Phương pháp nghiên cứu và học tập môn sinh học

I. Phương pháp nghiên cứu sinh học

Một số phương pháp nghiên cứu và học tập môn Sinh học: Phương pháp quan sát, phương pháp làm việc trong phòng thí nghiệm, phương pháp thực nghiệm khoa học.

1. Phương pháp quan sát

- Phương pháp quan sát là phương pháp đầu tiên được sử dụng trong mọi công trình nghiên cứu sinh học.

- Các bước thực hiện phương pháp quan sát:

• Lựa chọn đối tượng và phạm vi quan sát: Đối tượng quan sát là những sinh vật và các quá trình sống diễn ra trong tự nhiên cũng như ở trong phòng thí nghiệm.
• Lựa chọn công cụ quan sát: Việc quan sát có thể được thực hiện bằng các giác quan hay thông qua sự hỗ trợ của các công cụ đơn giản hoặc các thiết bị tinh xảo.
• Ghi chép số liệu: Số liệu quan sát có thể được thu nhận bởi giác quan hoặc thông qua các thiết bị quan sát như máy ghi âm, ghi hình. Các số liệu ghi chép được phải đủ lớn, khách quan để có thể xử lí bằng phương pháp toán thống kê và xác suất.

2. Phương pháp làm việc trong phòng thí nghiệm

a) Phương pháp đảm bảo an toàn khi làm việc trong phòng thí nghiệm

Người nghiên cứu cần tuân thủ các quy định để giữ an toàn cho bản thân và các thiết bị, tài sản của phòng thí nghiệm.

- Các lưu ý về an toàn cháy nổ, an toàn về hóa chất:

• Những hóa chất độc hại dễ bay hơi cần phải làm việc ở nơi có tủ hút khí độc hoặc ở nơi thoáng khí.
• Tuân thủ các quy tắc pha hóa chất để tránh xảy ra cháy nổ, đặc biệt khi sử dụng axit hoặc những chất dễ cháy nổ như cồn.
• Kiểm tra sự vận hành của các thiết bị phòng chất nổ, các máy móc hút mùi, chống độc, các trang thiết bị cấp cứu khi có sự cố.

- Vận hành thiết bị:

• Trước khi sử dụng bất cứ thiết bị nào trong phòng thí nghiệm, người nghiên cứu cần phải nắm được quy tắc vận hành máy móc, thiết bị để có thể thu được kết quả chính xác nhất và không làm hư hại máy móc, thiết bị.
• Cần ghi lại nhật kí làm việc về tình trạng hoạt động vận hành của máy móc.

- Trang bị cá nhân:

• Tùy theo từng yêu cầu của nghiên cứu mà mỗi người khi làm việc trong phòng thí nghiệm cần phải có trang thiết bị riêng biệt.
• Để đảm bảo an toàn, người tham gia nghiên cứu cần phải mặc áo choàng, găng tay và kính bảo hộ hoặc mặt nạ để tránh tiếp xúc với hóa chất, vi sinh vật độc hại.

b) Một số kĩ thuật phòng thí nghiệm

Một số kĩ thuật phòng thí nghiệm đơn giản có thể thực hiện tại phòng thí nghiệm sinh học của trường Trung học phổ thông:

- Phương pháp giải phẫu:

• Để tìm hiểu cấu trúc của cơ thể hay các bộ phận của tế bào, người ta thường phải tiến hành giải phẫu để quan sát các bộ phận cấu thành.

- Phương pháp làm tiêu bản tế bào/nhiễm sắc thể:

•  Để quan sát tế bào, mẫu mô cần cắt thành lát đủ mỏng để có thể quan sát tế bào hoặc cấu trúc của tế bào dưới kính hiển vi.
• Để quan sát NST của tế bào bằng phương pháp tiêu bản tươi cần tiến hành các bước: mẫu vật sống được cố định bằng hóa chất và nhuộm màu, chia nhỏ mẫu, dầm ép để phá vỡ tế bào giải phóng các NST.

3. Phương pháp thực nghiệm khoa học

- Phương pháp thực nghiệm khoa học có thể tiến hành ngay tại thực địa hoặc trong phòng thí nghiệm với các điều kiện môi trường được kiểm soát một cách chặt chẽ.

- Một số phương pháp thực nghiệm được sử dụng trong nghiên cứu sinh học:

• Phương pháp nghiên cứu, phân loại sinh vật: định danh dựa trên hình thái của sinh vật, phân tích gene, phân lập (đối với vi khuẩn).
• Phương pháp tách chiết: tách enzyme, gene, các chất có hoạt tính sinh học.
• Phương pháp nuôi cấy: nuôi cấy vi khuẩn, nuôi cấy mô tế bào động vật, thực vật; nuôi cấy động vật, thực vật trong phòng thí nghiệm và ngoài thực địa.

II. Các thiết bị nghiên cứu và học tập môn sinh học

1. Kính hiển vi

- Dựa trên nguồn sáng được sử dụng, kính hiển vi được chia thành hai loại: kính hiển vi quang học và kính hiển vi điện tử.

- Kính hiển vi dùng để quan sát các vật thể có kích thước nhỏ bé mà mắt thường không thể quan sát được bằng cách tạo ra các hình ảnh phóng đại của vật thể đó.

2. Máy li tâm

- Được sử dụng trong kĩ thuật phân đoạn tế bào.

- Đây là kĩ thuật tách các loại bào quan dựa trên khối lượng của chúng.

- Các bước sử dụng máy li tâm để tách và phân lập các bào quan: Phá vỡ các tế bào → cho vào ống nghiệm đem li tâm trong máy li tâm → lực li tâm ở tốc độ vòng quay khác nhau làm cho các bộ phận tế bào có khối lượng khác nhau được tách riêng và nằm ở các vùng khác nhau của ống li tâm.

3. Các thiết bị khác

- Một số thiết bị đơn giản hay sử dụng trong môn Sinh học Trung học phổ thông là: các loại kính lúp, ống hút đơn giản hay pipet, một số loại ống hút có thể điều chỉnh định lượng dung dịch cần lấy một cách chính xác.

III. Các kĩ năng trong tiến trình nghiên cứu khoa học

Trình tự các bước trong tiến trình nghiên cứu khoa học:

Quy trình nghiên cứu khoa học

- Bước 1: Quan sát, thu thập dữ liệu

• Trong khi quan sát cần rèn luyện đức tính kiên trì, thận trọng.
• Sử dụng các công cụ nghiên cứu thích hợp giúp các nhà khoa học thu được số liệu chính xác và nhanh chóng.

- Bước 2: Đặt câu hỏi

• Thu thập số liệu từ đó đặt ra câu hỏi và tìm cách lí giải.

- Bước 3: Hình thành giả thuyết

• Một giả thuyết được gọi là khoa học khi nó có thể được kiểm chứng bằng thực nghiệm.
• Để kiểm chứng giả thuyết các nhà khoa học sử dụng cách suy luận bằng diễn giải.

- Bước 4: Thiết kế và tiến hành thí nghiệm kiểm chứng

• Thường được thiết kế thành hai lô: một lô được gọi là lô đối chứng, một lô được gọi là lô thí nghiệm.
• Điều kiện thí nghiệm trong hai lô phải giống nhau, chỉ khác nhau về yếu tố cần nghiên cứu.

- Bước 5: Phân tích kết quả nghiên cứu và xử lí dữ liệu

• Dữ liệu thu được từ quá trình quan sát thực địa hay thí nghiệm cần được xử lí thận trọng từ đó rút ra kết luận phù hợp.
• Dữ liệu thường được trình bày dưới dạng biểu đồ, đồ thị,… và phải có ý nghĩa thống kê.

- Bước 6: Rút ra kết luận:

Có hai cách rút ra kết luận đó là bác bỏ giả thuyết hoặc chấp nhận:

• Nếu bác bỏ giả thuyết thì sẽ quay lại bước 3.
• Nếu chấp nhận giả thuyết thì kết quả nghiên cứu sẽ thường được thẩm định và công bố trên các tạp chí khoa học và các nhà khoa học khác có thể cùng kiểm chứng, thẩm định. Một giả thuyết được kiểm nghiệm trên nhiều đối tượng khác nhau bởi các nhà khoa học khác nhau và được giới khoa học thừa nhận thì sẽ trở thành học thuyết khoa học.

IV. Tin sinh học - công cụ nghiên cứu và học tập môn sinh học

Khái niệm: Tin sinh học là ngành khoa học sử dụng các phần mềm máy tính chuyên dụng, các thuật toán, mô hình để lưu trữ, phân loại, phân tích các bộ dữ liệu sinh học ở quy mô lớn nhằm sử dụng chúng một cách hiệu quả trong nghiên cứu khoa học và trong cuộc sống.

Đặc điểm: Tin sinh học là một lĩnh vực liên ngành, đòi hỏi phải có sự cộng tác của các chuyên gia từ nhiều ngành khoa học khác nhau như sinh học, thống kê, công nghệ thông tin,...

Thành tựu:

• Dùng phần mềm máy tính tìm kiếm các gene trong hệ gene và so sánh các hệ gene của các loài với nhau để tìm hiểu mối quan hệ tiến hóa giữa các loài sinh vật.
• Áp dụng trí tuệ nhân tạo để xử lí thông tin của bệnh nhân giúp các bác sĩ đưa ra được biện pháp chữa bệnh hiệu quả nhất cho từng bệnh nhân.

- Ứng dụng để học tập môn Sinh học một cách có hiệu quả: sử dụng các công cụ tin học đơn giản trong việc tìm kiếm, khai thác thông tin trên internet, sử dụng các chương trình tin học hay tự lập trình phần mềm mô tả các quá trình sinh học phức tạp.