生物實(shí)驗(yàn)考題視野下的模型建構(gòu)科學(xué)思維

萬曉軍

摘要：結(jié)合人教版生物教材和高考生物試題，分析三類生物模型的方法特點(diǎn)及題型要求，對(duì)于訓(xùn)練學(xué)生科學(xué)思維、提高科學(xué)備考效率有積極意義。

關(guān)鍵詞：生物實(shí)驗(yàn);模型建構(gòu);科學(xué)思維

中圖分類號(hào)：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

高中生物學(xué)中的模型與建模是科學(xué)思維學(xué)科核心素養(yǎng)的一個(gè)部分。學(xué)生通過模型建構(gòu)活動(dòng)，掌握各種模型方法，有利于提高教學(xué)和復(fù)習(xí)效果。

1高中生物課程中的模型與建模活動(dòng)

從科學(xué)思維角度，高中生物模型主要有物理模型、概念模型、數(shù)學(xué)模型3種。人教版高中生物學(xué)必修教材中所涉及到的模型建構(gòu)活動(dòng)見表1。

2生物實(shí)驗(yàn)考題中的模型及題型特點(diǎn)

分析近幾年高考試卷，發(fā)現(xiàn)這三種模型在生物實(shí)驗(yàn)考題有相當(dāng)大的比例，大多以實(shí)驗(yàn)為背景，具有重要導(dǎo)向作用。

2.1物理模型

物理模型主要有實(shí)驗(yàn)裝置圖、模式圖和形態(tài)結(jié)構(gòu)圖等具體形式。

[例1]（2019·浙江卷·20）為研究R型肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化為S型肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化物質(zhì)是DNA還是蛋白質(zhì)，進(jìn)行了肺炎雙球菌體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，其基本過程如圖1所示，下列敘述正確的是__（）

A.甲組培養(yǎng)皿中只有s型菌落，推測(cè)加熱不會(huì)破壞轉(zhuǎn)化物質(zhì)的活性

B.乙組培養(yǎng)皿中有R型及S型菌落，推測(cè)轉(zhuǎn)化物質(zhì)是蛋白質(zhì)

C.丙組培養(yǎng)皿中只有R型菌落，推測(cè)轉(zhuǎn)化物質(zhì)是DNA

D.該實(shí)驗(yàn)?zāi)茏C明肺炎雙球菌的主要遺傳物質(zhì)是DNA

參考答案：C。

題型點(diǎn)評(píng)：物理模型能形象呈現(xiàn)，反映生命現(xiàn)象的發(fā)生、發(fā)展及生物的結(jié)構(gòu)、生理。關(guān)于物理模型的試題注重創(chuàng)設(shè)新情景，考查學(xué)生的科學(xué)思維能力。

[模擬訓(xùn)練1]某實(shí)驗(yàn)室利用小白鼠的成熟紅細(xì)胞和肌肉細(xì)胞按圖2所示裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：

（1）實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，夾子A關(guān)閉，兩裝置中的紅色液滴在刻度0處，5min后，發(fā)現(xiàn)甲裝置中的紅色液滴不移動(dòng)，乙裝置中的紅色液滴向左移動(dòng)，原因是__。

（2）從第6min開始，同時(shí)打開兩裝置中的夾子A，向里面通入等量的氧氣，20min后，發(fā)現(xiàn)甲裝置中的紅色液滴向右移動(dòng)了x1，裝NaOH的小燒杯增重了Y1乙裝置中的紅色液滴向右移動(dòng)了X2，裝NaOH的小

（1）篩選產(chǎn)乳糖酶的微生物L(fēng)時(shí)，宜用__作為培養(yǎng)基中的唯一碳源。培養(yǎng)基中瓊脂的作用是__。從功能上講，這種培養(yǎng)基屬于__。

（2）培養(yǎng)微生物L(fēng)前，宜采用__方法對(duì)接種環(huán)進(jìn)行滅菌。

（3）乳糖酶宜采用化學(xué)結(jié)合法（共價(jià)鍵結(jié)合法）進(jìn)行固定化，可通過檢測(cè)固定化乳糖酶的_-確定其應(yīng)用價(jià)值。除化學(xué)結(jié)合法外，酶的固定化方法還包括__、__、離子吸附法及交聯(lián)法等。

參考答案：

（1）乳糖凝固劑選擇培養(yǎng)基

（2）灼燒

（3）（酶）活性[或（酶）活力]包埋法物理吸附法

題型點(diǎn)評(píng)：這類題型的解題關(guān)鍵是審題，找“題眼”，做出判斷。學(xué)生要加強(qiáng)結(jié)論性語(yǔ)句的記憶，理清生物學(xué)概念之間的系統(tǒng)化關(guān)系，找準(zhǔn)關(guān)鍵詞：表述。燒杯增重了Y2。結(jié)果發(fā)現(xiàn)蜀大于X2，Y1小于Y2，從分子代謝水平上看，造成這種差異的主要原因是__。

參考答案：（1）肌肉細(xì)胞吸收了容器中氧氣，產(chǎn)生的二氧化碳被氫氧化鈉吸收，而小白鼠成熟紅細(xì)胞不能有氧呼吸，只進(jìn)行產(chǎn)乳酸的無氧呼吸，液滴不移動(dòng)

（2）紅細(xì)胞不能進(jìn)行有氧呼吸（或“紅細(xì)胞進(jìn)行無氧呼吸”）

解析：（1）肌肉細(xì)胞吸收了氧氣，產(chǎn)生的二氧化碳被氫氧化鈉吸收，所以乙裝置中氣體減小，液滴向左移動(dòng);而紅細(xì)胞不進(jìn)行有氧呼吸，只無氧呼吸，液滴不移動(dòng)。（2）向裝置里面通入等量氧氣，由于紅細(xì)胞不吸收氧氣，肌肉細(xì)胞可吸收氧氣進(jìn)行有氧呼吸，所以X1大于X2;肌肉細(xì)胞有氧呼吸釋放二氧化碳，所以肌肉細(xì)胞裝置中氫氧化鈉吸收二氧化碳量多，重量增加，而紅細(xì)胞無氧呼吸不產(chǎn)生二氧化碳，所以Y1小于Y2。紅細(xì)胞不能進(jìn)行有氧呼吸是造成這種差異的主要原因。

2.2概念模型

概念模型主要有生產(chǎn)流程圖、知識(shí)樹和概念集合圖等具體形式。

[例2]（2015·山東理綜卷·35節(jié)選）乳糖酶能夠催化乳糖水解為葡萄糖和半乳糖，具有重要應(yīng)用價(jià)值。乳糖酶的制備及固定步驟如圖3所示。

[模擬訓(xùn)練2]育種工作者在枇杷中發(fā)現(xiàn)一棵變異的早熟植株，以此為材料進(jìn)行了培育新品種實(shí)驗(yàn)，如圖4所示。

（1）如果該早熟植株屬于染色體組變異株，可推測(cè)該變異株減數(shù)分裂中染色體有多種聯(lián)會(huì)方式，由此造成不規(guī)則的——，產(chǎn)生染色體數(shù)目不等、生活力很低的__，因而得不到足量種子。即使得到少量后代，早熟性狀也很難穩(wěn)定遺傳。這種情況下，可考慮選擇育種方法③，其不足之處是需要不斷制備__，成本較高。

（2）新品種1與新品種3均具有早熟性狀，但其他性狀有差異，這是因?yàn)樾缕贩N1選育過程中基因發(fā)生了多次__，產(chǎn)生的多種基因型中只有一部分在選育過程中保留。

（3）如果變異株是個(gè)別基因突變體，則可采用育種方法①，使早熟基因逐漸__，培育成新品種1。為了加快進(jìn)程，還可采集變異株的進(jìn)行處理，獲得高度純合后代，選育成新品種2，這種方法稱為__育種。

參考答案：

（1）染色體分離

配子組培苗

（2）重組

（3）純合花藥單倍體

解析：（1）發(fā)生染色體組變異后，可致染色體聯(lián)會(huì)紊亂，導(dǎo)致同源染色體分離不規(guī)則，產(chǎn)生染色體數(shù)目不等、生活力低的配子，難以形成足量受精卵;育種方法③利用了植物組培技術(shù)，最大優(yōu)點(diǎn)是保持遺傳性狀穩(wěn)定性，不足之處是需不斷制備組培苗，成本高。（2）與新品種3的方法相比，新品種1可發(fā)生“基因重組”，產(chǎn)生多種基因型，導(dǎo)致多種性狀差異。（3）新品種1由“自交”選育，自交可提高變異基因純度，可采集變異株花藥加速育種進(jìn)程，通過“單倍體育種法”獲得高度純合后代。

2.3數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型主要有表格、直方圖、曲線和數(shù)學(xué)方程式等具體形式。

[例3]（2018·全國(guó)I·4）己知藥物x對(duì)細(xì)胞增殖有促進(jìn)作用，藥物D可抑制藥物x的作用。某同學(xué)將同一瓶小鼠皮膚細(xì)胞均分為甲、乙、丙三組，分別置于培養(yǎng)液中培養(yǎng)，培養(yǎng)過程中進(jìn)行不同處理（其中甲組未加藥物），每隔一段時(shí)間測(cè)定各組細(xì)胞數(shù)，結(jié)果如圖5所示。據(jù)圖分析，下列相關(guān)敘述不合理的是（ ）

A.乙組加入了藥物x后再進(jìn)行培養(yǎng)

B.丙組先加入藥物x，培養(yǎng)一段時(shí)間后加入藥物D，繼續(xù)培養(yǎng)

C.乙組先加入藥物D，培養(yǎng)一段時(shí)間后加入藥物x，繼續(xù)培養(yǎng)

D.若藥物x為蛋白質(zhì)，則藥物D可能改變了藥物x的空間結(jié)構(gòu)

參考答案：C。

題型點(diǎn)評(píng)：此種命題形式闡述生物學(xué)事實(shí)、概念、原理和規(guī)律等內(nèi)容，具有信息量大，直觀明了等特點(diǎn)，較好地考查學(xué)生獲取和處理信息的能力。

[模擬訓(xùn)練3]某實(shí)驗(yàn)小組為了探究生長(zhǎng)素（IAA）和乙烯（ACC是乙烯的供體）對(duì)植物生根的影響，科學(xué)家用擬南芥下胚軸插條進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示，有關(guān)分析錯(cuò)誤的是（ ）

A.ACC對(duì)擬南芥下胚軸插條生根作用的影響具有兩重性

B.擬南芥下胚軸插條細(xì)胞中，生長(zhǎng)素和乙烯的合成時(shí)間不確定

c.促進(jìn)擬南芥下胚軸插條生根的最適宜生長(zhǎng)素濃度為50umol.L^-1

D.兩種激素濃度為0時(shí)，擬南芥下胚軸插條均有生根，這與其自身激素有關(guān)

參考答案：C。

解析：促進(jìn)擬南芥下胚軸插條生根的最適宜生長(zhǎng)素濃度在10umol·L^-1和100umol·L^-1之間，進(jìn)一步探究最適濃度，可在10unol·L^-1和100umol·L^-1范圍內(nèi)縮小濃度梯度，但不能判斷50umol·L^-1是最適宜濃度。

3模型建構(gòu)思維在復(fù)習(xí)備考中的作用

將模型建構(gòu)方法應(yīng)用于生物教學(xué)和備考中，可提高學(xué)生科學(xué)思維能力。新課程生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)重視模型及模型建構(gòu)活動(dòng)開展。考試大綱四項(xiàng)能力要求中特別重視實(shí)驗(yàn)與探究能力的考查，突出對(duì)學(xué)科思想與方法的考查力度。歷年高考試題為復(fù)習(xí)提供了規(guī)范訓(xùn)練的題例，從題型信息上展示了大量模型。教材基本實(shí)驗(yàn)題、實(shí)驗(yàn)分析設(shè)計(jì)題、教材隱性實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)背景考題也通過模型來呈現(xiàn)相關(guān)信息，為備考提供導(dǎo)向作用。備考實(shí)踐表明，通過建構(gòu)模型有助于學(xué)生系統(tǒng)地、完整地理解生物學(xué)知識(shí)，主動(dòng)構(gòu)建模型，訓(xùn)練學(xué)生識(shí)圖及圖文轉(zhuǎn)換的能力。總之，訓(xùn)練模型和建模思維方法，有助于學(xué)生理解知識(shí)，提升解題能力，發(fā)展生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。