從一道選考實驗題看背后的實證精神

朱滿員

(浙江省海鹽高級中學(xué) 海鹽 314300)

1 原題展示

2017年4月浙江省選考科目考試生物學(xué)試題中的第33題： 欲研究藥物乙對海拉細(xì)胞增殖的抑制作用，請根據(jù)以下提供的材料與用具，以海拉細(xì)胞的細(xì)胞數(shù)變化為測定指標(biāo)，完善實驗分組設(shè)計和實驗思路，預(yù)測實驗結(jié)果并進(jìn)行分析與討論。

材料與用具： 海拉細(xì)胞懸液，藥物甲溶液(對細(xì)胞增殖有影響)，藥物乙溶液，培養(yǎng)液、培養(yǎng)瓶，血細(xì)胞計數(shù)板，顯微鏡等。(要求與說明： 細(xì)胞計數(shù)的具體操作過程不作要求，不考慮加入溶液對體積的影響，實驗條件適宜)

回答下列問題：

(1) 實驗分組設(shè)計：

A組： 海拉細(xì)胞懸液+培養(yǎng)液

B組： 海拉細(xì)胞懸液+培養(yǎng)液+藥物甲溶液

C組： 海拉細(xì)胞懸液+培養(yǎng)液+藥物甲溶液，培養(yǎng)一段時間后，加入藥物乙溶液。

(2) 完善實驗思路：

參考答案： ①取細(xì)胞懸液加入到含培養(yǎng)液的培養(yǎng)瓶中，用血細(xì)胞計數(shù)板在顯微鏡下計數(shù)并記錄；②將細(xì)胞懸液分別加入到A、 B、 C三組培養(yǎng)瓶中進(jìn)行培養(yǎng)；③每隔一段時間分別測定三組培養(yǎng)瓶中的細(xì)胞數(shù)并記錄；④當(dāng)細(xì)胞增殖達(dá)到一定數(shù)量時，向C組加入藥物乙溶液。⑤重復(fù)③，統(tǒng)計并分析所得數(shù)據(jù)。

(3) 預(yù)測實驗結(jié)果(以坐標(biāo)曲線圖形表示實驗結(jié)果，并標(biāo)出加入藥物的時間)：

參考答案見圖1。

(4) 分析與討論： 藥物甲的作用是促進(jìn)海拉細(xì)胞的增殖。

圖1 不同藥物對海拉細(xì)胞增殖的影響

2 試題分析

基于該題的答案，會產(chǎn)生2個問題： ①為何要加甲藥物？若要證明乙藥物有抑制細(xì)胞增殖的作用，則只需2組： A組——海拉細(xì)胞懸液+培養(yǎng)液，B組——海拉細(xì)胞懸液+培養(yǎng)液+藥物乙溶液，在相同且適宜的條件下培養(yǎng)一段時間后，B組的細(xì)胞數(shù)比A組的細(xì)胞少即可證明乙藥物具有抑制細(xì)胞增殖的作用。先加甲藥物促進(jìn)細(xì)胞增殖，再加乙藥物抑制細(xì)胞增殖，是不是有“將簡單問題復(fù)雜化”之嫌？②甲藥物也具有抑制細(xì)胞增殖作用可不可行？題干只說明對細(xì)胞增殖有影響，那在邏輯上促進(jìn)與抑制都是可以的。

事實上，在藥效的驗證實驗中有一個原則，即僅憑單一方法的某一指標(biāo)，不宜下絕對的結(jié)論。針對某一效應(yīng)，應(yīng)同時采用不同物種/方法，多項指標(biāo)的實驗且都獲得一致結(jié)果才好下明確的結(jié)論。如： 肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗與噬菌體侵染細(xì)菌實驗，2個實驗采用不同的材料、不同的方法，卻證明了同一個結(jié)論——DNA是遺傳物質(zhì)。DNA半保留復(fù)制的證明也是采用了不同的方法(Meselson和Stahl的實驗、Taylor的實驗、姐妹染色單體差別染色法[1])得到了相同的結(jié)論。所以，此題應(yīng)是用不同的方法來研究乙藥物的抑制作用，并采用了組間對照與組內(nèi)的前后對照方式。于是題干中提供了一個甲藥物，且只提示對細(xì)胞增殖有影響，并沒有明確說明是促進(jìn)還是抑制作用。所以，有許多學(xué)生對第(3)小題實驗結(jié)果的預(yù)測進(jìn)行了分情況討論(圖2)，從而造成第(3)小題因多圖而失分的情況。

不同藥物對海拉細(xì)胞增殖的影響

不同藥物對海拉細(xì)胞增殖的影響

3 試題背后的實證精神

出現(xiàn)兩種實驗結(jié)果預(yù)測圖，說明學(xué)生只是在理論層面上分析甲藥物的作用，而沒有深究到實證層面。作為驗證乙藥物的抑制作用，若甲也具有抑制作用，如果C組的細(xì)胞數(shù)比B組的少，固然能說明乙藥物有抑制作用。但如果C組的細(xì)胞數(shù)與B組無差異，則不能證明乙藥物沒有抑制作用。因為還有一種可能性是甲藥物的抑制效果太好，將海拉細(xì)胞的分裂徹底抑制，乙藥物就算有抑制作用也“抑無可抑”了。也就是說，此設(shè)計只能證明“是”，無法證明“不是”。相反，若甲藥物具有促進(jìn)細(xì)胞分裂作用的話，則沒有此種情況。結(jié)論： 甲藥物具有促進(jìn)作用對證明乙藥物的抑制作用才具有驗證價值。所以，討論甲藥物具有抑制的情況是“多此一舉”的。

由此可見，科學(xué)的驗證過程是如此的嚴(yán)謹(jǐn)，對結(jié)論的認(rèn)定是何等的審慎，這便是科學(xué)思維中的實證精神。

科學(xué)的實證精神還體現(xiàn)在另外兩方面：

(1) 對人類認(rèn)知偏見的謹(jǐn)慎 科學(xué)思維特別注重實證。而且為了實驗的可靠性，科學(xué)家還為此確立了一系列的實驗原則——對照原則、單一變量原則、可重復(fù)原則、可操作性原則等等。即在相同且適宜的條件下，只改變自變量A，再觀測因變量B的變化。若變量A的改變一定會引起B(yǎng)的變化，并且還能用數(shù)學(xué)的方法精確地量化兩者的關(guān)系，才能證明A和B具有因果關(guān)系。不止于此，由于生命系統(tǒng)的復(fù)雜性導(dǎo)致研究的主體會有“實證偏見”的認(rèn)知缺陷，研究的客體也會受到“個體差異”和“安慰劑效應(yīng)”的影響。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嵶C精神對這些影響十分警惕，為此還創(chuàng)立了一套遵循“對照、雙盲、隨機(jī)、重復(fù)、公開”的方法和原則，以免自欺欺人。

(2) 對實驗變量的“量化” 科學(xué)思維的兩要素是邏輯與實證。在邏輯的層面上，判斷一個事物“好不好”或“是不是”需要先確定一個關(guān)于“好”或“是”的標(biāo)準(zhǔn)。在實證的層面上，對實驗變量需要先下一個可操作性的定義。例如，必修3“探究2， 4-D對插枝生根作用”的實驗中，要確定生根效果好不好，是測定根的長度還是生根的數(shù)量？插枝上的根“短而多”與“長但少”這兩種情況哪個生根效果好？所以教材中為避免這種無法比較的混亂，才選用枝條上根的總長度作為實驗的觀測指標(biāo)。

科學(xué)始于計數(shù)，量化方法的突破還是許多學(xué)科從前科學(xué)階段到科學(xué)階段的轉(zhuǎn)折點[2]。例如，孟德爾正是將雜交實驗的結(jié)果用統(tǒng)計學(xué)的方法“量化”了，才讓對遺傳現(xiàn)象的研究走上了“科學(xué)之路”。又如，西德尼·法伯在眾多的癌癥中選擇研究“白血病”，就是因為它有一項獨(dú)特的誘人之處——方便計量[3]。2017年11月浙江省的學(xué)選考生物學(xué)試題中實驗加試題的最后一問：“若為了檢測某種藥物對海拉細(xì)胞的增殖有促進(jìn)作用，可在培養(yǎng)液中加入同位素標(biāo)記的物質(zhì)是，原因是。(參考答案： 胸腺嘧啶脫氧核苷酸 胸腺嘧啶脫氧核苷酸是DNA合成的原料，其進(jìn)入細(xì)胞的量可反映細(xì)胞的增殖情況)”也是基于“實驗因變量如何量化”而設(shè)置的。

所以，避免主觀驗證、量化實驗變量、限定討論范圍、統(tǒng)一度量衡等思維習(xí)慣既是科學(xué)思維的體現(xiàn)，也是培養(yǎng)科學(xué)思維的有效途徑。