立足实验原理，开拓实验思维——对高中生物实验教学中理性思维的探讨

安徽

生物是一门以实验为基础的自然科学。实验探究及渗透的理性思维是生物学科核心素养的重要组成部分。《普通高中生物课程标准（实验）》中指出：能独立完成“生物知识内容表”所列的生物实验，包括理解实验目的、原理、方法和操作步骤，掌握相关的操作技能，并能将这些实验所涉及的方法和技能进行综合应用。加强实验原理的教学不失为一条提高高中生物实验教学效果行之有效的途径。

1.实验原理在实验各要素中的核心地位

实验原理是实验方法、手段、操作过程以及结果分析等所依据的科学理论和思路。掌握实验原理可以很好地设计实验操作的步骤，更好地解释实验现象和预期实验结果，并确保实验目的的达成。见图1中一对实验目的（分析现象，明确问题和研究对象）、实验原理（提出假说并确定实验原理）、实验方法（根据实验原理明确实验手段）、实验过程（明确实验设计思路）、实验结果（预测和分析）关系的描述。

图1 实验各要素的关系

2.实验原理对高中生物实验教学的意义

2.1 领悟实验方法，审辩实验思维

高中生物实验包括探究类、观察类、验证类及调查类等。每个实验目的的达成，都有特定的实验方法。如同位素标记法是高中实验中常见的实验方法，可用于研究分泌蛋白的合成和分泌过程、光合作用的卡尔文循环过程、DNA复制的方式、T2噬菌体侵染大肠杆菌实验及DNA探针技术等。但是学生由于对实验原理的把握不明确，往往对同位素的具体标记物及作用有困惑（表1）。

表1 同位素在高中生物实验中的应用

例如：T2噬菌体侵染大肠杆菌实验。是以艾弗里的肺炎双球菌体外转化实验为背景，实验原理是如何将蛋白质和DNA分开以确定遗传物质的归属。教学突破的难点可围绕实验原理解决为什么要用32P和35S标记，不用其他同位素、为什么要做两组标记实验、32P标记的一组的上清液为什么含有少量放射性三个问题。首先通过PPT或者视频展示噬菌体侵染大肠杆菌的过程，明确噬菌体的蛋白质和DNA在侵染过程会自然分开，子代噬菌体在大肠杆菌内合成。利用批判思维将14C（或3H或18O）标记的实验结果图展示给学生。实验结果显示离心管的上清液和沉淀物都具有放射性，说明DNA和蛋白质同时被标记时无法单独观察其作用。同理，如果用32P和35S标记同一组T2噬菌体，则显示的结果同上。然后，与分别用32P或35S标记的实验结果做比较，对比结果表明可以32P特异性标记的DNA为一组，以35S特异性标记的蛋白质为另一组，从而单独观察现象。第三个问题可从保温时间和搅拌程度的角度解决。为了巩固思维成果，学生小组讨论后，审辩上述三个问题思维，竟提出了很有深度的三个新问题：能否用被3H标记氨基酸或脱氧核苷酸的大肠杆菌分别培养噬菌体、能否用绿色荧光分子和红色荧光分子标记同一组噬菌体的蛋白质和DNA，使上清液中绿色荧光多，而沉淀物中红色荧光多、确定RNA病毒遗传物质的实验怎么做（恰好是稍后的课程内容）。这三个问题的提出，说明学生已经领悟了实验方法，突破了思维难点。

再如：2017年全国卷I理科综合第29题，要求简要写出确定病毒是DNA类型还是RNA类型的实验思路，并预测实验结果及结论。因为题中假设宿主细胞内部不发生碱基之间的相互转换，所以可以用放射性同位素标记尿嘧啶和胸腺嘧啶这两种特征化合物来进行相互对照实验区分DNA和RNA。由于多数学生对放射性同位素标记法的实验原理的疏忽，导致探究实验思维不清晰而失分严重。

2.2 理顺实验过程，避免实验思路混乱

由于学生对实验原理理解缺失，实验操作中只能“照单抓药”。若不给操作程序，就不会做实验。例如：斐林试剂和双缩脲试剂都由甲液（NaOH溶液）和乙液（CuSO4溶液）组成，但是二者的使用方法和使用条件有很大区别。如何让学生记住二者的区别，避免思路混乱是教师教学过程中应思考的问题。在进行鉴定生物组织还原糖的实验教学中，笔者按照学生的想法进行对比实验，一组试管中加入新鲜的苹果汁2 mL（没被氧化成棕褐色，避免颜色掩盖），再加入斐林试剂甲液，摇匀后再加入斐林试剂乙液，最后水浴加热。另外一组试管中加入新鲜的苹果汁2 mL，再将斐林试剂甲、乙液混合摇匀后加入试管，水浴加热。比较两组结果发现第一组不易出现砖红色；第二组有明显的砖红色。如此明显的现象下，学生很自然地问为什么斐林试剂的两种溶液混合好再用效果明显？随即给出新配制的斐林试剂甲、乙液混合后产生的Cu(OH)2在加热条件下与醛基反应，还原成砖红色的Cu2O沉淀的实验原理，即先做对比实验，再给出实验原理。实验思路拨乱反正，避免了教师对学生圣经式的讲解和学生教条式的记忆，从而提高实验课堂教学效率。同样，对一些同学提出的斐林试剂为什么需要水浴加热、双缩脲试剂为什么先后添加两种溶液的疑问，同样可先做相关对比实验，通过现象反馈实验思路，给出实验原理，再进一步理顺实验过程。

再如：观察根尖分生区有丝分裂实验的“解离”和观察DNA和RNA在细胞中的分布的“水解”都需要盐酸，很多学生容易混淆其作用。与其“填鸭式”地讲解实验过程，不如先对两者的实验原理进行辨析后，同时进行实验的效果来得佳。

2.3 拓展实验现象，发散思维进行有效应用

建构主义学习理论认为，通过对知识的主动探索，可通过“以不变应万变”的开拓性思维对各种问题灵活处理并发散迁移。例如：实验室操作“光合色素的提取和分离实验”中，多数学生观察到实验现象后意犹未尽。在各种色素在层析液中的溶解度不同的实验原理导向下，学生发散思维、拓展思路，按图2操作得到的现象与教材上的现象有异曲同工之妙，即以滤纸片的中心为圆心的4个同心圆，半径越大的圆所代表的色素扩散速度越快。色素圈由外及内依次为胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a、叶绿素b。虽然实验现象不一样，但是实验结论都为绿叶中含有四种光合色素。在学生得意于自己的发散思维的同时，笔者随即引导学生借此实验结论解释叶子变黄的原因是叶绿素变少了（条带变窄），还是类胡萝卜素增多（条带变宽）了。学生积极踊跃地将黄叶和绿叶分为两组实验，参照前面的实验步骤，分别进行光合色素的提取和分离，最后比较结果中四条色素带的情况。

图2 光合色素的分离示意图

2.4 培养探究思维，巧设实验思路

纵观近几年的高考生物试题，实验设计的考查是一大特点。但现在大多数高中学生对实验不够重视，设计实验的原理不理解，实验设计能力不足。例如：在两大遗传规律的复习中，广大师生只注重利用其解决实际的遗传学问题，忽略了对两大遗传规律内涵的强调。甚至多数教师，往往不把它们的验证定位成遗传实验，一旦碰到，措手不及，失分严重。例如让学生设计实验，验证孟德尔分离定律和自由组合定律。实验原理是设计实验思路的核心。验证两大遗传规律的本质就是该实验原理：F1能否产生两种（四种）比例相等的配子。无论子代分离比是自交法的3∶1，还是测交法的1∶1，其本质均是由F1杂合体产生配子的种类和比例决定的。如果可以观察到配子本身性状，就可直接通过统计F1代产生配子的种类和比例是否是1∶1来证明分离定律。例如：（人教版生物教材必修2《遗传和变异》第1章第1节的课后练习）：水稻的花粉粒的两种类型分别为含直链淀粉的和含支链淀粉的。如果取F1的花粉，用碘液染色后在显微镜下观察到大约一半的花粉呈蓝黑色，另一半呈橙红色，即比例是1∶1。