上海申安医疗器材厂认为生物学是以实验为基础的学科, 而实验离不开实验仪器。工欲善其事, 必先利其器。高新仪器为学生开展探究性实验提供了有力保障, 拓宽了可探索的领域, 因此许多高新仪器如光照培养箱、微量移液枪等出现在中学实验室中。但这类仪器价格昂贵, 如果仅用于探究性学习, 必将使其使用率降低, 使用范围小, 受众变窄等。如何提高高新仪器的使用率成为中学实验室面临的一个重要课题。上海申安通过实践, 将高新仪器运用到日常生物实验的准备中, 从而使高新仪器接地气、广利用, 同时利用高新仪器的精确、高效等特点, 大大提高了实验效果。
(1) 光照智能培养箱的使用
光照培养箱一般带有可编程的控制方式, 白天、黑夜均可单独设置温度、光照度等。利用这一特性, 除了可将其用于生物选修一课本中的植物组织培养实验、微生物培养实验, 也可用于生物必修课本中《观察根尖分生组织的有丝分裂》、《观察根尖分生组织的减数分裂》、《探究生长激素类似物促进插条生根的最适浓度》等实验。
光照培养箱的应用可以弥补实验准备中天气条件的不足。在低温诱导染色体加倍的实验中, 教材建议将根尖培养到1cm左右再移入4℃冰箱。这种方法存在一定弊端, 首先受到冰箱容量的影响, 其次难以兼顾光照和温度。引入光照培养箱可解决这一问题:先将光照培养箱温度设置在26℃, 昼夜光照切换, 白天12小时, 黑夜4小时, 2个循环周期即可长出1cm左右的不定根, 此时再将温度调整到4℃, 继而培养36小时, 便可得到5cm左右的根。
光照培养箱的引入使温度控制更精确, 获得实验材料所需的时间更短, 染色体的加倍现象更明显。在探究生长激素类似物促进生根实验中, 教材建议用黄素馨、柳条等作为实验材料。此实验所需枝条较多, 在获取大量枝条时不免对校园景观造成破坏。因此, 绿豆苗用于探究生长激素类似物促进插条生根的最适浓度是一个不错的选择。将浸泡12小时的绿豆放入培养箱中, 第一阶段将光照培养箱温度设置为24℃, 光照模式为黑暗, 持续48小时, 绿豆种子开始萌发;第二阶段把温度设置为26℃, 光照模式为光照、黑暗各12小时, 持续4天即可培养出上胚轴大于4cm, 下胚轴大于9cm的绿豆苗。
另外, 在组培实验的无菌苗培养过程中, 如果需要培养的无菌苗数量较少, 可以直接使用光照培养箱进行培养, 从而避免了启动光照培养架和空调等大功率电器造成的用电浪费。在光照培养过程中, 如果需要增加湿度, 可放置一个盛满水的不锈钢盆及挂一条洁净的棉毛巾, 利用虹吸原理提高培养箱内的湿度。
(2) 恒温水浴锅和制冰机的使用
在检测还原糖、观察DNA和RNA在细胞中的分布、探究影响酶活性的条件时, 教材都采用酒精灯加热的水浴方法。此方法耗时长、较难维持在同一温度且存在安全隐患。数显水浴锅能设置室温至100℃并保持稳定。比如探究影响酶活性的条件时, 37℃、70℃等水浴环境可用恒温水浴锅轻松获得。以容纳56人的实验室为例, 6台单孔数显水浴锅即可满足所有高中生物实验水浴加热的需求。
在营造低温条件方面, 制冰机除用于分子生物学实验中制造蛋白质外, 还可用于生物必修一《探究影响酶活性的实验》等。制冰机和传统电冰箱相比的优势在于制冰机出冰速度更快捷, 半个小时可以获得冰渣。另外, 因为冰渣的体积小, 和水的接触面积大, 更容易达到0℃的水浴环境。
(3) 高压灭菌锅的使用
“微生物实验室培养”专题要求学生掌握配置培养基、倒平板、微生物接种和涂布等技术。因为高压灭菌本身需要一定时间, 灭菌后又需等到气压下降至0帕才能打开灭菌锅, 所以如何及时在课堂上获得液态的培养基用于倒平板是实验准备必须攻克的难题。此时可巧用高压灭菌锅的“保温功能”来保持培养基的液体条件:教师课前把当节课要用的培养基 (已灭菌) 放到高压灭菌锅中, 并把温度设置为90℃。因为未达到100℃, 气压不升高, 所以在实验开始后可随时开锅取出液体状态的培养基, 冷却至不烫手即可用于倒平板, 使实验的时间安排更为从容有序。
(4) 干热灭菌箱的使用
干热灭菌箱, 主要用于微生物培养及组织培养试管、培养皿、吸管等玻璃仪器的灭菌。灭菌温度一般设置为160~170℃, 时间持续3~4小时。培养皿可以根据每组的使用量进行包装。例如我校在微生物实验时每两位学生为一组, 人手两个培养皿, 一个用于平板划线, 一个用于平板涂布。此时可将4个培养皿包成一个圆柱状, 实验前提前灭菌, 待实验开始时学生自行拆封, 以保证洁净性。
另外, 干热灭菌锅还可以用于《绿叶中色素的提取和分离》实验中滤纸的干燥。将定性滤纸剪成略小于试管长与直径的滤纸条, 统一装入纸盒中, 放入干热灭菌锅干燥, 温度设置为120℃, 干热1小时即可达到理想效果。干燥过的滤纸减少了水分的干扰因素, 色素带的分布更为明显。
需要注意的是干热灭菌锅因为工作时温度极高, 所以在内部放置待灭菌物品时要保持间隙, 同时灭菌箱周围不能放置易燃易爆的杂物, 保持通风, 并定时监控。
(5) 微量可调移液器的使用
微量可调移液器用于快速吸取微量液体, 除了用于研究性学习, 亦可在必修实验中使用, 从而提高其利用率。
比如在用高倍镜观察线粒体实验中, 需要用到1%的健那绿染液;观察DNA和RNA在细胞中的分布需要用到吡罗红甲基绿染色剂。此类染色剂有多种等级, 高级试剂纯度高, 实验效果好, 能清楚地看到DNA被甲基绿染成绿色, 吡罗红与RNA结合, 使细胞质呈现红色。但此类试剂价格较昂贵。基于学生实验时用量极少, 每张玻片只需加两滴吡罗红甲基绿染液。如用常规的滴瓶存放此类试剂给学生使用容易造成浪费。此时可使用量程为1000μL~5000μL的微量可调移液器, 将5mL试剂快速精确地装入容积为6mL的棕色滴瓶 (类似于精油瓶) 中。以我校为例, 每年级有18个平行班, 每班56个学生, 每两个学生共用一瓶试剂, 加上损耗值总共只需140mL的量, 从而在减少高级试剂浪费的同时增强了实验效果。
另外, 在植物组培的MS培养基中需要加入微量元素, 一般都是配置母液, 再利用母液进行稀释。微量移液器的量程远远精细于量筒和移液管, 最小量程可到1μL~10μL, 能够极大减少稀释液的量, 避免造成浪费。
(6) 离心机的使用
离心机是利用离心力, 分离液体与固体颗粒或液体与液体的混合物中各组分的机械。它主要用于细胞工程实验, 比如利用差速离心法进行细胞器的分离。
在利用鸡血进行《DNA粗提取》实验时, 可先用离心管把鸡血按每管10mL分装好, 用离心机把血浆和红细胞分离开, 实验时直接用滴管吸取沉积于底部的血细胞进行破膜, DNA的提取量比自然沉积法更多, 而且大大缩短了实验准备的时间。
在实验设备发展日新月异的时代, 如何配备优良的实验装置并善于开发这些仪器的用途, 使高新仪器接地气、广利用, 是每个实验工作者所要思考的问题。对高新仪器利用的合理化、常规化将为实验教学提供更为广阔的探究空间和发展平台, 也为实验工作者摆脱传统实验准备方法的繁琐和低效提供了有力保障。
