高中生物实验原理

高中生物实验原理

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

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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

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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**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**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，没有石油醒，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，

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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

菲林试剂和双缩腺试剂的使用，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CuS04,并且NaOH的浓

度都是质量浓度为0.又有不同：CuS04的质量浓度

前者为0.05g/ml,后者为0.01g/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NaOHlml加入蛋白质溶液中，

震荡混匀，再加4滴CuS04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(0H)2溶液，需要先通过混

合摇匀，使等量的NaOH溶液和CuS04溶液充分反应，生成

Cu(0H)2溶液。至于为什么不直接使用Cu(0H)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(0H)2中二价的铜离子还原成Cu20中一

价的铜，最终形成砖红色沉淀就是Cu20。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(0H)2的氧化性也较弱，室温情况下还原

新制的Cu(0H)2成Cu20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。Co一是这个温度的反应速度很

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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，蛋白质中类似双缩腺的肽键与CuS04反应，与Cu

结合生成紫色络合物。双缩腺试剂中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(O的2溶液,而不直接使用Cu(0H)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，可以将双缩腺试剂中的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

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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(0H)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(0H)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Cu20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(0H)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(0H)2热稳定性

较差，受热(8(TC以上)很容易分解生成黑色的CuO沉淀