林建春 （浙江省溫州市洞頭區(qū)第一中學(xué) 浙江溫州 325700）

生物學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)。高中生物學(xué)必修課程《分子與細(xì)胞》《遺傳與進(jìn)化》共包含4 個(gè)大概念，為達(dá)成學(xué)生對(duì)大概念的理解，普通高中生物學(xué)教材（2019 年版）開(kāi)展了多個(gè)活動(dòng)或?qū)嶒?yàn)（圖1）。此外，《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）》極其重視對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行定量分析，以促成學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)的形成。開(kāi)展生物學(xué)定量分析實(shí)驗(yàn)，有利于學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)研究過(guò)程，在量的變化過(guò)程中了解事物的本質(zhì)[1]。

圖1 高中生物學(xué)必修模塊建議開(kāi)展的活動(dòng)或?qū)嶒?yàn)

然而，定量分析實(shí)驗(yàn)在高中生物學(xué)課程中所占比例很少，這是導(dǎo)致定量分析實(shí)驗(yàn)未能引起高度重視的根本原因。教材中原有的定量實(shí)驗(yàn)由于器材特殊、時(shí)間較長(zhǎng)、現(xiàn)象不明顯等因素，難以在高中生物學(xué)課堂中開(kāi)展。因此，需要教師對(duì)教材中的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)定性實(shí)驗(yàn)向定量實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)變，或?qū)滩闹性械亩繉?shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新以便更好地開(kāi)展。本文以課堂教學(xué)實(shí)踐、文獻(xiàn)等為依據(jù)，闡述高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)定量分析的多種途徑，并將其應(yīng)用于普通高中生物學(xué)教材中的多個(gè)實(shí)驗(yàn)中，從而發(fā)揮定量實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中的作用。

1 分光光度法的應(yīng)用

分光光度法主要用于溶液中物質(zhì)含量檢測(cè)、微生物數(shù)量分析、酶活性測(cè)定等多個(gè)實(shí)驗(yàn)。朗伯-比爾定律（Lambert-Beer）是其進(jìn)行定量分析的基本原理，即溶液吸光度值=溶液吸光系數(shù)×溶液層厚度（cm）×溶液濃度（g/mL）。當(dāng)溶液層厚度和吸光系數(shù)固定時(shí)，吸光度值與溶液濃度成正相關(guān)。因此，可實(shí)現(xiàn)溶液中物質(zhì)的定量分析。其具體操作流程可分為4 步：①確定待測(cè)物質(zhì)最適波長(zhǎng)；②制作標(biāo)準(zhǔn)曲線；③檢測(cè)未知樣品吸光度值；④計(jì)算樣品濃度。分光光度法可應(yīng)用于高中生物學(xué)課程中的多個(gè)實(shí)驗(yàn)（表1），具有測(cè)定時(shí)間短、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。

表1 分光光度法在高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)定量分析中的應(yīng)用

2 傳感器法的應(yīng)用

傳感器指一類能感受被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可輸出信號(hào)的裝置或器件。例如，溶解O2傳感器是一種用于測(cè)量O2在液體中溶解量（含量）的傳感設(shè)備?；趥鞲衅骷夹g(shù)進(jìn)行定量分析的設(shè)備主要由3 個(gè)部分組成，分別是傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)中相應(yīng)的配套軟件。與分光光度法不同，傳感器法操作更為簡(jiǎn)單、方便，一般不需要配制一系列不同濃度的溶液用于制作標(biāo)準(zhǔn)曲線。高中階段所用到的傳感器主要有pH 傳感器、O2傳感器、CO2傳感器等，應(yīng)用于生物學(xué)實(shí)驗(yàn)定量分析中（表2）。

表2 傳感器在高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)定量分析中的應(yīng)用

3 數(shù)碼顯微鏡法的應(yīng)用

普通光學(xué)顯微鏡由光學(xué)、照明和機(jī)械3 個(gè)部分組成，而數(shù)碼顯微鏡在普通光學(xué)顯微鏡的基礎(chǔ)上，增加了攝像系統(tǒng)、自帶顯示器或電腦，能將顯微鏡所成的像呈現(xiàn)在自帶顯示器或與之相連的電腦顯示屏上。應(yīng)用普通顯微鏡進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間觀察，存在觀察者易疲勞、標(biāo)本易脫水失活等問(wèn)題，從而難以開(kāi)展定量分析實(shí)驗(yàn)。而數(shù)碼顯微鏡具有對(duì)圖像進(jìn)行拍照、標(biāo)記、測(cè)量、計(jì)數(shù)及對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程全程錄像等多種實(shí)用性功能。此外，還可實(shí)現(xiàn)師生之間的雙向互動(dòng)，及時(shí)掌握實(shí)驗(yàn)的最新動(dòng)態(tài)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。數(shù)碼顯微鏡至少可應(yīng)用于以下3 個(gè)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中，詳見(jiàn)表3。

表3 數(shù)碼顯微鏡在高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)定量分析中的應(yīng)用

4 注射器法的應(yīng)用

注射器是常用的醫(yī)療器材，具有規(guī)格多樣、易購(gòu)買(mǎi)、使用方便、易操作等優(yōu)勢(shì)，在生物學(xué)定量實(shí)驗(yàn)分析中備受教師青睞。注射器在定量分析實(shí)驗(yàn)中可作為移液、加樣、量取的裝置，也可作為反應(yīng)器及氣體收集裝置[6]。注射器可用于以下實(shí)驗(yàn)定量分析，詳見(jiàn)表4。

表4 注射器在高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)定量分析中的應(yīng)用

5 Excel 公式法的應(yīng)用

上述4 種定量分析方法均需借助實(shí)驗(yàn)裝置，Excel 軟件中的函數(shù)公式也可應(yīng)用于個(gè)別實(shí)驗(yàn)定量分析，例如，模擬植物或動(dòng)物性狀分離的雜交實(shí)驗(yàn)、模擬探究細(xì)胞表面積與細(xì)胞體積的關(guān)系等實(shí)驗(yàn)。以開(kāi)展“模擬孟德?tīng)栯s交實(shí)驗(yàn)”為例，開(kāi)展該實(shí)驗(yàn)的目的是為了增強(qiáng)學(xué)生對(duì)孟德?tīng)柖蓪?shí)質(zhì)形成的直觀感受，并在親自參與、體驗(yàn)科學(xué)研究的過(guò)程中加深對(duì)分離定律和自由組合定律的理解與認(rèn)識(shí)。對(duì)于該實(shí)驗(yàn)而言，獲取精準(zhǔn)的性狀分離比必須要有大數(shù)據(jù)的支撐，尤其是在模擬2對(duì)相對(duì)性狀的雜交實(shí)驗(yàn)中。由于實(shí)驗(yàn)課堂中學(xué)生模擬次數(shù)有限，使得模擬結(jié)果難以趨于真實(shí)的性狀分離比9∶3∶3∶1。

因此，在單元格中輸入函數(shù)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")用于隨機(jī)生成多個(gè)F2基因型，“SUMPRODUCT(N(EXACT(數(shù)據(jù)范圍,"基因型類型")))”函數(shù)公式可用于統(tǒng)計(jì)不同基因型的數(shù)目，具體操作見(jiàn)已發(fā)表文獻(xiàn)[7]。借助Excel 軟件中的函數(shù)公式，可實(shí)現(xiàn)快速獲得模擬數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)模擬數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)模擬實(shí)驗(yàn)的定量分析。

6 總結(jié)

教學(xué)過(guò)程中，開(kāi)展定量分析實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生達(dá)成生物學(xué)大概念，并發(fā)展生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。上述5 種定量分析方法各具優(yōu)勢(shì)，至少可應(yīng)用于必修模塊中的7 個(gè)實(shí)驗(yàn)。對(duì)于同一個(gè)實(shí)驗(yàn)，可采用不同的定量分析方法，例如，“探究不同環(huán)境因素對(duì)光合作用的影響”實(shí)驗(yàn)，可采用注射器法、傳感器法等。教師在開(kāi)展定量實(shí)驗(yàn)時(shí)，要結(jié)合學(xué)校實(shí)際情況，因地制宜選取最佳實(shí)驗(yàn)方案。同時(shí)，上述5種定量分析方法除應(yīng)用于普通高中生物學(xué)必修模塊外，還可應(yīng)用于選修課程，例如，“探究培養(yǎng)液中某種酵母種群數(shù)量的動(dòng)態(tài)變化”等實(shí)驗(yàn)中，也可應(yīng)用于學(xué)生的研究性課題、綜合實(shí)踐活動(dòng)中。