立足實驗原理，開拓實驗思維
——對高中生物實驗教學中理性思維的探討

安徽

生物是一門以實驗為基礎的自然科學。實驗探究及滲透的理性思維是生物學科核心素養的重要組成部分。《普通高中生物課程標準（實驗）》中指出：能獨立完成“生物知識內容表”所列的生物實驗，包括理解實驗目的、原理、方法和操作步驟，掌握相關的操作技能，并能將這些實驗所涉及的方法和技能進行綜合應用。加強實驗原理的教學不失為一條提高高中生物實驗教學效果行之有效的途徑。

1.實驗原理在實驗各要素中的核心地位

實驗原理是實驗方法、手段、操作過程以及結果分析等所依據的科學理論和思路。掌握實驗原理可以很好地設計實驗操作的步驟，更好地解釋實驗現象和預期實驗結果，并確保實驗目的的達成。見圖1中一對實驗目的（分析現象，明確問題和研究對象）、實驗原理（提出假說并確定實驗原理）、實驗方法（根據實驗原理明確實驗手段）、實驗過程（明確實驗設計思路）、實驗結果（預測和分析）關系的描述。

圖1 實驗各要素的關系

2.實驗原理對高中生物實驗教學的意義

2.1 領悟實驗方法，審辯實驗思維

高中生物實驗包括探究類、觀察類、驗證類及調查類等。每個實驗目的的達成，都有特定的實驗方法。如同位素標記法是高中實驗中常見的實驗方法，可用于研究分泌蛋白的合成和分泌過程、光合作用的卡爾文循環過程、DNA復制的方式、T2噬菌體侵染大腸桿菌實驗及DNA探針技術等。但是學生由于對實驗原理的把握不明確，往往對同位素的具體標記物及作用有困惑（表1）。

表1 同位素在高中生物實驗中的應用

例如：T2噬菌體侵染大腸桿菌實驗。是以艾弗里的肺炎雙球菌體外轉化實驗為背景，實驗原理是如何將蛋白質和DNA分開以確定遺傳物質的歸屬。教學突破的難點可圍繞實驗原理解決為什么要用32P和35S標記，不用其他同位素、為什么要做兩組標記實驗、32P標記的一組的上清液為什么含有少量放射性三個問題。首先通過PPT或者視頻展示噬菌體侵染大腸桿菌的過程，明確噬菌體的蛋白質和DNA在侵染過程會自然分開，子代噬菌體在大腸桿菌內合成。利用批判思維將14C（或3H或18O）標記的實驗結果圖展示給學生。實驗結果顯示離心管的上清液和沉淀物都具有放射性，說明DNA和蛋白質同時被標記時無法單獨觀察其作用。同理，如果用32P和35S標記同一組T2噬菌體，則顯示的結果同上。然后，與分別用32P或35S標記的實驗結果做比較，對比結果表明可以32P特異性標記的DNA為一組，以35S特異性標記的蛋白質為另一組，從而單獨觀察現象。第三個問題可從保溫時間和攪拌程度的角度解決。為了鞏固思維成果，學生小組討論后，審辯上述三個問題思維，竟提出了很有深度的三個新問題：能否用被3H標記氨基酸或脫氧核苷酸的大腸桿菌分別培養噬菌體、能否用綠色熒光分子和紅色熒光分子標記同一組噬菌體的蛋白質和DNA，使上清液中綠色熒光多，而沉淀物中紅色熒光多、確定RNA病毒遺傳物質的實驗怎么做（恰好是稍后的課程內容）。這三個問題的提出，說明學生已經領悟了實驗方法，突破了思維難點。

再如：2017年全國卷I理科綜合第29題，要求簡要寫出確定病毒是DNA類型還是RNA類型的實驗思路，并預測實驗結果及結論。因為題中假設宿主細胞內部不發生堿基之間的相互轉換，所以可以用放射性同位素標記尿嘧啶和胸腺嘧啶這兩種特征化合物來進行相互對照實驗區分DNA和RNA。由于多數學生對放射性同位素標記法的實驗原理的疏忽，導致探究實驗思維不清晰而失分嚴重。

2.2 理順實驗過程，避免實驗思路混亂

由于學生對實驗原理理解缺失，實驗操作中只能“照單抓藥”。若不給操作程序，就不會做實驗。例如：斐林試劑和雙縮脲試劑都由甲液（NaOH溶液）和乙液（CuSO4溶液）組成，但是二者的使用方法和使用條件有很大區別。如何讓學生記住二者的區別，避免思路混亂是教師教學過程中應思考的問題。在進行鑒定生物組織還原糖的實驗教學中，筆者按照學生的想法進行對比實驗，一組試管中加入新鮮的蘋果汁2 mL（沒被氧化成棕褐色，避免顏色掩蓋），再加入斐林試劑甲液，搖勻后再加入斐林試劑乙液，最后水浴加熱。另外一組試管中加入新鮮的蘋果汁2 mL，再將斐林試劑甲、乙液混合搖勻后加入試管，水浴加熱。比較兩組結果發現第一組不易出現磚紅色；第二組有明顯的磚紅色。如此明顯的現象下，學生很自然地問為什么斐林試劑的兩種溶液混合好再用效果明顯？隨即給出新配制的斐林試劑甲、乙液混合后產生的Cu(OH)2在加熱條件下與醛基反應，還原成磚紅色的Cu2O沉淀的實驗原理，即先做對比實驗，再給出實驗原理。實驗思路撥亂反正，避免了教師對學生圣經式的講解和學生教條式的記憶，從而提高實驗課堂教學效率。同樣，對一些同學提出的斐林試劑為什么需要水浴加熱、雙縮脲試劑為什么先后添加兩種溶液的疑問，同樣可先做相關對比實驗，通過現象反饋實驗思路，給出實驗原理，再進一步理順實驗過程。

再如：觀察根尖分生區有絲分裂實驗的“解離”和觀察DNA和RNA在細胞中的分布的“水解”都需要鹽酸，很多學生容易混淆其作用。與其“填鴨式”地講解實驗過程，不如先對兩者的實驗原理進行辨析后，同時進行實驗的效果來得佳。

2.3 拓展實驗現象，發散思維進行有效應用

建構主義學習理論認為，通過對知識的主動探索，可通過“以不變應萬變”的開拓性思維對各種問題靈活處理并發散遷移。例如：實驗室操作“光合色素的提取和分離實驗”中，多數學生觀察到實驗現象后意猶未盡。在各種色素在層析液中的溶解度不同的實驗原理導向下，學生發散思維、拓展思路，按圖2操作得到的現象與教材上的現象有異曲同工之妙，即以濾紙片的中心為圓心的4個同心圓，半徑越大的圓所代表的色素擴散速度越快。色素圈由外及內依次為胡蘿卜素、葉黃素、葉綠素a、葉綠素b。雖然實驗現象不一樣，但是實驗結論都為綠葉中含有四種光合色素。在學生得意于自己的發散思維的同時，筆者隨即引導學生借此實驗結論解釋葉子變黃的原因是葉綠素變少了（條帶變窄），還是類胡蘿卜素增多（條帶變寬）了。學生積極踴躍地將黃葉和綠葉分為兩組實驗，參照前面的實驗步驟，分別進行光合色素的提取和分離，最后比較結果中四條色素帶的情況。

圖2 光合色素的分離示意圖

2.4 培養探究思維，巧設實驗思路

縱觀近幾年的高考生物試題，實驗設計的考查是一大特點。但現在大多數高中學生對實驗不夠重視，設計實驗的原理不理解，實驗設計能力不足。例如：在兩大遺傳規律的復習中，廣大師生只注重利用其解決實際的遺傳學問題，忽略了對兩大遺傳規律內涵的強調。甚至多數教師，往往不把它們的驗證定位成遺傳實驗，一旦碰到，措手不及，失分嚴重。例如讓學生設計實驗，驗證孟德爾分離定律和自由組合定律。實驗原理是設計實驗思路的核心。驗證兩大遺傳規律的本質就是該實驗原理：F1能否產生兩種（四種）比例相等的配子。無論子代分離比是自交法的3∶1，還是測交法的1∶1，其本質均是由F1雜合體產生配子的種類和比例決定的。如果可以觀察到配子本身性狀，就可直接通過統計F1代產生配子的種類和比例是否是1∶1來證明分離定律。例如：（人教版生物教材必修2《遺傳和變異》第1章第1節的課后練習）：水稻的花粉粒的兩種類型分別為含直鏈淀粉的和含支鏈淀粉的。如果取F1的花粉，用碘液染色后在顯微鏡下觀察到大約一半的花粉呈藍黑色，另一半呈橙紅色，即比例是1∶1。