生物學實驗設計的科學性原則

河北 王守民

生物學實驗設計的科學性原則

河北 王守民

科學性原則指實驗原理、材料選擇、方法過程、現(xiàn)象觀察、結(jié)果處理和結(jié)論表達都要有科學依據(jù)和方法，必須與生物學的基本理論和實驗方法相一致，不能偏離生物學的基本知識和原理，及其他學科領域的基本原則。

1.實驗原理的科學性

實驗原理是實驗設計的科學依據(jù)，也是用來檢驗和修正實驗方法過程的理論基礎，它必須是經(jīng)前人總結(jié)或檢驗出的科學理論，這樣才能設計出科學合理的實驗，正確預期結(jié)果和結(jié)論。

【例1】關于高中生物學實驗的基本原理，敘述不正確的是 （ ）

A.噬菌體必須在活菌中培養(yǎng)增殖是因其缺乏獨立的代謝系統(tǒng)

B.提取組織DNA是利用不同化合物在溶劑中溶解度的差異

C.成熟植物細胞在高滲溶液中發(fā)生質(zhì)壁分離是因為細胞壁具有選擇透（過）性

D.PCR 呈指數(shù)擴增DNA片段是因為上一輪反應產(chǎn)物可作為下一輪反應的模板

【解析】噬菌體須在活菌中培養(yǎng)增殖是因其沒有細胞結(jié)構，缺乏獨立的代謝系統(tǒng)，沒法完成各項生命活動，A正確；提取組織DNA是利用不同化合物在溶劑中的溶解度不同進行提取，B正確；成熟植物細胞發(fā)生質(zhì)壁分離是因為存在濃度差、原生質(zhì)層的選擇透過性而細胞壁無選擇透過性，C錯誤；PCR呈指數(shù)擴增是因為DNA的半保留復制，所以上一輪的產(chǎn)物可作為下一輪的模板，D正確。

【答案】C

2.材料選擇的科學性

實驗材料是科學實驗成功與否的關鍵要素，選擇恰當?shù)膶嶒灢牧希苊鈱嶒灢牧系念伾蛿?shù)量等對實驗結(jié)果的影響，保證實驗達到預期的結(jié)果，使實驗獲得成功。

【例2】下列關于植物細胞質(zhì)壁分離實驗的敘述，錯誤的是 （ ）

A.與白色花瓣相比，采用紅色花瓣有利于實驗現(xiàn)象的觀察

B.用黑藻葉片進行實驗時，葉綠體的存在會干擾實驗現(xiàn)象的觀察

C.用紫色洋蔥鱗片葉外表皮不同部位觀察到的質(zhì)壁分離程度可能不同

D.紫色洋蔥鱗片葉外表皮細胞的液泡中有色素，有利于實驗現(xiàn)象的觀察

【解析】紅色花瓣細胞的液泡呈紅色，比白色花瓣更便于觀察質(zhì)壁分離現(xiàn)象，A正確；黑藻葉片的葉肉細胞中液泡呈無色，葉綠體的存在使原生質(zhì)層呈綠色，有利于實驗現(xiàn)象的觀察，B錯誤；紫色洋蔥鱗片葉外表皮不同部位細胞的細胞液濃度不一定都相同，用相同濃度的外界溶液進行質(zhì)壁分離實驗時觀察到的質(zhì)壁分離程度可能不同，C正確；紫色洋蔥鱗片葉外表皮細胞的液泡含有色素，呈紫色，有利于實驗現(xiàn)象的觀察，D正確。

【答案】B

3.實驗方法的科學性

科學實驗成功與否很大程度上取決于科學的實驗方法，必須選擇科學合理的實驗方法，才能得出正確可靠的結(jié)果和科學的結(jié)論。

【例3】下列為減少實驗誤差而采取的措施，錯誤的是（ ）

選項 ________實驗內(nèi)容 _減少實驗誤差采取的措施A 對培養(yǎng)液中酵母菌數(shù)量進行_____計數(shù) 多次計數(shù)取平均值B 探索2，4-D促進插條生根_____的最適濃度 預實驗確定濃度范圍C 調(diào)查人群中紅綠色盲發(fā)生率 調(diào)查足夠大的群體，隨機__________________________取樣并統(tǒng)計______________D 比較有絲分裂細胞周期不同______時期的時間長短觀察多個裝片、多個視野的細胞并統(tǒng)計____________

【解析】對培養(yǎng)液中酵母菌數(shù)量進行計數(shù)時，多次計數(shù)取平均值，可減少誤差，且次數(shù)越多越接近真實值，A正確；探索2，4-D促進插條生根的最適濃度時，預實驗是采用梯度比較大的實驗來找到最適濃度的大致范圍，同時檢驗實驗步驟設計的合理性等，減少盲目實驗造成的人力，物力，財力的浪費，其開展的目的并不是為了減少實驗誤差，B錯誤；調(diào)查人群中某病的發(fā)生率，應調(diào)查足夠大的群體，隨機取樣并統(tǒng)計，C正確；比較有絲分裂細胞周期不同時期的時間長短，應觀察多個裝片、多個視野的細胞并統(tǒng)計，且樣本越大越準確，D正確。

【答案】B

4.實驗過程的科學性

實驗過程要注意實驗步驟的關聯(lián)性和實驗操作的程序性，實驗步驟的前后順序一般不能顛倒，特別是關鍵環(huán)節(jié)，不同的操作順序?qū)е虏煌慕Y(jié)果并影響實驗的嚴密性。

【例4】科研人員探究了不同溫度（25℃和0.5℃）條件下密閉容器內(nèi)藍莓果實的CO2生成速率的變化，結(jié)果見圖1和圖2。

圖1

圖2

（1）由圖可知，與25℃相比，0.5℃條件下果實的CO2生成速率較低，主要原因是_________；隨著果實儲存時間的增加，密閉容器內(nèi)的__________濃度越來越高，抑制了果實的細胞呼吸。該實驗還可以通過檢測__________濃度的變化來計算呼吸速率。

（2）某同學擬驗證上述實驗結(jié)果，設計如下方案：

①稱取兩等份同一品種的藍莓果實，分別裝入甲、乙兩個容積相同的瓶內(nèi)，然后密封。

②將甲、乙瓶分別置于25℃和0.5℃條件下儲存，每隔一段時間測定各瓶中的CO2濃度。

③記錄實驗數(shù)據(jù)并計算CO2生成速率。

為使實驗結(jié)果更可靠，請給出兩條建議，以完善上述實驗方案（不考慮溫度因素）。

a.___________________，b_________.__________。

【解析】（1）由圖可知，與25℃相比，0.5℃條件下的CO2生成速率較低，主要原因是低溫降低了細胞呼吸相關酶活性；隨著果實儲存時間的增加，密閉容器內(nèi)的CO2濃度越來越高，抑制了果實的細胞呼吸，該實驗還可通過檢測O2濃度變化來計算呼吸速率。（2）據(jù)單一變量原則，選取的果實成熟度還應一致；據(jù)可重復性原則，每個溫度條件下至少有3個平行重復實驗。

【答案】（1）低溫降低了細胞呼吸相關酶活性 CO2O2

（2）選取的果實成熟度還應一致 每個溫度條件下至少有3個平行重復實驗

5.現(xiàn)象觀察的科學性

科學實驗要有正確的觀察方法，才能為結(jié)果的處理和分析提供可靠的依據(jù)。有些實驗直接就有可見的現(xiàn)象，而有些實驗現(xiàn)象不可見，需把不可見現(xiàn)象科學地轉(zhuǎn)化為可見現(xiàn)象。

【例5】在“觀察植物細胞的質(zhì)壁分離和復原”實驗中，對紫色洋蔥鱗片葉外表皮臨時裝片進行了三次觀察（如圖3所示）。下列有關敘述正確的是 （ ）

圖3

A.第一次觀察時容易看到紫色大液泡和較大的無色細胞質(zhì)基質(zhì)區(qū)域

B.第二次觀察時可以發(fā)現(xiàn)細胞質(zhì)壁分離首先發(fā)生在細胞的角隅處

C.吸水紙的主要作用是吸除滴管滴加的多余液體，以免污染鏡頭

D.為了節(jié)約實驗時間，通?？梢允÷缘谝淮物@微觀察步驟

【解析】第一次觀察時因未滴入蔗糖溶液，細胞還未發(fā)生質(zhì)壁分離，只能看到紫色大液泡，A錯誤；第二次觀察時滴入少量蔗糖溶液，細胞開始發(fā)生質(zhì)壁分離，可發(fā)現(xiàn)質(zhì)壁分離首先發(fā)生在細胞的角隅處，B正確；吸水紙的主要作用是吸引蔗糖溶液從蓋玻片的一側(cè)流到另一側(cè)，使全部細胞浸潤在蔗糖溶液中，C錯誤；第一次顯微觀察是為了獲得實驗前的形態(tài)，以便于和實驗中的現(xiàn)象變化作對比，因此不可省略，D錯誤。

【答案】B

6.結(jié)果處理的科學性

實驗的現(xiàn)象應該首先記錄，然后進行整理，以全面和便于分析的某種方式具體準確表現(xiàn)出來，最后再經(jīng)過仔細分析，最大限度地提取其中的信息，以便分析得出正確的結(jié)論。

【例6】為了探究不同光照處理對植物光合作用的影響，科學家以生長狀態(tài)相同的某種植物為材料設計了A、B、C、D四組實驗。各組實驗的溫度、光照強度和CO2濃度等條件相同、適宜且穩(wěn)定，每組處理的總時間均為135s，處理結(jié)束時測定各組材料中光合作用產(chǎn)物的含量。處理方法和實驗結(jié)果如下：

A組：先光照后黑暗，時間各為67.5s；光合作用產(chǎn)物的相對含量為50%

B組：先光照后黑暗，光照和黑暗交替處理，每次光照和黑暗時間各為7.5s；光合作用產(chǎn)物的相對含量為70%

C組：先光照后黑暗，光照和黑暗交替處理，每次光照和黑暗時間各為3.75 ms（毫秒）；光合作用產(chǎn)物的相對含量為94%

D組（對照組）：光照時間為135s；光合作用產(chǎn)物的相對含量為100%

回答下列問題：

（a）The house where I used to live has been knocked down.

（1）單位光照時間內(nèi)，C組植物合成有機物的量________（填“高于”“等于”或“低于”）D組植物合成有機物的量，依據(jù)是________；C組和D組的實驗結(jié)果可表明光合作用中有些反應不需要________，這些反應發(fā)生的部位是葉綠體的_______。

（2）A、B、C三組處理相比，隨著________的增加，使光下產(chǎn)生的________能夠及時利用與及時再生，從而提高了光合作用中CO2的同化量。

【解析】（1）在該實驗中，作為對照組的D組，是全光照135s，而C組實驗的處理是光照和黑暗交替進行，即其僅用了D組一半時間的光照，但合成有機物的量是94%（D組為100%），故單位光照時間內(nèi)，C組植物合成有機物的量高于D組植物合成有機物的量。C組光照時間的縮短，說明在光合作用中，有些反應如暗反應，不需光照，而這個過程發(fā)生在葉綠體基質(zhì)中。（2）光合作用過程有兩個階段：光反應和暗反應。光反應階段必須在光下進行，其將水分解，產(chǎn)生ATP和還原型輔酶Ⅱ（[H]）用于暗反應。A、B、C三組處理相比，隨著光照時間間隔的減少，光照頻率的增加，使光下產(chǎn)生的ATP和[H]能及時被利用與再生，從而提高了光合作用中CO2的同化量。

【答案】（1）高于 C組只用了D組一半的光照時間，其光合作用產(chǎn)物的相對含量卻是D組的94% 光照 基質(zhì)

（2）光照和黑暗交替頻率 ATP和[H]（或答ATP和還原型輔酶Ⅱ）

7.結(jié)論表達的科學性

對實驗結(jié)果進行分析得到的結(jié)論，還需用準確的語言表達出來，因此需有深厚的語言功底，才能把實驗結(jié)論表達準確完整。

【例7】現(xiàn)有兩個純合的某作物品種：抗病高桿（易倒伏）和感病矮桿（抗倒伏）品種。已知抗病對感病為顯性，高桿對矮桿為顯性，但對于控制這兩對相對性狀的基因所知甚少。回答下列問題：

（2）雜交育種前，為了確定F2代的種植規(guī)模，需要正確的預測雜交結(jié)果。若按照孟德爾遺傳定律來預測雜交結(jié)果，需要滿足3個條件：條件之一是抗病與感病這對相對性狀受一對等位基因控制，且符合分離定律；其余兩個條件是_______________。

（3）為了確定控制上述這兩對性狀的基因是否滿足上述3個條件，可用測交實驗來進行檢驗。請簡要寫出該測交實驗的過程。

【解析】（1）雜交育種的目的是獲得多種優(yōu)良性狀于一身的純合新品種，從題意知，抗病與矮桿（抗倒伏）為優(yōu)良性狀。（2）孟德爾遺傳定律研究的是真核生物細胞核基因的遺傳特點，故控制相對性狀的等位基因應位于細胞核。兩對基因分別位于兩對同源染色體上，才遵循基因的自由組合定律。（3）測交是指用雜合子和隱性純合子雜交，而題干無雜合子，故應先雜交得到雜合子，然后再進行測交實驗。

【答案】（1）抗病矮桿

（2）高桿與矮桿這對相對性狀受一對等位基因控制，且符合分離定律；控制這兩對相對性狀基因位于非同源染色體上

（3）將純合抗病高稈與感病矮稈植株雜交，產(chǎn)生F1，讓F1與感病矮稈雜交。

實驗設計以課本實驗為依托，側(cè)重考查學生對實驗設計、分析和評價的能力，全面考查學生的實驗知識和基本技能及解決問題和語言表達能力，學會運用科學性原則解決問題，提高學生的各種能力和素質(zhì)。

（作者單位：河北省灤平縣第一中學）