建構模型 巧解高中生物“設計實驗思路”類難題

安徽

近幾年，隨著高考改革的加深，質檢和高考統一指向科學思維和科學探究等學科核心素養(yǎng)。2017 年和2019 年全國卷Ⅰ理綜卷的第29 題中都出現了對“設計實驗思路”的考查，而大多數同學對此類試題常感到“頭痛”，不知如何下手，因此“設計實驗思路”類試題是拉開考生差距的重要題型。

模型是人們?yōu)榱四撤N特定的目的而對認識對象所做的一種簡化的概括性的描述，可揭示認識對象的形態(tài)、特征和本質。模型能夠使認識對象變得簡化，直觀和概括，幫助人們認識和理解不直觀的或復雜的事物。《普通高中生物學課程標準（2017 年版2020 年修訂）》在學科核心素養(yǎng)部分強調：學生應能夠基于生物學事實和證據運用“模型與建模”等方法，逐步發(fā)展科學思維。

通過引導學生分析解題思路，構建“設計實驗思路”的解題模型既能幫助學生解決高中生物“設計實驗思路”類難題，又能發(fā)展學生的科學思維和科學探究的學科核心素養(yǎng)。

一、分析解題思路

【例1】（2004 年，全國卷Ⅱ，第31 題改編） 胰高血糖素對小白鼠和人具有相同的生理作用。為了驗證“胰高血糖素具有升高血糖的生理作用”，請以小白鼠為實驗對象，寫出實驗思路，預測實驗結果及其結論。

實驗材料和用具：

正常實驗小白鼠2 只，生理鹽水，用生理鹽水配制的適宜濃度的胰高血糖素溶液，斐林試劑，注射器，試管，燒杯等。

（實驗提示：采用腹腔注射給藥，給藥劑量不作實驗設計要求；給藥1 小時后，用注射器在小鼠膀胱處穿刺取尿液）

1.明確實驗目的

教師引導學生認真閱讀例1，找出實驗目的。大多數題目的實驗目的會在題干中直接給出，如本題的實驗目的是“驗證胰高血糖素具有升高血糖的生理作用”。隨后要明確實驗類型，一般情況下出現“驗證、證明”等詞的為驗證性實驗；出現“能否、是否、探究”等詞的為探究性實驗。驗證性實驗指在已知實驗結論的前提下，通過設計和實施實驗來證明實驗結論，預期的實驗結果和結論是唯一且確定的；探究性實驗指在不知曉實驗結論的前提下，通過設計和實施實驗來進行探究，預期的實驗結果和結論往往是不確定的。此題明顯是驗證性實驗，預期的實驗結論是“胰高血糖素具有升高血糖的生理作用”。

2.確定實驗的自變量和因變量

確定實驗的自變量和因變量是設計實驗思路時最關鍵的環(huán)節(jié)。自變量是指實驗過程中人為改變的變量，因變量是指隨自變量的變化而變化的變量。自變量和因變量一般可以從實驗目的中直接獲得。學生在找到實驗目的后，教師就可引導學生從實驗目的的描述中找到該題的自變量和因變量了。此題的自變量是“胰高血糖素”，因變量是“血糖含量”。

3.設置對照，施加干擾

找到實驗目的，確定自變量和因變量后，需要用實驗的自變量對實驗對象施加干擾。在施加干擾時，教師要引導學生關注實驗中的另外一個變量，即無關變量。實驗中除自變量外，也能影響實驗結果的變量稱為無關變量。無關變量的控制通常通過設置對照實驗的方法實現。此題中為了控制無關變量，需要將實驗對象小白鼠分為兩組。其中一組為對照組（不施加干擾的一組），處理方法為注射生理鹽水；另外一組為實驗組（施加干擾的一組），處理方法為注射用生理鹽水配制的適宜濃度的胰高血糖素溶液。

4.觀測因變量的變化

此題的因變量為“血糖含量”，但是題中所給的實驗材料和用具中沒有能夠直接檢測血糖含量的工具，此時，需要教師引導學生認真分析題中所給的材料用具和實驗提示，將因變量轉化成一種可直接觀察并檢測的指標。根據實驗材料中的“斐林試劑”和實驗提示中的“給藥1 小時后，用注射器在小鼠膀胱處穿刺取尿液”，使學生想到可通過采用斐林試劑檢測小鼠是否出現尿糖現象來檢測因變量的變化。若實驗組小鼠出現尿糖現象而對照組小鼠不出現尿糖現象，則可證明胰高血糖素具有升高血糖的生理作用。采用此方法便將因變量轉化成了一種可觀察、可檢測的指標。

5.預測實驗結果及其結論

基于以上分析，學生已知此實驗為驗證性實驗，實驗結果和結論是唯一確定的。因此，本實驗的預期實驗結果是：僅實驗組小鼠出現尿糖現象。實驗結論是：胰高血糖素具有升高血糖的生理作用。

二、構建解題模型，簡化解題思路

通過對解題思路的分析，學生已經對解題過程有了充分的認識，但是如何去正確地書寫實驗思路還是一個難題。若想解決此問題教師可以引導學生構建如圖1 所示“設計實驗思路”的解題模型來簡化解題思路。

圖1 例1“設計實驗思路”的解題模型

如圖1 所示，在設計實驗思路時，要用自變量對實驗對象施加干擾，同時為了排除無關變量對實驗結果的影響，需要設置對照實驗。在例1 中，需要把實驗對象小白鼠分為兩組，其中一組（對照組）注射生理鹽水，另外一組（實驗組）注射胰高血糖素溶液。用自變量對實驗對象施加干擾后，會引起因變量的改變，并需要對因變量進行觀察和檢測，從而得出相應的實驗結果。對實驗結果進行綜合分析就能得出最終的實驗結論。構建完例1的“設計實驗思路”的解題模型后，教師可以鼓勵學生嘗試寫出例1 的實驗思路，預期實驗結果和實驗結論。

三、明確實驗思路的答題要點

教師檢查學生所寫的例1 的實驗思路，會發(fā)現大多數學生嘗試寫出的實驗思路往往不是實驗思路而是實驗步驟。實驗步驟需要寫出細致而具體、可直接進行實驗操作的步驟，實驗步驟一般包括：取材、分組、編號；分組施加實驗條件；培養(yǎng)、觀察、記錄等具體的過程。而實驗思路的要點是寫出實驗對象、自變量和因變量即可。實驗思路的答題要點可以總結為以下三點：

1.用什么（實驗對象）

2.做什么（實驗處理）

3.看什么（實驗結果）

明確實驗思路的答題要點后，教師可引導學生對自己書寫的實驗思路進行修正并通過核對答案［實驗思路：將小鼠分成甲、乙兩組，甲組（對照組）注射生理鹽水，乙組（實驗組）注射胰高血糖素溶液；一段時間后，用斐林試劑檢測兩組小鼠的尿液，觀察是否出現尿糖現象。預期實驗結果：只有乙組小鼠出現尿糖現象。預期實驗結論：胰高血糖素具有升高血糖的生理作用。］ 做進一步完善。

近幾年，隨著實驗設計類試題的日漸成熟，試題中的自變量可能不止一個，如2019 年全國卷Ⅰ的第29 題中就有兩個自變量（水分和ABA）。筆者以2019 年全國卷Ⅰ第29 題為例，引導學生通過構建解題模型來破解難題。

四、運用模型，破解難題

【例2】（2019 年，全國卷Ⅰ，第29 題節(jié)選）將生長在水分正常土壤中的某植物通過減少澆水進行干旱處理，該植物根細胞中溶質濃度增大，葉片中的脫落酸（ABA）含量增高，葉片氣孔開度減小。回答下列問題。

（3）有研究表明：干旱條件下氣孔開度減小不是由缺水直接引起的，而是由 ABA 引起的。請以該種植物的ABA 缺失突變體（不能合成ABA）植株為材料，設計實驗來驗證這一結論。要求簡要寫出實驗思路和預期結果。

分析例2 可知，該題的實驗目的是“驗證干旱條件下氣孔開度減小不是由缺水直接引起的，而是由ABA 引起的”。且此題有兩個自變量：水分和ABA，因變量為氣孔開度。對于有多個自變量但每組對照實驗中又只能有一個自變量的實驗，需要將兩個自變量分開單獨去考慮。針對此種類型實驗題，教師可以引導學生利用解題模型分別對多個自變量單獨分析。如圖2 和圖3 所示。

圖2

圖3

模型構建完成后，學生則可以依據實驗思路的答題要點嘗試書寫實驗思路。學生寫完實驗思路后，教師給出例2 的參考答案（取 ABA 缺失突變體植株在正常條件下測定氣孔開度，經干旱處理后，再測定氣孔開度。預期結果是干旱處理前后氣孔開度不變；將上述干旱處理的 ABA 缺失突變體植株分成兩組，在干旱條件下，一組進行 ABA處理，另一組作為對照組，一段時間后，分別測定兩組的氣孔開度。預期結果是ABA 處理組氣孔開度減小，對照組氣孔開度不變。），供學生修改和完善自己書寫的實驗思路。

五、總結

教師通過引導學生分析“設計實驗思路”類試題的解題思路，構建“設計實驗思路”類解題模型，能夠提高學生解此類題目的效率。同時，通過引導學生構建解題模型，有利于培養(yǎng)學生科學思維和科學探究的能力。