学之有方，解之有法

田奇林+舒洲

生物学经历了描述性生物学阶段、实验生物学阶段和分子生物学阶段的发展，得到了前人留下的很多宝贵的生物学科学方法。科学方法主要包括科学研究方法和科学思维方式。现就高中生物所涉及的主要科学方法介绍如下。

一、观察法

观察法指用肉眼，或借助放大镜、显微镜、望远镜等仪器，或利用照相机、录音机、摄像机等工具，有目的、有计划地考察研究对象，从而获得有关经验性材料的方法。该方法常使用光学显微镜观察细胞的结构或者细胞的生命活动。

【例1】纸层析法、同位素标记法、染色法、离心法等是生物学研究过程中常用的实验方法。下列有关说法错误的是（ ）

A. 观察DNA和RNA在细胞中分布时，甲基绿和吡罗红混合使用

B. 用台盼蓝染色法可以鉴别细胞的死活

C. 验证DNA半保留复制的实验过程中要用到同位素标记法和离心法

D. 色素分离实验中要得到四条不同颜色的色素带需用到纸层析法和染色法

【解析】观察DNA和RNA在细胞中的分布时，由于甲基绿和吡罗红均能使DNA和RNA染色，只是甲基绿和吡罗红分别与DNA和RNA的亲和力强，因此必须使用甲基绿和吡罗红混合染色剂，故选项A正确；用台盼蓝染色时，活细胞不会被染色，死细胞会被染色，放选项B正确；验证DNA半保留复制的实验过程中用同位素分别标记母链和子链，运用密度梯度离心法将质量分数不同的DNA分子分离，故选项C正确；色素分离实验用到了纸层析法，但没有用到染色法，四条色素带所呈现的不同颜色是色素本身的颜色，故选项D错误。答案：D。

【拓展】染色观察法是高中生物涉及的重要实验技术，主要有以下几种情况。

二、实验法

实验法是指实验者有目的、有意识地通过改变某些社会环境的实践活动来认识实验对象的本质及其发展变化规律的方法，其一般思路和过程为：提出问题、作出假设、制订计划、进行实验、得出结论、表达与交流。实验法可分为验证性实验和探究性实验，设计实验必须坚守设置对照原则、单一变量原则和平行重复原则。

【例2】下列有关生物学实验研究方法的叙述中，正确的是（ ）

A. 采用差速离心法将蓝藻的各种细胞器分离开

B. 预实验可以检测实验设计的科学性和可行性，以免浪费

C. 为了解决光合作用中产生的氧气来源问题，卡尔文用了荧光染料标记法进行研究

D. 在探究DNA的复制方式是半保留复制用15N（15N具有放射性）标记DNA，并运用差速离心法

【解析】分离细胞器的确可采用差速离心法，然而，蓝藻作为原核细胞，其细胞内并不存在各种细胞器，它只有核糖体；为了解决光合作用中产生的氧气来源问题，鲁宾和卡门用了同位素标记法进行研究；在探究DNA的复制方式时，所用的15N没有放射性，由于是质量大小相近的分子分离，因此采用密度梯度离心法。答案：B。

【拓展】高中生物涉及的重要实验技术主要有以下几种。

1. 同位素标记示踪法（也称同位素标记法）。生物学中用到同位素标记法的研究成果有：利用15N或3H标记氨基酸研究生物膜系统的连续性；用 14C标记CO2，研究光合作用中卡尔文循环过程；用3H标记胸腺嘧啶核苷和尿嘧啶核苷检测DNA复制、转录的部位、时间、过程；用18O分别标记CO2和H2O，探究光合作用O2的来源；用15N（15N没有放射性）标记DNA，探究DNA的复制方式是半保留复制；用35S和32P分别标记蛋白质和DNA，探究噬菌体的遗传物质。

2. 荧光染料标记法。同位素标记法和荧光标记法分别属于元素标记和分子标记。如用荧光分子标记细胞膜上的蛋白质说明细胞膜具有流动性，用荧光分子标记的DNA分子探针检测DNA的碱基序列，基因定位在染色体上等。

3. 预实验法。预实验是在正式实验之前，用标准物质或只用少量样品进行实验，摸索出最佳的实验条件，也常用于探究最适温度和最适浓度的实验。

4. 离心法。差速离心法，可用于分离各种细胞器；密度梯度离心法，可用来分离核酸、蛋白质、核糖体亚基及其他分子成分。

三、模型法

模型是人们为了某种特定目的而对认识对象所做的一种简化的概括性的定量或定性的描述。其描述有的借助于具体的实物或其他形象化的手段，有的则通过抽象的形式来表达。这种运用模型解释复杂的研究对象的方法称为模型法。

【例3】下列叙述与生物学史实或科学研究方法相符的是（ ）

A. 孟德尔用山柳菊为实验材料，验证了基因的分离及自由组合规律

B. 范·海尔蒙特基于柳枝扦插实验，认为植物生长的养料来自土壤、水和空气

C. 富兰克林和威尔金斯对DNA双螺旋结构模型的建立也做出了巨大的贡献

D. DNA双螺旋结构的研究和某种群数量变化规律的研究均用到了物理模型建构法

【解析】孟德尔用豌豆作为实验材料，总结出了基因的分离和自由组合规律，通过测交实验验证了两大规律；范·海尔蒙特基于柳枝扦插实验，认为植物生长的养料来自水；富兰克林和威尔金斯提供了DNA的X射线衍射图谱，对DNA双螺旋结构模型的建立做出了贡献；DNA双螺旋结构的研究和某种群数量变化规律的研究分别运用了物理模型和数学模型建构法。答案：C。

【拓展】高中的生物模型主要有三种：（1）物理模型，如“生物膜的流动镶嵌模型”“尝试制作真核细胞的三维结构模型”“减数分裂中染色体变化的模型”“DNA的双螺旋结構模型”等；（2）概念模型，如“达尔文自然选择学说解释模型”“人体细胞与外界环境的物质交换模型”“生态系统的结构模型”等；（3）数学模型，如“种群数量增长的数学模型”等。

四、调查法

调查法是指为了达到设想的目的，制订某一计划全面或比较全面地收集研究对象的某一方面的各种材料，并通过分析、综合，得到某一结论的研究方法。调查时要明确调查目的和调查对象，制订合理的调查方案，如实记录，对结果进行整理和分析，必要时要用数学方法进行统计。endprint

【例4】下列关于生物科学研究方法的叙述，错误的是（ ）

A. 用取样器取样法既适用于土壤中蚯蚓、螨虫等小动物种群密度的抽样调查，也适用于土壤物种丰富度的调查

B. 对数学模型进行检验或修正时，常用观察法或实验法

C. 在探究DNA的复制方式时，所用的15N没有放射性，由于是质量大小相近的分子分离，因此采用密度梯度离心法

D. 目测估计法可以统计土壤小动物类群，不能用于地面生物丰富度的统计

【解析】用取样器取样法既适用于抽样调查土壤中蚯蚓、螨虫等小动物种群密度，也适用于土壤物种丰富度的调查；在探究DNA的复制方式时，所用的15N没有放射性，由于是质量大小相近的分子分离，因此采用密度梯度离心法；目测估计法既可以统计土壤小动物类群，也可以用于地面生物豐富度的统计。答案：D。

【拓展】高中生物涉及的调查方法主要有以下几种。

1.种群密度的调查方法

逐个计数法 适用于分布范围较小，个体较大的种群密度的调查

2.物种丰富度的调查方法

提取土样的方法——取样器取样法。取样器取样法既可以用于土壤小动物（活动能力较差）的种群密度的调查，也可以用于土壤群落丰富度的调查。

统计物种种类或种群数量的方法——目测估计法（适用于调查分布范围较大，个体较小的种群）和记名计算法（适用于调查个体较大、种群数量有限的群落）。

五、模拟法和系统分析法

在生物学研究中，通过对替代物的实验来获取经验性材料的方法称为模拟法。系统分析法是在分析系统组成要素、层次结构的基础上，分析系统各组分间相互影响的定量关系，建立系统的数学模型，并利用计算机对系统结构进行优化，使系统具有功能整合作用的问题分析方法。

【例5】下列有关科学实验及方法的叙述，正确的是（ ）

A. 达尔文的实验证明了胚芽鞘的向光性生长确实是某种化学物质引起的

B. 用琼脂块研究细胞大小与物质运输的关系运用了模拟法

C. 桑格和尼克森提出生物膜的流动镶嵌模型，运用电镜观察法

D. 艾弗里利用肺炎双球菌研究遗传物质时，运用同位素标记法

【解析】达尔文实验并未证明向光性生长由化学物质引起；本实验用琼脂块的大小模拟替代了细胞的大小；桑格和尼克森提出生物膜的流动镶嵌模型，运用荧光标记法；艾弗里利用肺炎双球菌研究遗传物质时，没有运用同位素标记法，用的是物质分离技术和细菌培养技术。答案：B。

【拓展】在生物学研究中，由于不能对研究对象直接进行控制或干预性的操作，需要设计和构想出研究对象的替代物，如用琼脂块模拟研究细胞大小与物质运输的关系、用小球进行性状分离比的模拟等。endprint