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生物学新课程实验教学改革和实践研究国外中学生物学实验设计思路与方法的个案分析,生命科学学院,陈铭德,实验个案1:一个探究科学研究方法的实验操练,实验一:,AmericanBiologyTeacher，2003.65（5）生物学教学2006年第5期,一、实验背景,普通高中生物课程标准所确立的课程基本理念之一是倡导探究性学习：力图促进学生学习方式的改变，引导学生主动参与探究过程、勤于动手和动脑，逐步培养学生搜集和处理科学信息的能力,二、实验设计原理,教师提出问题学生提出假设引导学生朝着教师预先设计的方向提出实验程序预测可能结果学生进行实验，获得实验结果，得出结论学生提出新的问题来检验已得出的结论，有时还需进一步做实验。,三、实验方法,1、提出问题与假说问题一：人在吃辛辣食物时，身体会有什么反应？吃辛辣食物容易出汗问题一继续：吃辛辣食物时人为什么会出汗呢？出汗是体温升高的一个反应，由此得到的关联是吃辛辣食物容易使体温升高。问题二：对于同样一种出汗现象，能否给出其它的解释？人在心理紧张或是压力大的情况下，虽然体温没有升高，但也会出现出汗现象。,出汗现象归纳为两种可能解释，进而形成两种假说：温度假说：吃辣出汗是因为辣的物质在体内会使体温上升。压力假说：出汗是因为吃辣引起的压力反应。,2、实验过程的设计控制组的设置全班学生随机分配成同等人数的两组：控制组吃没涂辣酱的面包实验组吃涂了辣酱的面包两组学生在同样的时间内吃下同等量的面包。除辣椒酱因子以外，无关因子对控制组和实验组的影响均是相等的。,体温测量与现象观察测量部位：从方法学角度拟测量腋下的温度。第一次体温测量应该在进食之前，作为实验前的基准体温；第二次体温测量开始于进食之后。总记录的时程控制在10-15分钟，每2-3分钟做一次记录。此外，需要记录的还有参与者是否出汗，如果是，多久开始出汗。,表1：数据收集表,实验组（面包有辣酱）或控制组（面包无辣酱）实验组=_或控制组=_起始体温_起始时间0分钟_1分钟_2分钟_3分钟_4分钟_5分钟_6分钟_7分钟_8分钟_9分钟_10分钟_开始流汗的时间_体温最大变化值（最高体温起始体温）_,3、结果分析制作数据分析表，列出两个组中每个学生的最大体温变化值。然后计算出平均值和标准差，用这张表提供的数值计算T值和P值。,表2数据分析表,T=_P=_,根据表2体温平均值绘制一张曲线图，其中包括有标准差。两组得到的数据都用t-检验进行分析（图-1），进而通过作图训练学生利用数学方法处理数据的能力。,1.0-0.9-温0.8-度0.7-的0.6-平0.5-均0.4-变0.3-化0.2-0.1-（）0控制组实验组图1：实验数据用作图方式表示,四、实验后学生探讨的问题,为什么选择吃没涂辣酱的面包，而不是选择不吃任何东西作为控制组？为什么取自腋窝，而不是取自口腔的体温值更可靠？为什么要把吃东西前后的体温值都记录下来，而不是只记录吃了以后的数值？你支持哪个假说？它已经被证明是正确了吗？为什么被证明是正确的，或者为什么没被证明是正确的？你想到了实验存在缺陷吗（如：无控的变量）？如果是，缺陷有哪些？实验结果是否让你想到了一些其它的问题？如果是，有哪些问题呢?除了上述验证的假说，通过实验结果你还能想到其它的假说吗？如果有，它的具体内容是什么？,实验个案2：探究细菌群体快速自然选择的实验研究方法,生物学通报2012年第4期,FutureMicrobiology2007.2-3,一、实验背景,达尔文进化学说认为，生物与环境之间存在斗争。在斗争中，那些具有最适应环境的个体有较大的生存机会并产生可遗传的变异，通过繁殖后代从而使有利变异逐代积累，而不适者淘汰，适者生存不适者被淘汰的过程就是自然选择。现有的国内六种版本生物教材中，都有相关自然选择的知识点，但并没有相关自然选择的拓展实验。本实验材料和方法简单，实验的时间短，结果明显,有助于学生进一步理解自然选择这一概念。,二、实验设计原理,本实验以盐含量梯度来模仿自然环境中大肠杆菌生存条件。在盐含量梯度下培养的菌种，随着盐浓度的提高，少量的大肠杆菌在高盐环境下能生存，大部分大肠杆菌在高盐环境下不能生长。原先在低盐环境下生长的菌群在重新接种到盐含量梯度的平板后，仍不能在高盐环境下生长，而原先在高盐环境下少量生长的菌群可以在高盐环境下大量生长，说明该菌群在环境的压力下产生了对盐的耐受性，同时说明自然选择适应是一个逐渐，积累，循序渐进的过程。在生物界不同种群发生逐渐积累的自然选择和适应过程中，不同的种群世代繁殖的时间不同，而细菌能在若干分钟内一代接着一代快速繁殖，使得在较短周期就能观察到大肠杆菌通过自然选择适应新环境的实验结果。,三、实验方法,1、制备含有盐含量梯度的培养基平板A：将培养皿的一端架在圆形木条（直径5mm）上，倒入7.5ml浓度为10%含盐营养琼脂培养基，制备高度为5mm的琼脂培养基斜面。待其凝固后，移去木块，将培养皿置于一水平面上，再加入7.5ml标准营养琼脂培养基，凝固后即形成一个全皿含有盐含量梯度的水平培养基，平板标号设为A。,平板B：取另一培养皿平放在台面上，倒入15ml浓度为10%含盐营养琼脂培养基，制备成厚度为5mm全皿含盐量均等培养基，该平板标号设为B。平板C：用不含盐的标准营养琼脂培养基制备成平板C。,2、接种与培养（1）将大肠杆菌接种到装有新鲜肉汤250ml的锥形瓶里，在温度设置为29的恒温培养箱内培养12个小时，使其大量繁殖。,（2）平板A内接种正常培养的大肠杆菌，按盐含量梯度低至高方向连续点状接种，29培养12个小时候结果如下图。,菌落密度从右到左越来越小：在盐含量越高一边，大肠杆菌群落密度越低，说明有只有少量的大肠杆菌在高盐环境下生存，大部分大肠杆菌在高盐环境下不能生长。,（3）挑取平板A含盐量高区域的菌落，接种到平板B右边；挑取平板A含盐量低区域的菌落接种到同一个平板B左边，培养。,平板B：图左边在低盐环境下生长的大肠杆菌在高盐环境下不能生长，而图右边原本在高盐环境少量生长的大肠杆菌能在高盐环境下大量生长，说明大肠杆菌适应了有盐的环境。,平板B,平板A,（4）对照实验，挑取任意一个菌落的大肠杆菌，以同样的画线方法接种到平板C中，培养。,平板C：从平板A中挑取任意一个菌落大肠杆菌，接种到不含盐的平板C中，大肠杆菌均能正常生长。,四、本实验方法的拓展应用研究,1、用不同平板制备一定pH值培养基，平板之间构成PH值梯度。选用大肠杆菌作为菌种，通过实验观察大肠杆菌在不同PH值环境下的生长和进化情况。2、选用不同种类的细菌，把温度设计成可控制变量，通过观察不同细菌的生长情况，得出温度变化对细菌进化的影响。3、采用拓展1同样的研究思路，把PH值改为青霉素，观察大肠杆菌在不同青霉素浓度环境下的生长和进化情况，基于实验结果可对细菌的抗药性产生过程有更深一步的理解。,实验个案3模拟自然选择条件下黑腹果蝇基因频率变化的实验研究方法,TheAmericanBiologyTeacher.2010，72(1）,生物学通报2011年第10期,一、实验背景,现行版中学生物学教材关于微进化类的实验几乎空白。(种内进化(microevolution),是由突变,遗传漂变,基因流和自然选择导致的等位基因频率的改变)。究其原因，主要是“易观察”到的基因，比如控制体色的基因，虽然易观察，但其基因频率的变化十分缓慢，也就是自然选择作用很弱。另一方面，基因频率变化较快的，也就是自然选择作用强烈的基因又“不易观察”，如一些控制不孕的基因，在表现型上很难被观察。而教学上的理想微进化实验是要在一定时间内能看到基因频率的变化。,二、实验设计原理,本实验引入“条件突变”，即在通常条件下该基因不致死；而在特定条件下该基因致死。本实验选择的基因是黑腹果蝇控制翅型的一对等位基因，野生型的黑腹果蝇为长翅，而突变型的为残翅或者无翅。创造特定实验条件，使控制翅型的这一原本“易观察”基因变为自然选择作用强烈的致死基因，即能在较短时间内看到基因频率的变化。在通常的条件下，突变型的黑腹果蝇并不致死，因为通过爬行也可以获得食物。本实验的特定实验条件就是将果蝇的食物悬挂起来，突变型的果蝇就会因无法获取食物而被环境所筛选致死，即残翅或无翅基因就成为致死突变。这样，“易观察”的基因同时就成为致死基因，从而模拟了不利的自然条件，达到加快基因频率变化的目的。,三、实验方法,1、黑腹果蝇基因为了在模拟自然选择的条件下探究与自然选择无关的基因是否被选择，除了黑腹果蝇控制翅型的一对等位基因外，本实验设计还选择了控制体色的基因。,2、配制果蝇培养基3、模拟自然选择A组：将A组的400只果蝇均分成四组，装在锥形瓶中分别放入四个培养箱。B组：将B组的400只果蝇均分成四组，装在锥形瓶中分别放入四个培养箱。A组和B组为平行实验。在每个培养箱的盖子处悬挂一个装有培养基的食物瓶，在绳子和盖子周围涂上润滑硅脂，防止无翅和残翅的果蝇爬上来接触到食物。,装食物的悬挂瓶子,饲养果蝇的瓶子,4、统计数量当亲代果蝇产卵后，将卵移到新培养箱里。待卵孵化后，让其自然进行生活史过程，至第一代果蝇产卵后，将第一代果蝇麻醉（或放入冰箱十分钟）后，随机取出400只，作为样本，统计各种表现型的数量，包括野生型，残翅黑体果蝇，长翅黑檀体果蝇，残翅黑檀体果蝇，计算基因频率。5、连续培养待第一代果蝇的卵自然进行生命史过程后，统计其表型，即第二代果蝇的表型。依次类推，直至第七代。每一代一共得到4组基因频率的数值，取4组基因频率数值的平均值作为这一代的基因频率数值，作出七代基因频率数值变化的折线图。,图-1残翅（vg）基因频率变化,图-2无翅（ap）基因频率变化,图-3黑檀体基因（e）的频率变化,图-4黑体基因（se）的频率变化,实验个案4：植物向地性的细胞学实验研究方法,JournalofBiologicalEducation,2006,(1),一、实验背景,教材内容：植物的向地性,二、实验设计原理,向地性感受器（重力传感器）平衡石硫酸钡平衡石淀粉粒,植物的向性运动一般包括三个基本环节,刺激感受(perception):植物体的感受器接收环境中单方向的刺激；信号转导(transduction):感受细胞把环境刺激转化成物理或化学的信号；运动反应(motorresponse)：生长器官接收信号后，发生不均等生长，表现出向性运动。所有的向性运动都是生长运动，都是由于生长器官不均等生长所引起的。,l个造粉体细胞含有1020个直径为410um的淀粉粒。植物体内的平衡石分布因器官而异：根部的平衡石在根冠中；茎部的平衡石分布在维管束周围的12层细胞（淀粉鞘）。,二、实验方法,1、取材新鲜的蒲公英植株或其他具维管束的植株。,2、制片沿茎一侧纵切35mm长薄片数片。挑选2片最薄切片于载玻片两侧，其中一切片滴以碘液（对照片），另一切片滴以清水（实验片），均覆上盖玻片。,3、镜检先镜检对照片，熟悉平衡石在细胞内的分布、大小、形状等特征。继后镜检实验片，找到维管束内层细胞，用指针定位淀粉粒。,4、观察将显微镜倒置。定时观察指针与淀粉粒的位移情况，至淀粉粒全部沉积于细胞另一侧。显微镜复原，用碘液检测淀粉粒。,实验个案5：模拟细胞膜对气体分子通透的实验研究方法,ASourcebookfortheBiologicalSciences(SecondEdition),一、实验背景,教材内容：细胞膜与气体分子的扩散,二、实验设计原理,NH4OH（氨水）是一种挥发性碱性溶液，酚酞溶液是一种酸碱指示剂，两者相遇可产生显色反应。当两种溶液之间放置一选择透过性膜时，挥发性气体分子在膜两侧就存在浓度差。氨（NH3）经膜扩散到酚酞溶液中，产生樱桃红色的显色反应，籍此来模拟细胞对气体分子的通透性。,三、实验装置,效果,本实验所用的选择透过性膜制备方法,火棉胶薄膜制备,火棉胶(溶液)英文名称:Collodion(Solution)别名:胶棉深、硝化棉溶液、硝化纤维素、火粘胶,（1）火棉胶物理特性与空气隔绝：液体状置于空气中：凝胶状,（2）片状胶膜制备干净培养皿，倒入适量胶棉液，缓缓四周倾斜培养皿，使皿底存留一薄层胶棉液，弃去多余胶棉液，置于空气中干燥。剥离薄膜，浸于清水中备用。,（3）透析袋制备,（4）透析袋拓展应用,实验个案6：探究阳光杀菌作用的实验研究方法,TheAmericanbiologyteacher，2011，73(9),一、实验背景,人教版生物必修1分子与细胞第6章“细胞的癌变”一节介绍了引起细胞癌变的致癌因子，有物理致癌因子、化学致癌因子、病毒致癌因子。其中紫外线属于物理致癌因子。人教版教材“细胞的癌变”这节的问题探讨提及：阳光中到达地面的紫外线会伤及细胞的遗传物质，严重时会导致皮肤癌，而随着大气臭氧层被破坏，皮肤癌患者明显增多。本实验主要是利用阳光以及生活用品防紫外线的太阳镜镜片，通过对照实验来探究阳光的杀菌作用，让学生深刻理解过度的日光浴会伤及皮肤的原理，从而倡导健康的生活方式。,二、实验设计原理,阳光具有杀菌作用是因为阳光中的紫外线能使微生物诱变，其主要致死原因是胸腺嘧啶的光化学转变，使得DNA链上相邻的胸腺嘧啶结合形成二聚体，阻碍了DNA的正常复制；此外细胞在紫外线辐射下还会产生不稳定的活性氧与自由基，二者会使DNA生成氧化性碱基修饰物8-OH-dG（8-羟基脱氧鸟苷），从而诱发碱基突变以致细胞癌变死亡。,三、实验方法,1、配置营养琼脂培养基2、培养实验菌种：大肠杆菌或枯草杆菌3、倒平板；制备菌悬液；接种,4、太阳光抑菌活性实验,因玻璃器皿会反射一些紫外线，需用无菌保鲜膜包裹培养皿。培养皿设五组为实验组，设一个对照组。五组培养皿直接暴露在室外阳光下，分别照射1h、1.25h、1.5h、1.75h、2h。每处理完一组实验，在酒精灯附近，快速取下每皿的保鲜膜并盖回培养皿盖，倒置于37恒温培养箱中培养24h，观察不同时间阳光照射后细菌的生长情况。,5、不同太阳镜镜片挡紫外线效应的实验,涂布8个培养皿分四组，每组2个培养皿做平行实验：将四组培养皿去盖,用无菌保鲜膜包裹，从第1至4的顺序分别盖上不同太阳镜镜片后在室外阳光下暴露2h。阳光照射处理完之后覆上培养皿盖，倒置于37恒温培养箱中培养24h。,四、实验结果,不同时间日光照射对大肠杆菌生长状况的影响,不同太阳镜镜片防紫外线效果,实验个案7：大蒜提取液抑菌活性的实验研究方法,TheAmericanbiologyteacher.2011，73(6),生物学教学2012年第5期,一、实验背景,本实验采用的蜡状芽孢杆菌（Bacilluscereus）是常见的食品污染菌,其产生的毒素主要通过腹泻和呕吐两种方式引起起食物中毒。由于该菌广泛存在于土壤、空气、水和尘埃中，由蜡状芽胞杆菌引起的食物中毒事件在我国各省均有报道,学生食堂便是一个突出的中毒场所。本实验目的不仅在于对人教版高中课程选修一教材里的专题2微生物的培养与应用作一拓展，同时通过对大蒜提取液抑制蜡状芽孢杆菌生长的探究实验，使学生了解天然抗生素和抗菌活性物质、常见致病菌种类、预防疾病方法等知识。,二、实验设计原理,大蒜主要抑菌活性成分的总称大蒜素，它抗菌谱广。其抑菌机理是大蒜素中的主要活性物质二硫醚和三硫醚能够透过病菌细胞膜进入细胞质中，将含巯基的酶氧化为双硫键，不可逆的抑制巯基蛋白酶的活性，从而抑制细胞分裂、破坏细菌代谢，使细菌无法正常繁殖和生长。本实验通过研磨过滤的方法获得大蒜提取液，利用提取液中的大蒜素具有抑菌作用的特点，在涂布了蜡状芽胞杆菌的培养基上分别滴加等量的大蒜提取液和无菌水，通过观察滴有大蒜提取液的周围会形成一个透明圈，来证明大蒜提取液具有抑菌效果。,三、实验方法,1、肉汤琼脂培养基的配制2、蜡状芽孢杆菌悬浮液制备和接种3、大蒜素的提取将34个中等蒜瓣（约5克）去皮并用无菌蒸馏水冲洗干净。用无菌研钵碾碎大蒜，并以1:1的比例加入等量无菌蒸馏水进行稀释，然后在无菌的注射器内侧套上无菌纱布，利用该装置将稀释后的大蒜提取液过滤到无菌试管中，盖好试管塞。该提取物在4以下至少可存储3个月。,4、抑菌活性测定将皿内培养基均分两侧，分别在两侧中央滴上一滴（约20L）大蒜提取液和等量的无菌蒸馏水，待液滴被培养基充分吸收后，将培养皿在室温下倒置培养24小时（或37下倒置培养12小时）。,四、实验结果,大蒜提取液对蜡状芽孢杆菌（Bacilluscereus）的抑菌效果,五、本方法技术的拓展应用,寻找多种天然抗生素：除了大蒜以外，日常食用的一些植物如鱼腥草、生姜、马齿苋、蒜苗等也具有抑菌作用，适当食用这些植物能起到一定的防病、治病的功效。另外，一些天然的中草药也具有广谱抗菌作用，像蒲公英、金银花、黄连、野菊花、连翘、艾叶、芦荟等。通过研究大蒜的抗菌活性，有助于学生形成抗生素的概念，激发他们的好奇心，激励他们进一步提出实验设计方案，以寻找不同的天然抗生素。,实验个案8:探究常食蔬菜上抗生素抗性细菌的实验方法,TheAmericanBiologyTeacher.2004.66(10),教师教育技能实训指导手册-生物卷华东师范大学出版社，2010年6月,一、实验背景,人教版高中教科书生物科学与社会第一章第一节安排了抗生素合理使用内容。抗生素的使用，增强了人类治疗传染性疾病的能力，也增强了病菌的抗药性。现在不仅是治疗滥用抗生素，种植蔬菜所使用的肥料、农药里面也大量含有抗生素成分，家畜饲养的饲料里也靠添加抗生素来预防家畜生病。虽然抗生素在高温的时候会分解，但对于那些生吃的蔬菜，抗生素会被吸收进入人体体内，导致人体内抗生素的积累和耐药性细菌的增加。本实验通过探究常食蔬菜上是否含有抗生素抗性细菌以及所含抗生素抗性细菌的比例，来探究社会对抗生素的滥用是否已经影响到人类自身的健康生活，使学生从身边事情中学习生物学知识，关注社会与人类健康。,二、实验设计原理,一些常食用的蔬菜，尤其是可以生吃的蔬菜上面有多少细菌？其中又有多少是抗生素抗性细菌？食用这些蔬菜会对人类健康造成多大的威胁？针对这些问题，可以设计如下探究实验：将蔬菜置于无菌水中获得蔬菜表面的细菌，再用普通培养基和含卡那霉素的选择性培养基进行培养，计数并分析上述问题的结果。,三、提出假设,如果在普通培养基上能长出菌落，而含卡那霉素的选择培养基上不能长出菌落，则说明常食蔬菜上的细菌没有卡那霉素抗性。如果两种培养基上均能长出菌落，而且数量相当，则说明有卡那霉素抗性的细菌比例较高。,四、实验方法,1、实验材料选择：生菜、西红柿、胡萝卜、黄瓜。每种材料取一小块，切成5cm5cm1cm的小块。2、实验材料处理：将切好的蔬菜块分别放入标记为100的试管中，用消毒过的移液管移取10ml无菌水至试管中，摇匀。移取1ml此试管中的液体至标记为10-1试管中，加入9ml无菌水。依次类推，至标记为10-4的试管。,5、计数计数培养皿上的菌落数目，此为0.1ml中细菌的数目，乘以100，为10ml液体中细菌的数目，再乘以相应的稀释倍数，即10-1标记的应乘以10，10-2标记的应乘以102。以此类推，计算所得数目为原液中细菌的数量。6、作图以5个琼脂培养皿中细菌数目的平均值和5个含卡那霉素琼脂培养皿中细菌数目的平均值作比较，并计算抗性细菌所占的比例。最终绘制条形图。根据实验结果，讨论哪些蔬菜上细菌数量较多，哪些蔬菜上抗性细菌比例较多。试着分析这种结果的原因。,实验个案9：用珍珠洋葱探究植物生理知识的组合实验研究方法,ScienceActivities,2009(2),生物学通报2010年11期,一、实验背景,组合实验特点是突出实验的综合性，即采用不同实验装置，以期在一定时间内取得综合性的实验效果。在中学生物教学上，组合实验能够充分发挥实验材料的效用，能在不同知识点上向学生阐明生物原理和实验方法，验证生物书本上的实验结论和理论。同时，中学生物学实验可引入化学中的微型实验理念（即突出实验的简约原则，采用简单的实验装置，以较少的实验药品，在较短的时间内取得较明显的实验效果），有利于课堂演示实验的推广，发挥学生探究性学习的主动性。洋葱和大蒜同为百合科植物，是中学生物学实验常用材料、廉价且易栽培的植物，是微型实验的好材料。,二、探究问题,本实验设计了以下7个探究问题，既含有植物生长的普遍性知识，又含有无性繁殖的知识，基本囊括了高中阶段所要求掌握的有关植物生理的知识点。问题1：洋葱可以进行无性繁殖，如果仅用蒸馏水培养，可以使其生根发芽吗？如果可以，大约能维持生长多久？问题2：洋葱的每个部分都可以无性繁殖出新的器官吗？如果不是，哪部分可以，哪部分不可以？哪个器官的生长是畸形的？,问题3：在洋葱无性繁殖的过程中，其根和芽的生长是否有区别，是先生根还是先发芽？是根扎得深一些还是芽长得高一些？问题4：洋葱植株其根和叶的生长方向受光照的影响吗？问题5：洋葱植株其根和叶的生长方向受重力的影响吗？问题6：洋葱植株在光下和暗处的生长状况有区别吗？如果有，区别是什么？问题7：洋葱植株可以在密闭的环境中生长吗？如果可以，生长状况如何？,三、组合实验方法,1、洋葱的固定用刀切割一块塑料泡沫，使其大小能够基本覆盖杯底，并用502胶水将其与杯底粘牢；取3根牙签插入洋葱底部茎盘的浅层，使其能够以一定的高度竖直地固定在塑料泡沫上。依照此法准备若干个固定好的洋葱备用。2、光下的生长取固定好的洋葱，向杯中倒入蒸馏水至刚好没过茎盘，置于窗台或光源下培养观察。早晚各换一次水，水量应保证茎盘一直浸没水中，下同。3、暗处的生长准备同上，然后置于避光处培养观察。,4、向光性生长取一纸箱罩住水培洋葱，在纸箱的一侧开一个小孔，在小孔外给予光照培养观察。5、向重力性生长取3根牙签微微插入洋葱头的一侧（非茎盘），使其能够以一定的高度水平地固定在塑料泡沫上。向杯中加水至没过茎盘，然后置于窗台或光源下培养观察。6、密闭中生长取固定好的洋葱，倒扣一只空杯，用透明胶将两杯接缝处密封，然后置于窗台或光源下培养观察。,7、艺术性生长将洋葱照下图所示切成若干块，用牙签将葱头块分别固定在杯中，加水至触及葱头块，然后置于窗台或光源下培养观察。,实验个案10:探究香烟浸出液诱导微生物基因突变的实验方法,TheAmericanBiologyTeacher,2004,66(5),生物学教学2006年11期,一、实验背景,在人教版初中第七册下册第三章“人体的呼吸”第三节“空气质量与健康”中，提及香烟对人体的危害。在人教版高中遗传与进化第5章“基因突变及其他变异”中详细讲解了基因突变的知识。本文通过肉眼观察香烟对粘质沙雷氏菌引起的突变影响，从基因层面直观说明香烟的危害。,二、实验设计原理,粘质沙雷氏菌（Serratiamarcescens）在正常情况下生长的是红色菌落；当有外界因素引发粘质沙雷氏菌发生突变时，菌落变成白色。将粘质沙雷氏菌用不同稀释度的烟草浸出液培养，观察菌落的红色白色菌落数的变化。通过菌落的颜色变化，直观的反映出香烟引起的突变现象。,三、提出假设,假设一：香烟浸出液处理粘质沙雷氏菌，菌落颜色会由红色变为白色。假设二：香烟浸出液浓度越大，菌落的红色白色菌落数越小。,四、实验方法,1、制备培养基LB液体培养基：LB固体培养基2、制备单菌落将粘质沙雷氏菌（Serratiamarcescens）划线接种（Z字型），制备单菌落平板。,3、制备香烟浸出液撕去香烟外面的包装纸，将烟丝放在盛有200mL蒸馏水的烧杯中，加热（注意不要煮沸）大约10-15min，同时用玻璃棒不断搅拌。用滤纸或纱布过滤香烟浸出液，滤液倒入瓶中保存。,4、制备香烟浸出液的稀释梯度,5、制备渗有香烟溶液的LB培养基按下法将香烟溶液渗入LB培养基:将接种环弯曲成L形、加热接种环接种环将0.1mL稀释溶液在培养基表面均匀地铺平香烟溶液渗入琼脂培养基，大约2030min,6、制备菌液：在标记为“细菌”小管中准备5mLLB液体培养基，用接种环从单菌落培养皿中挑取少量的粘质沙雷氏菌至该小管，轻微振荡试管5min，混匀。7、培养粘质沙雷氏菌：在香烟溶液渗入培养基后，在酒精灯火焰附近用接种环从标记为“细菌”小管菌液中蘸取菌液，在5个标记的培养皿中以Z字形连续划线。最后在室温（28）培养2428h。8、数据收集与分析：细菌培养之后，计数典型菌落：平板上有特征性菌落（即白色菌落）。,对数据的分析：用每个小组的原始数据或者每种稀释溶液的班级平均数，通过统计分析香烟稀释梯度与白色菌落数的关系，得到剂量反应关系。,实验个案11、应用果皮提取液探究紫外线诱变原理的实验方法,JournalofBiologicalEducation,2007,42(1),生物学通报2009.12,一、实验背景,高中生物教材在处理“细胞的癌变”这节内容时，以紫外线过度辐射可导致皮肤癌作为“问题探讨”专栏来引入教学。由于教材的这一设置，学生自然会问“为什么紫外线过度辐射会导致皮肤癌呢？”本实验通过观察富含抗氧化剂的果皮提取液对暴露于紫外线下大肠杆菌的保护作用，证实了紫外线的诱变原理。,二、基于实验原理提出假设,紫外线辐射可使细胞产生活性氧和自由基，二者极不稳定，易发生一系列的氧化连锁反应，反应产物氧化性碱基修饰物8-OH-dG可导致基因突变甚至癌变。文献表明：果皮提取液中含有可阻止氧化连锁反应的抗氧化剂。据此假设：果皮提取液可保护细胞避免紫外线导致的损伤，暴露于紫外线下的细胞将表现出高存活率。,1、制备LB培养基2、制备果皮提取液分别制备柚子和葡萄的果皮提取液。称取5g果皮于研钵中，加入5mL50%的乙醇，充分研磨后转至离心管中离心（5000rpm，10min），取上清液灭菌后于4下保存备用。3、培养大肠杆菌将大肠杆菌接种到5mLLB液体培养基中，37下过夜培养。第二天，将该培养基离心，再将离心后所得细胞沉淀用5mL无菌的10mMNaCl溶液重新溶解使之悬浮。,4、系列稀释将已灭菌的分别盛有0.9mL10mMNaCl溶液的5支试管按101105依次编号：先用移液管吸取0.1mL培养的菌液，注入101倍稀释的试管中，充分混匀；再从101倍稀释的试管中吸取0.1mL稀释液，注入102倍稀释的试管中，充分混匀；依次类推，直到完成最后一支试管的稀释。,5、涂布平板6块平板(af)按下表配方分别涂布：,6、紫外线照射单将（b）（d）（f）3块平板置于紫外灯正下方10cm处，照射3min后立即用铝箔纸包住平板，防止光复活作用。7、所有平板于37下过夜培养。,四、实验结果,如图所示：未添加果皮提取液的平板经紫外线照射后（b）较之于未经照射的平板（a）已几乎无菌落存活，说明紫外线对细胞具有伤害作用；而添加果皮提取液的平板（cf），辐射与否菌落数目差别不大（d与c、f与e），存活率较高，说明果皮提取液对细胞起到了一定的保护作用，可较大程度地避免紫外线的伤害作用。,五、选材思考,1、本实验之所以选择大肠杆菌，是由于其对紫外线的易感性和其二分裂生殖的高繁殖率，能够使实验在短时间内观察到结果。2、本实验之所以选择柚子和葡萄这两种水果，是因为二者果皮没有抑制大肠杆菌生长的抗菌作用。学生可从选择实验材料的这两个缘由切入，探讨实验设计的技巧性与严谨性。,实验个案12：猪肝细胞DNA复合物粗提取的实验研究方法,TheAmericanBiologyTeacher,Volume55,No.2,February1993,一、实验背景,教材内容：从生物细胞中提取DNA-蛋白质复合物,二、实验设计原理,十二烷基磺酸钠（sodiumdodecylsulfate，SDS）具有溶脂效应。本实验借用化学滴定导致指示剂发生颜色变化从而确定滴定终点的原理，将SDS溶液逐步分量滴入猪肝细胞悬浮液中，以镜检肝细胞的细胞膜和核膜形态结构是否完整作为溶脂的标准。用酒精提取DNA-蛋白质复合物；用二苯胺试剂或美蓝试剂予以定性。,经分光光度计则定,用本法所提取的核蛋白中约含有89.5ugDNA/ml。,三、实验方法,1、肝细胞膜结构的溶解切取1cm2cm大小猪肝置于研钵内，剪碎。研磨肝组织至匀浆，加入10ml0.9%NaCL溶液，搅拌均匀。用23层纱布过滤肝细胞悬浮液。,取1滴肝细胞悬浮液于载波片上，加1滴美蓝试剂，复上盖玻片，镜检。注意观察肝细胞形态结构的完整性。在肝细胞悬浮液中加入0.5ml10%SDS溶液，使之均匀。取1滴肝细胞悬浮液于载波片上，加1滴美蓝试剂，复上盖玻片。镜检：观察肝细胞形态结构的完整性。若镜检结果表明肝细胞膜与核膜均已不复存在，即可停止加SDS溶液。,加10%SDS溶液之前,加10%SDS溶液之后,2、DNA复合物提取在肝细胞悬浮液中加入约肝细胞悬浮液2倍量的95酒精（低温储存）。用棒状物缓缓搅拌肝细胞SDS酒精混合液，直至有多量丝状物缠绕。,3、DNA定性用吸水纸吸干呈丝状物的DNA蛋白质复合物表面水分。取少量DNA蛋白质复合物于试管内，加入3ml二苯胺试剂。酒精灯加热，煮沸10分钟，直至蓝色出现。,实验个案13：马铃薯过氧化物酶特性的实验研究方法,TheAmericanBiologyTeacher,Volume55,No.5,MAY1993,一、实验背景,教材内容：影响酶活性的条件,二、实验设计原理,马铃薯内有过氧化物酶。根据过氧化物酶对底物（H2O2)催化的特性，将马铃薯片样本置于过氧化氢溶液中，样本中的过氧化物酶催化过氧化氢使其降解为水和气态氧。单位时间内氧气泡产生的数目多少与样本中的过氧化物酶活性强弱有关。利用此原理，设计多种影响酶活性的条件，通过与设为对照的样本比较，研究过氧化物酶在不同的理化条件下的催化特性。,三、实验方法,1、取材直径约为67cm新鲜马铃薯剖成两半，切下3片厚约3mm薄片。用吸水纸吸干表面水分。,2、设置影响酶活性的因子第一片马铃薯薄片：置于沸水1分钟。第二片马铃薯薄片：置于沸水3分钟。,第三片马铃薯薄片：切割成6等分块，每块大小为5mm，分别标号16：,1号薄片：设为对照；2号薄片：探讨碱性条件对过氧化物酶活性影响；3号薄片：探讨酸性条件对过氧化物酶活性影响；4号薄片：探讨浓盐条件对过氧化物酶活性影响；5号薄片：探讨重金属条件对过氧化物酶活性影响；6号薄片：探讨酒精中毒条件对过氧化物酶活性影响。2-6号薄片分别用相应化学溶液处理1分钟。,3、检验酶活性,在第一与第二片马铃薯表面分别滴上1滴3过氧化氢溶液，比较各自氧气泡产生量。取6支试管，加入5ml3过氧化氢溶液，分别加入上述经处理过的马铃薯薄片。60s后，分别用直尺测量每个试管液面以上气泡产生量。,四、本实验研究方法的拓展应用酶工作的最适温度物理因子对酶活性的影响其他化学物质对酶活性的影响,实验个案14:利用蚁巢土进行