例谈生物学实验设计的科学性原则

王守民

(河北省滦平县第一中学 068250)

1 实验原理的科学性

实验原理是实验设计的科学依据，也是用来检验和修正实验方法和过程的理论依据，因此它必须是经前人总结或检验得出的科学理论，这样才能设计出科学合理的实验，才能正确预期实验的结果和结论。例如，验证钙离子在血液凝固中的作用时，所依据两个实验原理：血液中的钙离子在血液凝固时起重要作用，若缺少它则血液不能凝固；草酸钾或柠檬酸钠能与血液中的钙离子发生反应，形成草酸钙或柠檬酸钙沉淀而失去凝血作用。这两条科学完整的原理有助于学生形成明确的设计思路，设计出完整正确的实验。

2 实验材料选择的科学性

实验材料是科学实验成功与否的关键要素，设计实验时，一定要根据实验的目的和原理选择恰当的实验材料，尽量避免实验材料的颜色和数量等因素对实验结果的影响。例如，孟德尔在进行遗传规律研究时，经过大量的实验和长期的观察，选择了严格自花受粉和闭花传粉的豌豆作为杂交实验的材料，这就保证了杂交实验的亲本一定是纯种，保证实验的科学性。再如，新鲜的黑藻嫩叶是“观察细胞质流动”实验的理想材料，因其新鲜，故能保证观察到的是活细胞；因其含水量多，故能保证细胞质流动速度快，实验现象明显；因其含有叶绿体，故能使细胞质的流动速度和方向因有参照物而清晰可见；因其叶片薄，是单层细胞，故便于制作临时装片进行观察。又如，恩格尔曼在证明叶绿体是植物进行光合作用的场所时，选择了水绵和好氧性细菌做实验材料，一来水绵不仅有细而长的带状叶绿体，而且叶绿体螺旋状地分布在细胞内，便于观察和分析研究；二来用好氧性细菌进行检测，能准确判断出水绵细胞中释放氧气的部位。有了这样方便易得的实验材料，再加上科学的实验方法，就能顺利地达到预期的实验效果。

3 实验过程的科学性

实验过程的安排要有科学性，要注意实验步骤的关联性和实验操作的程序性，实验步骤的前后顺序一般不能颠倒，特别是关键环节，不同的操作顺序导致不同的结果并影响实验的严密性。例如，证明植物细胞呼吸释放二氧化碳的实验是这样设计的：通入的空气首先经过氢氧化钠溶液，以除去其中的二氧化碳，再经过氢氧化钙溶液，以检验二氧化碳是否除尽，最后才通入装有萌发种子的密封瓶中，只有经过这样的步骤，才能完全排除空气中二氧化碳的干扰，确实证明瓶中的二氧化碳真正来源于萌发种子的呼吸。再如，“温度和酸碱度对酶活性的影响”实验首先是把淀粉酶做不同的温度和酸碱度处理，然后再加入到淀粉溶液中，这样就能保证不同处理的酶的作用的发挥，而不是先把淀粉和淀粉酶混合后，再做不同的温度和酸碱度处理，排除了其他因素的影响，保证了实验结果的真实性和可靠性。又如“还原性糖鉴定实验”中，先将斐林试剂甲液和乙液混合以形成Cu(OH)2后，再加入组织样液中，而“蛋白质的鉴定实验”中，先加入双缩脲试剂A液(NaOH)以创造碱性环境，再加入B液(CuSO4)。在“探索温度对酶活性影响”的实验中，应“将3支试管先分别放入60℃、0℃、沸水中5 min后再加淀粉酶”还是“先向3支试管中加入淀粉酶后再将3支试管分别放入60℃、0℃、沸水中”呢？表面看两种操作无多大差别，其实前者的操作是正确的，因为如果先向盛有淀粉溶液的试管中加入淀粉酶，此时淀粉酶对3支试管中淀粉均起消化分解作用。

4 实验现象观察的科学性

科学的实验要有正确的观察方法，才能为结果的处理和分析提供可靠的依据。但有些实验直接就有可见的实验现象，而有些实验发生的反应不可见，这就需要把不可见的反应转化为可见的现象，需要科学转化。例如，做“观察植物细胞的质壁分离与复原”实验时，选择紫色的洋葱作为实验材料，由于其液泡中细胞液呈紫色而使实验现象易于观察，保证了实验的准确性。再如，在“探索淀粉酶对淀粉和蔗糖的作用”实验中，淀粉和蔗糖是否被水解，表面上看不到现象，就需要用斐林试剂来检测是否有水解产物的形成。

5 实验结果处理的科学性

对于实验的现象应该首先记录，然后进行整理，以全面和便于分析的某种方式如表格、曲线、柱形图等具体准确表现出来，最后再经过仔细分析，最大限度地提取其中的信息，以便分析得出正确的实验结论。例如，孟德尔的豌豆杂交实验是应用了统计学的概率原理进行计算。再如在用全素营养液培养大麦，48 h后测定几种离子的浓度占原有浓度的百分比，实验结果如表1：

表1 全素营养液离子浓度变化

上述实验结果经过记录和整理，使人很容易进行实验的对比分析：一组是有光和无光；一组是水分的吸收和矿质元素的吸收；另一组是不同矿质元素的吸收。所以，对实验结果的分析时，也要从这三方面入手，从而得出结论。

6 实验结论表达的科学性

把实验结果进行分析得到的结论，还需要用准确恰当简明的语言表达出来，才能成为科学的理论，因此需要有深厚的语言功底、精炼的语言，才能把实验结论表达准确完整，这也是近几年高考生物学非选择题考查的重点之一，因此需要加强训练。例如，上述实验中的实验结论：一是植物对水分和矿质元素的吸收与光照有一定关系；二是植物对水分和矿质元素的吸收是两个相对独立的过程；三是植物对矿质元素的吸收具有选择性。恩格尔曼的实验就可说明：一是光合作用需要光；二是光合作用的场所是叶绿体；三是光合作用释放氧气。

实验设计型题是近几年高考的热点，它是以教材实验为依托，侧重考查学生对实验进行设计、分析和评价的能力，能较全面地考查学生的实验知识和基本技能，分析解决问题和语言表达的能力以及创造能力，都需要学生有科学思想和科学方法，掌握生物学实验设计的原则和规律，必须有充分的科学依据，而不能凭空想象，要遵循科学性原则，把科学的方法和科学探究过程渗透到设计中，使学生在实验设计过程中形成科学的思想，学会运用科学方法解决问题，从而提高学生的能力和思维的灵活性。