加法原理、減法原理在生物實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)用

董建強(qiáng)

摘要：高考生物實(shí)驗(yàn)題重點(diǎn)考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)控制設(shè)計(jì)思路，生物實(shí)驗(yàn)通過控制需要研究的因素來達(dá)到認(rèn)識(shí)事物本質(zhì)的目的，控制研究因素是生物實(shí)驗(yàn)的靈魂。控制研究因素所依據(jù)原理的本質(zhì)是減法原理和加法原理，靈活、巧妙科學(xué)地利用這兩個(gè)原理設(shè)計(jì)生物實(shí)驗(yàn)有助于得出可靠、真實(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果或結(jié)論。深刻理解和掌握這兩個(gè)原理能使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)問題解答上起到意想不到，事半功倍的效果。

關(guān)鍵詞：加法原理;減法原理;生物實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G633.91文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1992-7711（2021）29-0032

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理大多都是基于加法原理、減法原理之上， “加法原理”和“減法原理”是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中控制自變量的兩種原理。與常態(tài)比較，人為增加某種影響因素的稱為“加法原理” ，而人為去除某種影響因素的稱為“減法原理”。在實(shí)驗(yàn)中科學(xué)設(shè)置處理才能減小或排除無關(guān)變量所造成的實(shí)驗(yàn)誤差，確保結(jié)果準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)題中經(jīng)常涉及加法和減法原理的運(yùn)用。

一、加法原理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

通過給研究對(duì)象施加自變量進(jìn)行適當(dāng)干預(yù)，探索因變量[1]。即為了“探求結(jié)果” ，通過人為將某一變量添加，增加到實(shí)驗(yàn)中逼迫研究對(duì)象暴露出某種現(xiàn)象、屬性、結(jié)果和本質(zhì)，進(jìn)而得出該研究因素在生物體中所起的作用。

例1：驗(yàn)證“植物頂芽產(chǎn)生的生長(zhǎng)素抑制側(cè)芽生長(zhǎng)” ，選取長(zhǎng)勢(shì)良好，生長(zhǎng)狀況相同的多株幼苗，隨機(jī)分成 A、B、C、D4組，A 組幼苗不做任何處理，其他三組均去除頂芽。然后 B 組幼苗切口不做任何處理;C 組幼苗切口處放置不含生長(zhǎng)素的空白瓊脂;D 組幼苗切口處放置含生長(zhǎng)素的瓊脂。4組置于相同且適宜的條件下培養(yǎng)。

（1）對(duì)比 A 組和 B 組幼苗的預(yù)期結(jié)果，說明? 。

（2）對(duì)比 B 組和 C 組幼苗的預(yù)期結(jié)果，說明? 。

（3）對(duì)比 C 組和 D 組幼苗的預(yù)期結(jié)果，說明? 。

【答案】（1）頂芽抑制了側(cè)芽的生長(zhǎng)（2）瓊脂本身對(duì)側(cè)芽生長(zhǎng)沒有影響（3）對(duì)側(cè)芽生長(zhǎng)起抑制作用的是頂芽產(chǎn)生的生長(zhǎng)素

【解析】D 組雖沒有頂芽，采用了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的加法原理，通過切口處添加放置含生長(zhǎng)素的瓊脂，驗(yàn)證了植物頂芽產(chǎn)生的生長(zhǎng)素能夠抑制側(cè)芽生長(zhǎng)。

例2：某研究小組為了研究不同的酶抑制劑（可以抑制酶活性的一類物質(zhì)）對(duì)酶活性的影響進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果如圖所示， 回答下列問題：

（1）研究發(fā)現(xiàn)，競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑與酶結(jié)合后，底物不能再與酶結(jié)合;而非競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑與酶結(jié)合后，底物仍能與酶結(jié)合。據(jù)此推測(cè)，非競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑與酶結(jié)合的位點(diǎn)和底物與酶結(jié)合的位點(diǎn)（填“相同”或“不同”）。

（2）為驗(yàn)證物質(zhì) X 屬于酶抑制劑，某研究小組將濃度為 m 的底物均分為甲、乙兩組， 甲組加酶，乙組中加入酶和物質(zhì) X。若甲組反應(yīng)速率? （填“大于”或“小于”）乙組，則可驗(yàn)證。在該實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，若要進(jìn)一步探究物質(zhì) X 是競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑還是非競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)? （寫出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路）。

【答案】（1）不同（2）大于實(shí)驗(yàn)思路：在該實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上添加丙組，底物濃度大于 m ，加入酶和物質(zhì) X ，測(cè)定反應(yīng)速率。

【解析】在基本實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上添加物質(zhì) X ，測(cè)定反應(yīng)速率變化繪制坐標(biāo)圖形，判斷物質(zhì) X 是哪一類抑制劑。

二、減法原理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

為了排除掉自變量對(duì)研究對(duì)象的干擾和影響， 同時(shí)盡量保持被研究對(duì)象的穩(wěn)定[2] ，即為了“追蹤求源” ，將某一變量人為地去除掉，看產(chǎn)生什么樣的結(jié)果，進(jìn)而得出該研究因素在生物體中所起的作用。

例3：如設(shè)置 A 密閉裝置放入綠色植物和生石灰，設(shè)置 B 密閉裝置放入綠色植物和水。證明二氧化碳是光合作用原料的實(shí)驗(yàn)組是? 裝置，A 裝置中生石灰的作用是?? ，A 和 B 組中有淀粉生成的裝置是? 。

【答案】 A?? 吸收掉空氣中二氧化碳? B

【解析】證明二氧化碳是光合作用原料利用了典型減法原理。

運(yùn)用減法原理的典型實(shí)驗(yàn)還有光合作用需要光、呼吸作用需要水、有些植物種子萌發(fā)需要光等等。

三、逐級(jí)遞減、逐級(jí)遞加設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

有時(shí)通過逐級(jí)遞增或逐級(jí)遞減會(huì)使實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)邏輯性更好，說服力更強(qiáng)。

例4：證明不同的神經(jīng)中樞在大腦中的位置，就是通過逐級(jí)遞減的原理來證明，先破壞大腦左側(cè)部位，觀察出現(xiàn)癥狀;再破壞大腦右側(cè)部位，觀察出現(xiàn)癥狀;再破壞大腦中間部位，觀察出現(xiàn)癥狀， 逐步遞減進(jìn)行。通過比較則很容易準(zhǔn)確判斷出不同反射完成所涉及的神經(jīng)中樞在大腦中存在的位置及其作用。

四、同時(shí)運(yùn)用減法原理和加法原理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

例5：探究胰島素的生理作用，選健康，生長(zhǎng)狀況相同的多只小鼠，禁食處理后隨機(jī)分成甲、乙、丙、丁四組。甲組小鼠注射10ml 生理鹽水，乙、丙、丁三組注射10ml 胰島素溶液，一段時(shí)間后乙、丙、丁三組出現(xiàn)反應(yīng)遲鈍、嗜睡等低血糖癥狀， 甲組未出現(xiàn)低血糖癥狀。

（1）乙、丙、丁三組小鼠出現(xiàn)低血糖癥狀后進(jìn)行第二次注射， 乙組注射10ml 生理鹽水;為盡快緩解低血糖癥狀丙組注射10ml 某激素溶液、丁組注射某營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，問：丙組注射的激素是?? ， 丁組注射的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是? 。

（2）第二次注射后，丙、丁兩組小鼠的癥狀都得到了緩解，緩解的機(jī)理分別是丙組?? ，丁組? 。

【答案】（1）胰高血糖素葡萄糖（2）胰高血糖素能促進(jìn)非糖物質(zhì)轉(zhuǎn)化為葡萄糖、促進(jìn)肝糖原分解，升高血糖注射葡萄糖，直接升高血糖

【解析】乙、丙、丁三組小鼠第一次注射10ml 胰島素溶液后，血糖降低從而出現(xiàn)反應(yīng)遲鈍、嗜睡等低血糖癥狀。第二次注射后丙組注射的激素是胰高血糖素，具有升血糖作用;丁組注射的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是葡萄糖，直接補(bǔ)充血糖，使血糖濃度直接升高，癥狀得到緩解。兩次注射就是運(yùn)用了兩個(gè)原理巧妙設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

另外， 同時(shí)運(yùn)用兩個(gè)原理設(shè)計(jì)的典型實(shí)驗(yàn)還有驗(yàn)證鎂是植物生長(zhǎng)的必需元素;研究甲狀腺激素在蝌蚪生長(zhǎng)和發(fā)育中的作用等等，都大大增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性、說服力和可信度。

總之，深入理解掌握加法原理和減法原理的運(yùn)用，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)找到研究因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，為科學(xué)的研究提供事實(shí)依據(jù)和直接依據(jù)。使學(xué)生對(duì)生物實(shí)驗(yàn)獲得正確的認(rèn)識(shí)，為學(xué)生解實(shí)驗(yàn)題打開思路、激發(fā)靈感、拓展思維、豐富想象、提高科學(xué)素養(yǎng)提供保障。

參考文獻(xiàn)：

1趙占良.人教版高中生物課標(biāo)教材中的科學(xué)方法體系[J].中學(xué)生物教學(xué)，2007（3）：4-7.

2王學(xué)宏.生物實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的變量與控制[J].中學(xué)生物學(xué) ，2006（11）：38.

（作者單位：河北省邢臺(tái)市內(nèi)丘中學(xué)054200）