問題·思維·模型：高中生物學(xué)實驗?zāi)芰ε囵B(yǎng)路徑

余 秀

（寧德第一中學(xué)，福建 寧德 352100）

《普通高中生物學(xué)課程標準（2017 年版）》明確指出，高中生物學(xué)是一門以實驗教學(xué)為基礎(chǔ)的理科課程，實驗教學(xué)內(nèi)容占相當大的比重。實驗探究活動可以幫助學(xué)生克服對生物體微觀結(jié)構(gòu)認識的困難，增加感性認識，促進學(xué)生建立、理解與應(yīng)用生物學(xué)重要概念，培養(yǎng)學(xué)生的探究能力與創(chuàng)新精神。［1］因此，有必要在實踐中研究高中生物學(xué)實驗教學(xué)策略。

一、創(chuàng)設(shè)問題情境，提高實驗探究能力

1.以問題為支架，深入開展實驗探究

開展“觀察葉綠體和細胞質(zhì)流動”實驗教學(xué)時，為了幫助學(xué)生正確認識大概念“細胞是生物體結(jié)構(gòu)與生命活動的基本單位”，提高探究能力，筆者根據(jù)預(yù)實驗發(fā)現(xiàn)的“僅部分黑藻葉肉細胞能明顯觀察到葉綠體進行環(huán)流運動現(xiàn)象”，設(shè)計問題情境，指導(dǎo)學(xué)生進行實驗探究。

首先，指導(dǎo)學(xué)生查閱有關(guān)資料，分析“活細胞葉綠體可以運動嗎？為什么？”學(xué)生通過閱讀與討論，了解到①葉綠體大多呈橢球形，可以隨細胞質(zhì)的流動進行旋轉(zhuǎn)式或環(huán)流式運動。②不同光照時，葉綠體能隨時改變橢球形的方向，使葉綠體不至于被強光灼傷，又能接受較多的光照。［2］③細胞質(zhì)基質(zhì)是細胞進行新陳代謝的主要場所，含有多種酶及無機物，細胞質(zhì)的流動有利于細胞器的移動和物質(zhì)的運輸，為細胞新陳代謝提供相關(guān)物質(zhì)和條件。接著，指導(dǎo)學(xué)生分組開展實驗探究。各組學(xué)生選取黑藻葉片不同位置細胞制作臨時裝片，觀察葉綠體的運動狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)葉綠體不是進行旋轉(zhuǎn)式或環(huán)流式運動，而是呈現(xiàn)靜止狀態(tài)或者運動得不明顯。指導(dǎo)學(xué)生討論分析“葉綠體靜止不動或運動不明顯的可能原因是什么？如何證明？”學(xué)生經(jīng)過小組討論后，認為“葉綠體靜止不動或運動不明顯的可能原因是細胞死亡、溫度太低或細胞新陳代謝不旺盛等”。進一步指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)對照實驗原則設(shè)計實驗方案證明推測。有的小組運用水浴方法提高實驗溫度，有的小組重新選取靠近葉脈部位的細胞進行觀察，有的小組查閱相關(guān)資料后，改用燈光照射實驗材料以提高溫度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)葉綠體皆發(fā)生比較明顯的運動，可見細胞死亡、溫度太低或細胞新陳代謝不旺盛等是造成葉綠體不運動或運動不明顯的可能原因。

通過創(chuàng)設(shè)問題情境，指導(dǎo)學(xué)生深入開展實驗探究，設(shè)計與實施實驗方案，探究實驗現(xiàn)象的可能原因，提高實驗設(shè)計與實施能力的同時，形成“結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一”的生命觀念。

2.以問題為載體，拓展實驗探究

學(xué)生清晰地觀察到紫色洋蔥外表皮細胞質(zhì)壁分離和復(fù)原現(xiàn)象后，教師創(chuàng)設(shè)問題情境“如果大液泡沒有顏色，植物細胞還能發(fā)生質(zhì)壁分離和復(fù)原嗎？如何證明？”學(xué)生已知“若植物細胞具備大液泡（原生質(zhì)層）及其兩側(cè)的濃度差，則可以發(fā)生質(zhì)壁分離與復(fù)原現(xiàn)象”。故作出假設(shè)：大液泡是否具有顏色與植物細胞的質(zhì)壁分離和復(fù)原應(yīng)該沒有直接的關(guān)聯(lián)性，只是大液泡若有顏色，則可以明顯觀察到質(zhì)壁分離和復(fù)原現(xiàn)象，反之，則不易觀察到質(zhì)壁分離和復(fù)原現(xiàn)象。但是如何證明？教師提出拓展實驗要求“請嘗試利用黑藻葉肉細胞或洋蔥鱗片葉內(nèi)表皮細胞觀察質(zhì)壁分離現(xiàn)象并描述實驗現(xiàn)象”。指導(dǎo)學(xué)生進行觀察實驗與實驗結(jié)果分析，學(xué)生發(fā)現(xiàn)①黑藻葉肉細胞在蔗糖溶液中葉綠體隨細胞質(zhì)做環(huán)流運動，同時葉綠體由原來相對分散狀態(tài)逐漸呈集中分布。②將洋蔥鱗片葉內(nèi)表皮細胞置于0.3g/ml 蔗糖溶液中，將視野調(diào)暗或者在蔗糖溶液中滴加紅墨水，可以清晰地觀察到質(zhì)壁分離現(xiàn)象。滴加清水后，觀察到質(zhì)壁分離復(fù)原現(xiàn)象。用0.3mol/L KNO3溶液代替蔗糖溶液，同樣可以清晰地觀察到質(zhì)壁分離現(xiàn)象。由此得出結(jié)論：可以借助葉綠體的分布情況觀察黑藻細胞質(zhì)壁分離現(xiàn)象，以及調(diào)節(jié)視野亮度或?qū)⑷芤喝旧确椒ㄓ^察洋蔥內(nèi)表皮質(zhì)壁分離現(xiàn)象。以此證明假設(shè)成立。

通過創(chuàng)設(shè)問題情境，指導(dǎo)學(xué)生開展“觀察植物細胞的質(zhì)壁分離和復(fù)原”拓展實驗，體驗驗證假設(shè)的實驗方法，提高實驗探究能力。

3.以問題為核心，整合實驗探究內(nèi)容

“檢測生物組織中的糖類、脂肪和蛋白質(zhì)實驗”是觀察驗證性實驗，學(xué)生根據(jù)教科書提供的實驗方法，一般可以得到理想的實驗現(xiàn)象。為了避免學(xué)生“照方抓藥”“機械操作”，將檢測生物組織中的還原糖、淀粉、脂肪和蛋白質(zhì)等4 個相對獨立的實驗進行整合，創(chuàng)設(shè)問題情境“現(xiàn)有4 瓶標簽脫落的溶液，其分別是淀粉、蛋白質(zhì)、還原糖和脂肪中的一種，你作為一名檢驗員，請利用顯色反應(yīng)原理設(shè)計鑒定4 瓶溶液的實驗方案”。指導(dǎo)學(xué)生進行討論、交流，選出最佳實驗方案：首先，取4 支試管，分別加入等量的4 種溶液，并滴加等量的碘液，藍色最深的即為淀粉溶液。接著，取3 支試管，分別加入等量的其余3 種溶液，滴加等量的雙縮脲試劑，呈紫色的即為蛋白質(zhì)。再取2 支試管，分別加入等量的其余2 種溶液，滴加等量的蘇丹Ⅲ染液，呈橘黃色的即為脂肪，余下的即為還原糖。

通過創(chuàng)設(shè)問題情境，指導(dǎo)學(xué)生進行角色扮演，激發(fā)學(xué)生的實驗探究欲望，運用所學(xué)物質(zhì)鑒定原理設(shè)計實驗方案，提高分析問題、解決問題的能力。

二、溯因推理，提高邏輯思維能力

溯因推理是一種依托事實推導(dǎo)出最佳解釋的推理過程。高中遺傳學(xué)部分具有較多非動手實踐型的實驗探究內(nèi)容，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生進行溯因推理，提高邏輯思維能力。

例如，2017 年全國高考I 卷32 題第（2）小題，已知性別決定方式為XY 型的羊，毛色有黑色和白色之分，分別由M/m 這一對基因控制，讓多對純合白毛公羊與純合黑毛母羊交配，子二代中黑毛個體與白毛個體比例為3∶1，問還需要補充什么數(shù)據(jù)才能判定相關(guān)基因位于常染色體還是X 染色體上。

此類題型的解題方式與常見的探究實驗中預(yù)期實驗結(jié)果和結(jié)論的解題類似，應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生進行“正推逆寫”。首先假設(shè)①若基因位于常染色體上，則親本基因型為MM 和mm，子一代為Mm，子二代基因型及比例為1MM:2Mm:1mm，表現(xiàn)為黑毛個體與白毛個體比例為3∶1。②若基因位于X 染色體上，則親本基因型為XMXM和XmY,子一代為XMXm和XMY，子二代基因型及比例為1XMXM:1XMXm:1XMY:XmY,表現(xiàn)為黑毛個體與白毛個體比例為3∶1。即不論基因位于哪種染色體上，子二代出現(xiàn)的結(jié)果均相同。指導(dǎo)學(xué)生比較分析上述兩種假設(shè)，發(fā)現(xiàn)若基因位于X 染色體上，則子二代中個體性狀與性別有特殊關(guān)系，如果有相關(guān)信息的補充，如子二代白毛個體的性別比例等，即可確定基因位于常染色體還是X 染色體上了。

又如，某雌雄同株異花植物的花色產(chǎn)生機理為白色前體物質(zhì)在A 基因控制合成的A 酶作用下生成黃色，在B 基因控制合成的B 酶作用下生成紅色，其中A基因位于3 號染色體上。現(xiàn)用純種白花和黃花植株雜交，子一代均開紅花，子二代紅花：黃花：白花比例為9:3:4。研究人員重復(fù)該實驗，子二代出現(xiàn)了3:1:4 的性狀分離比。已知，子一代3 號染色體部分缺失且導(dǎo)致含缺失染色體的雄配子致死，據(jù)此推測該缺失部分是否包含A 基因或者a 基因？發(fā)生染色體缺失的是A 還是a 基因所處的3 號染色體？

根據(jù)題意可知，出現(xiàn)異常比例的原因可能是3 號染色體上A 或者a 基因所處片段缺失，或者是A 和a 基因所處片段保留而其他片段缺失。故假設(shè)：若缺失部位含A 基因，不僅雄配子致死，雌配子相關(guān)基因也丟失，子二代中個體基因型均為aa，將不會出現(xiàn)有關(guān)花色的性狀分離，而表現(xiàn)均為白色。同理，若缺失部位含a 基因，子代將均為AA，表現(xiàn)為白色缺失。對于問題2“發(fā)生染色體缺失的是A 還是a 基因所處的3 號染色體”，同樣分別假設(shè)：若含A 基因的染色體缺失，但A基因未缺失，則其產(chǎn)生雌配子有比例相等的A 和a 兩種基因。而雄配子只有a 基因一種，則下列推理符合實驗結(jié)果（如圖1）。同理可推導(dǎo)出缺失染色體不含a基因。

圖1 有關(guān)A 所處染色體片段缺失的推理過程

三、建構(gòu)答題模型，提高解決問題能力

生物學(xué)實驗題是區(qū)分度高的題型，學(xué)生解答此類題目常常不知如何表達或者詞不達意，有必要指導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)相關(guān)答題模型，幫助學(xué)生正確表達，提高分析問題、解決問題的能力。

1.建構(gòu)探究自變量對因變量影響的答題模型

對于考查學(xué)生是否正確認識實驗自變量或因變量的實驗題，可以指導(dǎo)學(xué)生在實驗?zāi)康幕蛘邔嶒灁?shù)據(jù)中尋找自變量或因變量。例如，“探究溫度（或PH）對酶活性的影響”“探究不同環(huán)境因素對光合作用（強度或速率）的影響”，從標題就可以發(fā)現(xiàn)自變量分別是溫度（或PH）和不同環(huán)境因素，因變量分別是酶活性和光合作用強度或速率。

相對復(fù)雜一些的是以柱形圖或曲線圖形式設(shè)問，橫坐標代表自變量，縱坐標代表因變量，此類試題的一般為答題模型是“探究自變量（橫坐標）對因變量（縱坐標）的影響”，如果涉及多個自變量則往往會特別標注的。如圖2 表示研究人員誘導(dǎo)染色體數(shù)目加倍時的實驗處理和結(jié)果，由此可判斷該實驗的自變量是秋水仙素濃度和處理時間，因變量是染色體數(shù)目加倍效果。

圖2 誘導(dǎo)染色體數(shù)目加倍實驗

2.建構(gòu)事實與結(jié)果間聯(lián)系的答題模型

考查事實與結(jié)果間聯(lián)系的實驗題，一般已知的事實是導(dǎo)致結(jié)果的間接原因，而需解決的問題則是直接原因。此類試題是高中生物學(xué)實驗題的重要題型，有必要指導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)歸因類答題模型（圖3）。［3］

例如，某植物在光照等適宜條件下培養(yǎng)一段時間，環(huán)境中CO2濃度由1%迅速改變?yōu)?.003%，葉片暗反應(yīng)中C5濃度升高的原因是什么？該問題的事實（間接原因）是CO2濃度降低，結(jié)果是C5濃度升高。分析可知，當植物光合作用達到穩(wěn)定，C3和C5化合物含量穩(wěn)定。降低CO2濃度時（間接原因發(fā)生），C5化合物消耗速率減慢而合成速率卻不變，則C5濃度積累，即葉片暗反應(yīng)中C5濃度升高的原因是C5化合物消耗速率減慢而合成速率卻不變。

圖3 歸因類試題的答題模型

高中生物學(xué)實驗教學(xué)時，教師應(yīng)貫徹“核心素養(yǎng)為宗旨”的課程基本理念，運用問題導(dǎo)學(xué)、溯因推理、模型建構(gòu)等教學(xué)策略，培養(yǎng)學(xué)生尊重事實、嚴謹求證、努力探究生命活動的基本規(guī)律與原理的科學(xué)態(tài)度與科學(xué)精神，促進學(xué)生提高科學(xué)思維能力與科學(xué)探究能力的同時，形成生命觀念與社會責(zé)任意識。