作者：夏玉坤

生物科学是一门实验性科学，生物科学的发展，是通过许许多多科学家前赴后继，不断地探索、验证来实现的。为了培养学生的科学素养，现行中学生物课本中有大量的实验，有验证性的，更多的是探究性的，就是希望学生通过实验，通过自主探究，主动构建知识，发展能力、形成正确的情感态度与价值观；同时，更重视发展学生的创新精神和实践能力。高考生物试题中实验的内容更是占有相当大的比重，并且表现出不断上升的趋势，大的实验设计题更是让很多学生感觉无从下手；许多老师为应对高考，在实验课的教学中花费大量的精力，复习中也有很多好的措施、方法，取得了不错的成绩，但不少老师仍感觉没有达到预期的效果。

出现这种情况是有原因的，不是老师备课不认真，也不是学生不努力，问题的关键是现行的教材要求和现在的中学实验条件的不配套。这套教材观念很新，想更多地反映生物科学和技术的新发展，更贴近社会实际，与之配套的实验很多，也有的很新，现有的中学生物实验室要完成相关的实验，困难很大，条件差的学校就更不用说。“生物好学，但学好生物难，拿高分更难。”其中很大一部分原因就是因为实验的相关知识。解决好实验知识的教学，是提高生物教学质量的一个重要方面。

在教学中，很多老师都是按照要求指导学生完成实验，或者播放实验的教学录像给学生观看。虽然学生动手做了实验，或者观看了实验，也仅仅是增加了一点感性认识，并不一定是真正掌握了相关的实验知识。在这里，我想换种思维方式，提供一种思路供大家探讨。我们每个老师都知道一句话，并经常和学生说“题目在书外，知识在书内，要抓住知识本质，以不变应万变”。实验的知识本质又是什么？我们是否也可以抓住知识本质，以不变应万变？

高中生物实验不论是验证性实验和探究性实验；还是定性试验与定量实验。实际上只要是实验，每个实验都有相应的实验原理，实验原理是实验的核心，是实验的所遵循的知识本质。实际上就是我们已经学习和掌握的知识；不仅仅包含生物，也包含数学、物理、化学等自然科学的知识。假设----演绎法是现代科学研究中常用的一种科学方法，孟德尔的豌豆杂交实验为我们提供了经典的实例。不论是提出问题的观察分析，做出假设的推理和想象，实验验证中所依据的演绎推理，以及由实验现象得出结论，都要以知识为基础，也就是以实验原理为依据。其他科学研究方法也是如此。

具体实验中，不论是实验材料的选取、实验步骤的设置，还是实验表现的现象，乃至实验结果，都是由实验原理决定的。违背实验原理的操作，将会出现相应错误现象，得到错误的结果。下面，就谈几点实验原理的应用。

1.选取实验材料

合适的实验材料是实验成功的第一步，孟德尔的豌豆，摩尔根的果蝇，恩格尔曼的水绵等等。都是我们熟悉的成功选取实验材料的经典实例。实验材料的选取有一定的原则：首先就是遵循科学性原则，材料能很好地完成该实验；其次是考虑实验效果明显；同时要考虑材料容易获得，适应性强、易于培养；操作的简便性也是重要的标准之一。科学性原则就是核心，是关键，而实验原理就是实验遵循的科学原则。

1.1依据科学性原则选取实验材料

1.1.1提取DNA的实验，可以用鸟类的血液，而不能用哺乳动物血液；制备细胞膜的实验就只能用哺乳动物血液，不能用鸟类的血液。都是动物血液，为什么要区分得那么清楚呢？其原因是鸟类的红细胞是完整的，有DNA，有细胞膜，还有完整的膜系统，可以获得DNA,也可以获得细胞膜，但其中同时包含其他的膜，不能获得纯净的细胞膜；而哺乳动物血液中，其成熟的红细胞是不完整的，细胞内没有细胞核和核酸以及其他的细胞器，可以获得纯净的细胞膜，不能提取出DNA。要提取DNA，为什么要用鸟类血液，用其他动植物细胞不也可以吗？再看看材料选取的其他原则，问题就很清楚了。鸟类作为动物，其血液细胞没有细胞壁，并且细胞彼此分离，便于破碎，操作简单。用血液做材料，效果会怎样呢？血液中红细胞的数量庞大，可以提供足够的DNA，保证实验效果。

1.1.2渗透作用、光合作用、呼吸作用等生理功能类实验材料，还必须是活细胞；而像有丝分裂、物质提取类实验就只要死细胞就可以。

1.2从实验效果明显选取实验材料

1.2.1还原性糖的鉴定等一系列的颜色反应的实验，选取材料就要注意尽量选无色的，避免对实验结果的干扰，保证实验结果准确。

1.2.2渗透作用实验不仅要活细胞，还要是液泡内带有色素、成熟的活细胞，这样才能观察到明显的质壁分离现象。

1.3另外，依据实验原理，还可以选择一些替代药品和器材，来完成原本没有条件完成的实验。

1.3.1PCR技术中DNA的复制，没有PCR仪，可以用几个控制好温度的水浴替代，同样可以完成实验。只不过是将仪器自动控制温度变成人工手动控制。

1.3.2色素的提取和分离实验中，没有石油醚，无法配制层析液，除了用93号，也可以用丙酮替代，效果也不错。就是利用相似相溶原理寻找替代品。

2.确定实验步骤

选取好实验材料，只是完成了实验的第一步，对实验材料的正确处理，确立科学、严谨的操作步骤则是实验成功的关键。实验步骤的确立，要以实验原理为依据，实验目的为目标，使实验效果明显为要求进行。设计实验步骤时，不仅要知其原，还要知其所以然。实验中不仅要知道要怎样做，更要知道为什么这样做。不仅要知道整个实验的原理，还要明确每一步的实验依据，这样就可以避免是非混淆，才能少出错和不出错。即使出错了，也能及时纠正。

2.1实验原理决定操作方法

像温度、PH值影响酶活性的实验，很纠结是先加底物进行保温，然后再加酶液，还是倒过来的顺序；调节PH值，是调节底物还是调节酶液？其实这里纠结的是哪种操作对实验影响更大，误差更大。因为不论是底物加到酶液里面，还是酶液加到底物里面，以及不论是调节底物，还是调节酶液，都会因为两种溶液的混合，使溶液总量发生改变，对温度、PH值产生一定的影响，使之出现偏差，造成实验误差加大。只要使他们混合后尽量不出现偏差，问题就解决了。知道了实验本质，做法就简单了，对温度而言，每组都用两支试管，分别装底物和酶液，同时放入同一水浴中特定保温一定时间，然后混合；PH值也同理，分别调节底物和酶液，调节好后再混合。由于两者混合形成的偏差就不存在了。

2.2实验原理决定了操作顺序

菲林试剂和双缩脲试剂的使用，一个检测还原性糖，一个是用来检测鉴定蛋白质；很多学生容易混淆。其原因是：两者既有相同：两者成分都是NaOH和CuSO4,并且NaOH的浓度都是质量浓度为0.1g/ml。又有不同：CuSO4的质量浓度前者为0.05 g/ml，后者为0.01 g/ml， 明显小于前者。还有用量，前者是用量各1ml ，1:1混匀，再加入还原性糖溶液中，最后震荡混匀；后者先将NaOH1ml加入蛋白质溶液中，震荡混匀,再加4滴CuSO4溶液，摇匀。还有，一个50-65°C水浴加热，另一个不要。简单地说，就是一个是先混合再使用，一个是分开先后使用。在这里，我们从知识本质，也就是实验原理的角度来看，所有的问题都会一目了然。

菲林试剂其本质是新制的Cu(OH)2溶液，需要先通过混合摇匀，使等量的NaOH溶液和CuSO4溶液充分反应，生成Cu(OH)2溶液。至于为什么不直接使用Cu(OH)2，化学知识应该很清楚地告诉我们，它是微溶于水，易沉淀，一旦沉淀，这个反应也基本上不可能进行。到为什么要水浴加热，这个实验的本质是将Cu(OH)2中二价的铜离子还原成Cu2O中一价的铜，最终形成砖红色沉淀就是Cu2O。还原性糖的还原性靠什么体现呢？不是我们无机化学中学过的还原性氢，而是有机化学中的一个基团----醛基（-CHO），它虽然有还原性，但还原性较弱，Cu(OH)2的氧化性也较弱，室温情况下还原新制的Cu(OH)2成Cu2O很难，所以，就需要通过加热提高反应的活化能，保证反应正常进行。为什么不直接加热，而用水浴，并且控制在50-65°C。一是这个温度的反应速度很合适；同时水浴比较好控制温度。二是还原性糖是有机溶剂，有机溶剂通常不能直接加热，这是从安全角度考虑。还有一个原因，在后面会提到。检测蛋白质的实验原理是，在碱性条件下，蛋白质中类似双缩脲的肽键与CuSO4反应，与Cu结合生成紫色络合物。双缩脲试剂中NaOH功能是调节PH值为碱性，必然要先加，使蛋白质溶液呈碱性。至于加热，高温会改变蛋白质的空间结构，虽然没有破坏发生反应的本质----肽键，从原理上讲，似乎是照样能发生反应；但蛋白质热变性时，当温度高于蛋白质的变性温度,蛋白质的空间构象的那些弱键断裂,分子内部的一些非极性基团暴露到分子表面,因而降低了蛋白质的溶解度,促进蛋白质分子间的相互结合而凝结沉淀。鉴定还原性糖为什么要用菲林试剂------新制的Cu(OH)2溶液，而不直接使用Cu(OH)2溶液，其本质是一样的，严重影响实验效果。如果仅从避免学生混淆的角度看，可以将双缩脲试剂中的NaOH溶液换成KOH溶液等同类溶液。

这里的加热与否，也是实验原理决定实验条件的一个实例。

2.3实验原理决定操作步骤

从实验原理的角度看，有些实验，由于材料的原因，我们需要添加一些步骤，才能保证实验结果明显。

2.3.1验证光合作用的产物有淀粉，在进行光合作用之前，先要进行“饥饿处理”，清除叶片内原有的淀粉，在最后鉴定淀粉之前，要进行脱色处理。也就是脱去叶绿体中的色素，避免绿色对淀粉和碘相遇产生的蓝色产生遮盖，从而保证实验效果明显。

2.3.2观察类实验中，观察对象和背景之间没有色差的，通常都要染色处理，增加色差便于观察。观察叶绿体和线粒体的实验中，观察线粒体就需要染色，而叶绿体不需要。原因就是线粒体无色，与细胞内的其他成分和结构没有明显的色差，不易区分，难观察；叶绿体有颜色，色差明显，观察效果好。同样，观察DNA/RNA、染色体都要染色。

3.预测实验现象及分析实验结果

3.1 精选实验材料，科学地设计实验步骤，只要严格执行程序，规范操作，实验现象就会依据实验原理依次显现。

3.1.1还原性糖的鉴定中颜色就会由Cu(OH)2溶液的蓝色逐渐变成红褐色，最后变成砖红色，颜色变化是一个渐变过程，这是正确操作的结果。原因就是因为溶液中蓝色的Cu(OH)2不断被还原性糖还原，蓝色所占比例不断下降，而砖红色的Cu2O随着反应进行不断形成，所占逐步上升，两者同时存在，表现出蓝色和砖红色混合色，比例不断改变，最终只有砖红色沉淀。

3.1.2绿叶中色素的提取与分离实验，会出现四条色素带。从上到下依次是橙黄色、黄色、蓝绿色、黄绿色（从下向上层析）；蓝绿色带最宽、最明显，橙黄色带最窄、最不明显。四条色素带应该是比较平、直的。（胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a、叶绿素b）

3.2如果实验操作错误，也可以根据错误现象，利用实验原理，找出可能的错误操作

3.2.1如果有学生没有达到完全砖红色沉淀，而是红褐色，甚至还有学生的能看见轻微的蓝色，那就说明这些学生的实验还没有完成，或者是操作中试剂用量错误。这里是一个简单的化学平衡问题，原因是反应中的Cu(OH)2没有被全部还原。如果有学生出现黑色沉淀，那是加热温度过高，有可能是直接加热，斐林试剂里形成的蓝色Cu(OH)2热稳定性较差,受热（80℃以上）很容易分解生成黑色的CuO沉淀,不能生成砖红色的Cu2O沉淀。这也是还原性糖鉴定水浴加热控制在50-65°C的另一个原因。

3.2.2双缩脲试剂鉴定蛋白质的实验，如果出现蓝色，紫色不明显。可能是CuSO4过多，产生蓝色的Cu(OH)₂；或者在碱性溶液中氨或铵盐与铜盐作用生成深蓝色的络离子Cu(NH3)₄²⁺妨碍此颜色反应的观察。在实验中CuSO4的小用量和低浓度就是此原因。

3.2.3 质壁分离实验中有学生质壁分离现象很明显，但无法质壁分离复原。从实验原理的角度分析就很容易知道错误出现地方。渗透作用是后细胞的功能，不论是质壁分离，还是质壁分离复原，都只是它的表现形式，质壁分离不能复原，说明细胞已经死亡，其原因就是细胞失水过多，相应的错误操作有：使用试剂浓度正常，质壁分离时间过长；使用试剂浓度更大。这两种情况都会造成细胞失水过多而死亡。

实验原理的运用实例有很多，从这里可以看出，正确运用实验原理进行实验课教学，不仅可以提高学生的动手能力，还可以提高学生对知识的理解和掌握，提高实验知识的教学效果。使学生掌握实验操作技能的同时，能更好地理解相关知识，强化综合分析问题能力，并且能逐步提高知识的运用能力，能将知识学活、用活，更有效地解决实际问题。