實驗中的轉化思想

李煒

摘 要：本文總結了生物實驗設計中包含的轉化思想，結合具體實驗概述轉化的作用、形式、方法，這有助于學生更好地總結實驗設計規律，創新實驗方法，實現實驗能力遷移。

關鍵詞：中學生物； 實驗； 轉化

中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：A 文章編號：1006-3315（2013）08-029-002

轉化和比較（類比）是兩種重要的遷移能力，特別是轉化。轉化是一種重要的學術思想，是科學的方法論，廣泛應用于各學科領域。通過轉化，可以化繁為簡、化隱為顯、化定性為定量，在未知和已知間建立橋梁和紐帶，有時可化腐朽為神奇。可以說幾乎每一個巧妙的實驗都包含轉化，實驗的整體思路通過轉化設計，實驗變量的選擇通過轉化確定，實驗結果的觀察通過轉化確定觀察指標和內容。沒有轉化，就沒有精巧的實驗，就沒有生物學的發展；所謂實驗之巧妙，就巧在轉化上。轉化包括轉化思想和轉化方法。

一、轉化在生物實驗各環節上的應用

生物實驗的各個環節都可能需要轉化，無論是設計思路，原理，方法、觀察指標等。

1.實驗設計思路的轉化

噬菌體侵染細菌實驗就是運用轉化思想獲得成功的著名例子。想單獨觀察DNA和Pr在遺傳中作用，但又不能用提取法將兩者徹底分離開，怎么辦？轉化一下思路，不從空間距離上分離，而是分別給它們打上特殊標記，這樣在生物原生態條件下去觀察DNA和蛋白質的遺傳角色，要比機械分離后再去觀察它們作用更符合生命的本原規律。

逆向思維也是一種轉化。在用傘藻為實驗材料探究核質比大小與細胞分裂關系的實驗時，有人提出假說，核質比只有小到一定程度細胞才分裂。并且還做了如下實驗：在傘帽已經長出，核將要分裂時，將傘帽切去，核的分裂就受到抑制，直到新的傘帽再生出來，核才恢復分裂。假如再設計新的實驗作為對照和補充，則設計思路反其道而行之：在傘帽未長出，核未分裂時，給其嫁接上一個長成的傘帽，則原不該分裂的細胞核就開始分裂了。

2.實驗原理的轉化

確定什么樣的物質屬遺傳物質也包含了轉化。控制生物性狀的物質是遺傳物質，一定在生物體內，一定是六類化合物中的一種。

艾弗里：能使R菌發生轉化（R菌S菌）的物質是遺傳物質。蔡斯·赫爾希：能在噬菌體的親子代間起連接作用的物質（即在親子代間能保持連續的物質）是遺傳物質，這樣就將噬菌體中誰是遺傳物質的問題轉化成噬菌體侵染細菌時誰進入大腸桿菌的問題，誰進入大腸桿菌誰就是在噬菌體的親子代間保持連續性的物質，就是控制噬菌體性狀的物質，就是遺傳物質。

3.實驗方法的轉化

3.1類比法。模擬實驗就是典型的方法轉化，它采用的是類比法。受條件限制，不能直接驗證實驗結果，因此用相似的事物類比，將結果直接遷移到實際問題中。如中學教材中的標志重捕法和基因分離規律的模擬等，此外還可以創新出很多模擬實驗來，如模擬探究細胞表面積與體積的關系：

實驗原理 酚酞遇NaOH呈紅色

瓊脂塊大小模擬細胞大小

物質擴散體積與總體積之比表示物質運輸效率

結果討論：1）從瓊脂塊的顏色變化可知NaOH擴散到多深；2）在相同時間內，NaOH在不同大小的瓊脂塊內擴散的深度基本相同，說明NaOH在每一瓊脂塊中擴散的速度是相同的。

結論：NaOH擴散的體積與整個瓊脂塊的體積之比隨瓊脂塊的增大而減小。

遷移轉化：實驗知細胞長大到一定體積就會分裂，原因受到細胞表面積與體積的制約（細胞體積越大，其相對表面積越小，細胞與周圍環境間物質交換的面積相對越小，物質運輸的效率越低。）

3.2間接法。例如恩格爾曼證明葉綠體是光合作用的場所實驗，他不是直接檢測葉綠體是否能產生氧氣，或直接檢測氧氣的來源，而是觀察好氧菌或厭氧菌在巨大的水綿細胞的周圍的分布位置來判斷氧氣的來源。這就是化直接為間接，曲線求解。

轉化如同幾何中的輔助線，將微觀化宏觀，將不可能觀察到的轉化為可觀察的。如微生物生長，將測個體生長轉化為測群體生長；另植物的蒸騰作用、植物對礦質元素的吸收等，其量的多少也都不方便直接測量，但我們可測定試管中的剩余量，用總量減去剩余量即為所求量。

二、轉化實驗中的變量，便于實驗設計和實驗指標的觀察

幾乎所有試驗都要對變量進行轉化，這樣才能控制實驗變量和無關變量，實現對實驗結果的觀察和記錄，使很多只能定性觀察的實驗轉化成定量實驗，使不具操作性的思想理論轉化為具操作性、可控性的實驗。

1.實驗變量的轉化

實驗設計的關鍵之一是找準變量，即要確定實驗變量和無關變量，分清反應變量和額外變量。探究或驗證某一問題時可選擇的自變量（實驗變量）雖然很多，但不是所有自變量都符合實驗要求。只有最易控制、最易操作、其量值最易調控的實驗變量才是我們要找的實驗變量。例如探究酶的相關實驗有時需要控制酶量成梯度的變化，可將酶量控制轉化為生物量控制，即用生物量代替酶量，如過氧化氫酶量成梯度的變化可通過土豆片的多少來控制：一片土豆、兩片土豆、三片……

再如探索光照、溫度、二氧化碳對光合作用的影響。想定性研究光強如何影響光合作用強度：一般不是在100LX， 200LX，300LX……等具體光強數值的條件下去測量光合作用強度，因為精確的光強大小很難控制，一般采用在一只固定功率的燈泡（如100W）外蒙一層，二層，三層……紗布或移動這只燈泡使其與葉片的距離為1，2，3……米等方法去控制光強大小；光合強度大小一般也不是用單位時間內二氧化碳的吸收量表示的，而是根據所給條件靈活用其它指標替代，比如可用溶液中指示劑的褪色程度來表示。

例實驗原理：抽出葉肉細胞間隙的空氣，充以水分，會使葉片沉于水中。氧氣在水中溶解度小，光合作用放出的氧氣在細胞間隙積累，使葉片上浮。上浮所需的時間可作為光合作用強弱的比較依據。材料用具：蠶豆植株、打孔器、注射器、小燒杯、清水、恒溫水浴鍋、日光燈、溫度計、秒表等。本實驗不僅可探究光照對光合作用的影響，也能探究溫度等對光合作用的影響。（下轉第63頁）

（上接第29頁）這里無論是實驗變量還是反應變量都需經過轉化才能被控制和測量。

2.觀察指標的轉化

實驗變量改變了，實驗結果必然改變，觀察對象必然調整。即實驗變量的轉化必然導致觀察指標轉化。上文中用葉片上浮所需時間表示光合作用強度，實質就體現了觀察指標的轉化。若直接測光合強度，不僅器材繁多，方法更復雜。

再如某小組開展“不同濃度香煙對水蚤心率的影響”研究。他們已將香煙和蒸餾水按1：1的重量比浸泡24小時，過濾后的濾液作為原液。請你為小組確定一項觀測指標，配置關鍵的實驗器材，并設計一張表格用于數據記錄。則觀察指標應為水蚤每分鐘心跳次數。

分析：香煙浸出液對水蚤影響是多方面的，包括活動強度、代謝速率、體積變化、單位時間內死亡數……等，但這些指標都不具可度量性。而觀測其心率只需顯微鏡、秒表等簡單器材即可實現。

另外在恩格爾曼的實驗中，將產生氧氣的位置轉化為觀察好氧菌的分布位置也是巧妙的指標轉化。

小結：如何實現轉化呢？首先要有轉化意識，不能在一棵樹上吊死，通過嘗試已經走進死胡同了，就要變革，轉換思路，另辟蹊徑，因此心中要有轉化概念，要想到創新，逆向思考，追尋隱含條件，尋找替換的信息。對于實驗中的轉化，主要是尋找替代材料和替代方法，如模擬法就是很好的替代方法；其次要了解轉化的常見形式和方法。轉化的核心是等價替換，其形式多種多樣，如等量傳遞、定性定量等價替換，也可以說是定量定性轉化，直接間接轉化，精確問題模糊化、類比轉化、特征轉化。

另外要完成轉化必須選擇合適的轉化點，溝通新舊知識的聯系，化新為舊，將新知識轉化為已有的知識來解決。中學生物中很多探究實驗都是舊實驗（教材實驗）的拓展延伸綜合，思路、原理、方法步驟等都可能似曾相識，可以借鑒類比。比如各種顯微觀察類實驗操作步驟相似；質壁分離實驗可拓展為測細胞液濃度，低溫誘導植物多倍體形成和用洋蔥根尖觀察細胞有絲分裂、觀察染色體結構變異等步驟幾乎相同。各種生理類實驗也都可相互比較，從而找出共性，促進知識和技能的遷移。溝通新舊知識聯系的轉化點（交點）往往是一個隱含條件，它可以是隱含在題中的一個等量關系，就需化隱為顯；也可能是眾所周知的科學事實，無需特別指明，如大群體中男女數相等，雌雄配子自由組合等。在解隱蔽題時我們必須充分挖掘這些隱含條件，有目的地使用這些隱含條件，才能找到問題的突破口，實現問題的轉化；有時還需化整為零，即將一個大問題分解成若干小問題。