才分裂。并且还做了如下实验：在伞帽已经长出，核将要分裂时，将伞帽切去，核的分裂就受到抑制，直到新的伞帽再生出来，核才恢复分裂。假如再设计新的实验作为对照和补充，则设计思路反其道而行之：在伞帽未长出，核未分裂时，给其嫁接上一个长成的伞帽，则原不该分裂的细胞核就开始分裂了。

2.实验原理的转化

确定什么样的物质属遗传物质也包含了转化。控制生物性状的物质是遗传物质，一定在生物体内，一定是六类化合物中的一种。

艾弗里：能使R菌发生转化（R菌S菌）的物质是遗传物质。蔡斯·赫尔希：能在噬菌体的亲子代间起连接作用的物质（即在亲子代间能保持连续的物质）是遗传物质，这样就将噬菌体中谁是遗传物质的问题转化成噬菌体侵染细菌时谁进入大肠杆菌的问题，谁进入大肠杆菌谁就是在噬菌体的亲子代间保持连续性的物质，就是控制噬菌体性状的物质，就是遗传物质。

3.实验方法的转化

3.1类比法。模拟实验就是典型的方法转化，它采用的是类比法。受条件限制，不能直接验证实验结果，因此用相似的事物类比，将结果直接迁移到实际问题中。如中学教材中的标志重捕法和基因分离规律的模拟等，此外还可以创新出很多模拟实验来，如模拟探究细胞表面积与体积的关系：

实验原理 酚酞遇NaOH呈红色

琼脂块大小模拟细胞大小

物质扩散体积与总体积之比表示物质运输效率

结果讨论：1）从琼脂块的颜色变化可知NaOH扩散到多深；2）在相同时间内，NaOH在不同大小的琼脂块内扩散的深度基本相同，说明NaOH在每一琼脂块中扩散的速度是相同的。

结论：NaOH扩散的体积与整个琼脂块的体积之比随琼脂块的增大而减小。

迁移转化：实验知细胞长大到一定体积就会分裂，原因受到细胞表面积与体积的制约（细胞体积越大，其相对表面积越小，细胞与周围环境间物质交换的面积相对越小，物质运输的效率越低。）

3.2间接法。例如恩格尔曼证明叶绿体是光合作用的场所实验，他不是直接检测叶绿体是否能产生氧气，或直接检测氧气的来源，而是观察好氧菌或厌氧菌在巨大的水绵细胞的周围的分布位置来判断氧气的来源。这就是化直接为间接，曲线求解。

转化如同几何中的辅助线，将微观化宏观，将不可能观察到的转化为可观察的。如微生物生长，将测个体生长转化为测群体生长；另植物的蒸腾作用、植物对矿质元素的吸收等，其量的多少也都不方便直接测量，但我们可测定试管中的剩余量，用总量减去剩余量即为所求量。

二、转化实验中的变量，便于实验设计和实验指标的观察

几乎所有试验都要对变量进行转化，这样才能控制实验变量和无关变量，实现对实验结果的观察和记录，使很多只能定性观察的实验转化成定量实验，使不具操作性的思想理论转化为具操作性、可控性的实验。

1.实验变量的转化

实验设计的关键之一是找准变量，即要确定实验变量和无关变量，分清反应变量和额外变量。探究或验证某一问题时可选择的自变量（实验变量）虽然很多，但不是所有自变量都符合实验要求。只有最易控制、最易操作、其量值最易调控的实验变量才是我们要找的实验变量。例如探究酶的相关实验有时需要控制酶量成梯度的变化，可将酶量控制转化为生物量控制，即用生物量代替酶量，如过氧化氢酶量成梯度的变化可通过土豆片的多少来控制：一片土豆、两片土豆、三片……

再如探索光照、温度、二氧化碳对光合作用的影响。想定性研究光强如何影响光合作用强度：一般不是在100LX， 200LX，300LX……等具体光强数值的条件下去测量光合作用强度，因为精确的光强大小很难控制，一般采用在一只固定功率的灯泡（如100W）外蒙一层，二层，三层……纱布或移动这只灯泡使其与叶片的距离为1，2，3……米等方法去控制光强大小；光合强度大小一般也不是用单位时间内二氧化碳的吸收量表示的，而是根据所给条件灵活用其它指标替代，比如可用溶液中指示剂的褪色程度来表示。

例实验原理：抽出叶肉细胞间隙的空气，充以水分，会使叶片沉于水中。氧气在水中溶解度小，光合作用放出的氧气在细胞间隙积累，使叶片上浮。上浮所需的时间可作为光合作用强弱的比较依据。材料用具：蚕豆植株、打孔器、注射器、小烧杯、清水、恒温水浴锅、日光灯、温度计、秒表等。本实验不仅可探究光照对光合作用的影响，也能探究温度等对光合作用的影响。（下转第63页）

（上接第29页）这里无论是实验变量还是反应变量都需经过转化才能被控制和测量。

2.观察指标的转化

实验变量改变了，实验结果必然改变，观察对象必然调整。即实验变量的转化必然导致观察指标转化。上文中用叶片上浮所需时间表示光合作用强度，实质就体现了观察指标的转化。若直接测光合强度，不仅器材繁多，方法更复杂。

再如某小组开展“不同浓度香烟对水蚤心率的影响”研究。他们已将香烟和蒸馏水按1：1的重量比浸泡24小时，过滤后的滤液作为原液。请你为小组确定一项观测指标，配置关键的实验器材，并设计一张表格用于数据记录。则观察指标应为水蚤每分钟心跳次数。

分析：香烟浸出液对水蚤影响是多方面的，包括活动强度、代谢速率、体积变化、单位时间内死亡数……等，但这些指标都不具可度量性。而观测其心率只需显微镜、秒表等简单器材即可实现。

另外在恩格尔曼的实验中，将产生氧气的位置转化为观察好氧菌的分布位置也是巧妙的指标转化。

小结：如何实现转化呢？首先要有转化意识，不能在一棵树上吊死，通过尝试已经走进死胡同了，就要变革，转换思路，另辟蹊径，因此心中要有转化概念，要想到创新，逆向思考，追寻隐含条件，寻找替换的信息。对于实验中的转化，主要是寻找替代材料和替代方法，如模拟法就是很好的替代方法；其次要了解转化的常见形式和方法。转化的核心是等价替换，其形式多种多样，如等量传递、定性定量等价替换，也可以说是定量定性转化，直接间接转化，精确问题模糊化、类比转化、特征转化。

另外要完成转化必须选择合适的转化点，沟通新旧知识的联系，化新为旧，将新知识转化为已有的知识来解决。中学生物中很多探究实验都是旧实验（教材实验）的拓展延伸综合，思路、原理、方法步骤等都可能似曾相识，可以借鉴类比。比如各种显微观察类实验操作步骤相似；质壁分离实验可拓展为测细胞液浓度，低温诱导植物多倍体形成和用洋葱根尖观察细胞有丝分裂、观察染色体结构变异等步骤几乎相同。各种生理类实验也都可相互比较，从而找出共性，促进知识和技能的迁移。沟通新旧知识联系的转化点（交点）往往是一个隐含条件，它可以是隐含在题中的一个等量关系，就需化隐为显；也可能是众所周知的科学事实，无需特别指明，如大群体中男女数相等，雌雄配子自由组合等。在解隐蔽题时我们必须充分挖掘这些隐含条件，有目的地使用这些隐含条件，才能找到问题的突破口，实现问题的转化；有时还需化整为零，即将一个大问题分解成若干小问题。