高中生物教科书中涉及到的科学研究方法.docx

生命科学教育正在对初高中生物教材进行剖析，包括专题内容的搜集和总结，以期有利于中学教师和学生进行系统的学习和深度理解教科书。本文介绍高中生物教科书中涉及到的科学研究方法。
生物学是一门自然科学，而科学是科学知识、科学方法和科学精神构成的统一整体。高中生物课程标准将科学方法放在一个极其重要的位置，在课程目标中有着非常具体地叙述：
发展科学探究能力，初步学会：（1）客观地观察和描述生物现象；（2）通过观察或从现实生活中提出与生物学相关的、可以探究的问题；（3）分析问题，阐明与研究该问题相关的知识；（4）确认变量；（5）作出假设和预期；（6）设计可行的实验方案；（7）实施实验方案，收集证据； （8）利用数学方法处理、解释数据；（9）根据证据作出合理判断；（10）用准确的术语、图表介绍研究方法和结果，阐明观点；（11）听取他人的意见，利用证据和逻辑对自己的结论进行辩护以及作必要的反思和修改。
我们将教材中涉及到的科学方法进行归纳整理，以方便广大教师查阅、落实教学要求。
一、观察法
观察法是生物学的基本研究方法之一，“观察、观察、再观察”曾作为巴甫洛夫的座右铭写在他实验室的墙壁上。观察法是指人们在自然发生的条件下，通过感官或借助于仪器，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。观察法在高中生物教材中常常与显微镜的使用结合起来，考查使用光学显微镜观察细胞的结构或者细胞的生命活动。具体内容包括：
必修一教材中主要有：
1．使用高倍显微镜观察几种细胞
2．制作临时切片，检测和观察植物组织中的脂肪
3．观察细胞中DNA、RNA的分布
4．用高倍显微镜观察叶绿体、线粒体
5．观察根尖分生组织细胞的有丝分裂
必修二教材中主要有：
1．观察蝗虫精母细胞减数分裂固定装片
2．低温诱导植物染色体数目的变化
必修三教材中主要有：
1．使用血细胞计数板观察统计酵母菌数量
2．在进行土壤小动物类群丰富度的研究中使用实体镜观察小动物
二、实验法
生物学的实验是指根据一定的研究目的，在人为控制或干预研究对象的条件下进行的观察与研究，一般分为验证性实验和探究性实验两类。其中的探究性实验是主要内容，也是重要的考点之一。
探究性实验的三个原则：1、单一变量原则。特殊处理：实验组。特殊是相对的。比如有光是正常的，遮光则是特殊处理。一般处理：对照组。一般处理可以是不作任何处理，或者是等量清水或生理盐水处理，或者是与对照相同的溶剂但不加溶质的处理。2、单一变量原则。自变量：实验中人为改变的变量，一般是唯一的。因变量：实验中，随自变量变化而变化的变量，通常是指实验结果的观察或测量指标。无关变量：也称控制变量，在实验中，除自变量以外的也可影响因变量的因素或条件。不研究物质的量时，物质的量要等量且适量；不研究某种条件时，相关条件要相同且适宜。
必修一中的探究实验主要有：
1．植物细胞的吸水和失水
2．比较过氧化氢在不同条件下的分解
3．影响酶活性的条件
4．探究酵母菌细胞呼吸的方式
5．环境因素对光合作用强度的影响
6．细胞大小与物质运输的关系
必修三中的探究实验主要有：
1. 生物体维持pH稳定的机制
2. 生长素的发现过程（植物向光性实验）
3. 探索生长素类似物促进插条生根的最适浓度
4. 培养液中酵母菌种群数量的变化
5. 土壤微生物的分解作用
实验技术在生物科学中有着极其重要的作用，教材中涉及到的重要实验技术：
1、同位素标记示踪法：必修一的“分泌蛋白的合成和运输”、“光合作用释放的氧气来自水”、“卡尔文循环”，必修二的“T2噬菌体侵染大肠杆菌实验”、“DNA的半保留复制”等。
2、荧光染料标记法：必修一的“细胞膜的流动性”、必修二中“基因定位在染色体上”等。
3、染色观察法。
(1)、斐林试剂检测可溶性还原糖
原理：还原糖+斐林试剂→砖红色沉淀
注意：斐林试剂的甲液和乙液要等量混合均匀后方可使用，而且是现用现配，条件需要水浴加热。
应用：检验和检测某糖是否为还原糖;不同生物组织中含糖量高低的测定;在医学上进行疾病的诊断，如糖尿病、肾炎。
(2)、苏丹Ⅲ、苏丹Ⅳ检测脂肪
原理：苏丹Ⅲ+脂肪→橘黄色;苏丹Ⅳ+脂肪→红色
注意：脂肪的鉴定需要用显微镜观察。
应用：检测食品中营养成分是否含有脂肪。
(3)、双缩脲试剂检测蛋白质
原理：蛋白质+双缩脲试剂→紫色
注意：双缩脲试剂在使用时，先加A液再加B液，反应条件为常温(不需要加热)。
应用：鉴定某些消化液中含有蛋白质;用于劣质奶粉的鉴定。
(4)、碘液检测淀粉
原理：淀粉+碘液→蓝色
注意：这里的碘是单质碘，而不是离子碘。
应用：检测食品中营养成分是否含有淀粉
(5)、DNA的染色与鉴定
染色原理：DNA+甲基绿→绿色
应用：可以显示DNA在细胞中的分布。
鉴定原理：DNA+二苯胺→蓝色
应用：用于DNA粗提取实验的鉴定试剂。
(6)、吡罗红使RNA呈现红色
原理：RNA+吡罗红→红色
应用：可以显示RNA在细胞中的分布。
注意：在观察DNA和RNA在细胞中的分布时用的是甲基绿和吡罗红混合染色剂，而不是单独染色。
(7)、线粒体的染色
原理：健那绿染液是专一性染线粒体的活细胞染料，可以使活细胞中的线粒体呈现蓝绿色，而细胞质接近无色。
应用：可以用高倍镜观察细胞中线粒体的存在。
(8)、酒精的检测
原理：橙色的重铬酸钾溶液在酸性条件下与酒精发生化学反应，变成灰绿色。
应用：探究酵母菌细胞呼吸的方式;制作果酒时检验是否产生了酒精;检查司机是否酒后驾驶。
(9)、CO2的检测
原理：CO2可以使澄清的石灰水变混浊，也可使溴麝香草酚蓝水溶液由蓝变绿在变黄。
应用：根据石灰水混浊程度或溴麝香草酚蓝水溶液变黄的时间长短，可以检测酵母菌培养液中CO2的产生情况。
(10)、染色体(或染色质)的染色
原理：染色体容易被碱性染料(如龙胆紫溶液或醋酸洋红溶液)染成深色。
应用：用高倍镜观察细胞的有丝分裂。
    4、差速离心法：必修一中分离各种细胞器。
    5、样方法：必修三中调查种群密度。
    6、标志重捕法：必修三中调查种群密度。
    7、取样器取样法：必修三中调查群落的丰富度。
三、模型法
模型是人们为了某种特定目的而对认识对象所作的一种简化的概括性的描述。这种描述可以是定性的，也可以是定量的；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。模型的形式很多，包括物理模型、概念模型和数学模型等。
物理模型：以实物或图画形式直观地表达认识对象的特征，这种模型就是物理模型。必修一中的“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”、必修二中的“减数分裂中染色体变化的模型”、“DNA的双螺旋结构模型”。
概念模型：用文字、符号等组成的流程图形式对事物的生命活动规律和机理进行描述和阐明的模型，概念图是最常见的一种概念模型。必修二中的“达尔文自然选择学说解释模型”、必修三中的“人体细胞与外界环境的物质交换模型”、“血糖调节模型”、“体温调节模型”、“水盐调节模型”、“免疫调节模型”、“生态系统的结构模型”等。
数学模型：是用来描述一个系统或它的性质的数学形成，表达方式一般有曲线图、数学公式。例如必修三中的“种群数量增长的数学模型”。
四、调查法
调查法是生物学研究常用的方法之一。为了达到设想的目的，制定某一计划全面或比较全面地收集研究对象的某一方面情况的各种材料，并作出分析、综合，得到某一结论的研究方法，就是调查法。调查时要明确调查目的和调查对象，制定合理的调查方案，如实记录，对结果进行整理和分析，有时还要用数学方法进行统计。教材中涉及到的内容主要有：
必修一中资料搜集和分析：
1.  干细胞研究进展与人类健康
2.  社会老龄化的相关问题
必修二中的：
1.  调查人群中的遗传病
2.  人类基因组计划及其影响
3.  通过基因诊断来监测遗传病
必修三中的：
1.  体温的日变化规律
2.  土壤中小动物类群丰富度的研究
3.  调查当地农田生态系统中的能量流动情况
4.  用样方法调查植物的种群密度
5.  人口增长过快对生态环境的影响
五、模拟法
在生物学研究中，有时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，通过对替代物的实验来获取经验性材料，这种方法称为模拟法。必修一中的用琼脂块模拟研究细胞大小与物质运输的关系、必修二中的用小球进行性状分离比的模拟等。
六、假说—演绎法
假说——演绎法是现代科学研究中常用的一种科学方法，是指在观察和分析基础上提出问题以后，通过推理和想象提出解释问题的假说，根据假说进行演绎推理，再通过实验检验演绎推理的结论。如果实验结果与预期结论相符，就证明假说是正确的，反之，则说明假说是错误的。必修二中孟德尔的豌豆杂交实验、摩尔根的基因在染色体上的实验都是假说—演绎法的运用。假说—演绎法也是高考中遗传部分的核心内容，值得深入研究。
七、类比推理
类比推理是指根据两个研究对象的相同或相似方面来推断它们在其他方面一致性的一种思维方法和推理形式。与归纳和演绎不同的是，类比是从特殊到特殊、从一般到一般的推理。类比推理得出的结论并不具有逻辑的必然性，其正确与否，还需要观察和实验的检验。例如必修二中的萨顿基因在染色体上的假说。
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