高中生物学实验定量分析途径及其应用

林建春 （浙江省温州市洞头区第一中学 浙江温州 325700）

生物学是一门以实验为基础的自然科学。高中生物学必修课程《分子与细胞》《遗传与进化》共包含4 个大概念，为达成学生对大概念的理解，普通高中生物学教材（2019 年版）开展了多个活动或实验（图1）。此外，《普通高中生物学课程标准（2017 年版）》极其重视对实验进行定量分析，以促成学生生物学核心素养的形成。开展生物学定量分析实验，有利于学生体验科学研究过程，在量的变化过程中了解事物的本质[1]。

图1 高中生物学必修模块建议开展的活动或实验

然而，定量分析实验在高中生物学课程中所占比例很少，这是导致定量分析实验未能引起高度重视的根本原因。教材中原有的定量实验由于器材特殊、时间较长、现象不明显等因素，难以在高中生物学课堂中开展。因此，需要教师对教材中的实验进行改进，以实现定性实验向定量实验的转变，或对教材中原有的定量实验进行创新以便更好地开展。本文以课堂教学实践、文献等为依据，阐述高中生物学实验定量分析的多种途径，并将其应用于普通高中生物学教材中的多个实验中，从而发挥定量实验在培养学生生物学学科核心素养中的作用。

1 分光光度法的应用

分光光度法主要用于溶液中物质含量检测、微生物数量分析、酶活性测定等多个实验。朗伯-比尔定律（Lambert-Beer）是其进行定量分析的基本原理，即溶液吸光度值=溶液吸光系数×溶液层厚度（cm）×溶液浓度（g/mL）。当溶液层厚度和吸光系数固定时，吸光度值与溶液浓度成正相关。因此，可实现溶液中物质的定量分析。其具体操作流程可分为4 步：①确定待测物质最适波长；②制作标准曲线；③检测未知样品吸光度值；④计算样品浓度。分光光度法可应用于高中生物学课程中的多个实验（表1），具有测定时间短、操作简单等优势。

表1 分光光度法在高中生物学实验定量分析中的应用

2 传感器法的应用

传感器指一类能感受被测量并按照一定的规律转换成可输出信号的装置或器件。例如，溶解O2传感器是一种用于测量O2在液体中溶解量（含量）的传感设备。基于传感器技术进行定量分析的设备主要由3 个部分组成，分别是传感器、数据采集器和计算机中相应的配套软件。与分光光度法不同，传感器法操作更为简单、方便，一般不需要配制一系列不同浓度的溶液用于制作标准曲线。高中阶段所用到的传感器主要有pH 传感器、O2传感器、CO2传感器等，应用于生物学实验定量分析中（表2）。

表2 传感器在高中生物学实验定量分析中的应用

3 数码显微镜法的应用

普通光学显微镜由光学、照明和机械3 个部分组成，而数码显微镜在普通光学显微镜的基础上，增加了摄像系统、自带显示器或电脑，能将显微镜所成的像呈现在自带显示器或与之相连的电脑显示屏上。应用普通显微镜进行长时间观察，存在观察者易疲劳、标本易脱水失活等问题，从而难以开展定量分析实验。而数码显微镜具有对图像进行拍照、标记、测量、计数及对整个实验过程全程录像等多种实用性功能。此外，还可实现师生之间的双向互动，及时掌握实验的最新动态，提高实验教学效率。数码显微镜至少可应用于以下3 个生物学实验中，详见表3。

表3 数码显微镜在高中生物学实验定量分析中的应用

4 注射器法的应用

注射器是常用的医疗器材，具有规格多样、易购买、使用方便、易操作等优势，在生物学定量实验分析中备受教师青睐。注射器在定量分析实验中可作为移液、加样、量取的装置，也可作为反应器及气体收集装置[6]。注射器可用于以下实验定量分析，详见表4。

表4 注射器在高中生物学实验定量分析中的应用

5 Excel 公式法的应用

上述4 种定量分析方法均需借助实验装置，Excel 软件中的函数公式也可应用于个别实验定量分析，例如，模拟植物或动物性状分离的杂交实验、模拟探究细胞表面积与细胞体积的关系等实验。以开展“模拟孟德尔杂交实验”为例，开展该实验的目的是为了增强学生对孟德尔定律实质形成的直观感受，并在亲自参与、体验科学研究的过程中加深对分离定律和自由组合定律的理解与认识。对于该实验而言，获取精准的性状分离比必须要有大数据的支撑，尤其是在模拟2对相对性状的杂交实验中。由于实验课堂中学生模拟次数有限，使得模拟结果难以趋于真实的性状分离比9∶3∶3∶1。

因此，在单元格中输入函数公式=IF(RAND()＜0.5,"Y","y")&IF(RAND()＜0.5,"Y","y")&IF(RAND()＜0.5,"R","r")&IF(RAND()＜0.5,"R","r")用于随机生成多个F2基因型，“SUMPRODUCT(N(EXACT(数据范围,"基因型类型")))”函数公式可用于统计不同基因型的数目，具体操作见已发表文献[7]。借助Excel 软件中的函数公式，可实现快速获得模拟数据、统计模拟数据，从而实现模拟实验的定量分析。

6 总结

教学过程中，开展定量分析实验有助于学生达成生物学大概念，并发展生物学学科核心素养。上述5 种定量分析方法各具优势，至少可应用于必修模块中的7 个实验。对于同一个实验，可采用不同的定量分析方法，例如，“探究不同环境因素对光合作用的影响”实验，可采用注射器法、传感器法等。教师在开展定量实验时，要结合学校实际情况，因地制宜选取最佳实验方案。同时，上述5种定量分析方法除应用于普通高中生物学必修模块外，还可应用于选修课程，例如，“探究培养液中某种酵母种群数量的动态变化”等实验中，也可应用于学生的研究性课题、综合实践活动中。