提升實驗探究能力的高三生物微專題復習教學研究
——以“同位素標記法專題復習”為例

桂 芳

（湖北省武漢市第十二中學 湖北武漢 430030）

微專題是指針對某一具體的知識點或能力點，從基本概念、基本原理、基本規律入手，內化知識，構建結構，進行遷移整合，運用基本概念和原理解決實際問題的一種“小切口”的復習方法。在二輪復習中，教師帶領學生對那些分散的、零星的、在課本里跳躍性出現的知識點進行微專題復習，對它們進行比較、梳理、歸納，找出各部分之間的內在聯系和規律，形成清晰的知識網絡，幫助學生上下溝通聯系所學知識，使知識進一步深化與拓展，提升關鍵能力，培養學科素養。

生物學科關鍵能力是指即將進入高等學校的學習者在面對與生物學科相關的生活實踐或學習探索問題情境時，有效地認識問題、分析問題、解決問題所必須具備的能力。新高考中將生物學科關鍵能力確立為理解能力、實驗探究能力、解決問題能力、創新能力。其中實驗探究能力是學生在學習和實踐實驗后，能夠掌握科學探究的整個流程，如分析問題、設計實驗、預測結果并得出結論或作出解釋，并對相關生物學問題進行科學探究的能力。

實驗探究能力是新高考生物學科中一項關鍵能力，也是生物學科科學探究核心素養中的一個重要內容。下文結合課程標準的要求和教材改進，針對“同位素標記法”這種科學研究方法構建微專題復習，引導學生結合相關實驗情境梳理、學習、運用，進行實驗分析和實驗設計，加深理解學科研究方法，提升學科素養。

1 同維度標記法在新舊教材中的對比

“同位素標記”是高中生物學學科中的一種科學研究方法，也是一種實驗方法。但很多教師忽視了“同位素標記法”的整理和教學，甚至對其有一些錯誤的理解，導致學生在該實驗方法上存在很多認知缺陷。新教材對該方法的運用進行了更新和補充，特別是標記元素的種類和檢測方法的運用。

1.1 概念更明晰

舊教材中同位素標記法的描述如下：同位素可用于追蹤物質的運行和變化規律。用同位素標記的化合物，化學性質不會改變。科學家通過追蹤同位素標記的化合物，可以弄清化學反應的詳細過程。這種方法叫做同位素標記法。

新教材對同位素標記法的描述進行了修改：在同一元素中，質子數相同，中子數不同的原子為同位素，如16O與18O，12C和14C。同位素的物理性質可能有差異，但組成的化合物化學性質相同，用物理性質特殊的同位素來標記化學反應中原子的去向，就是同位素標記法。同位素標記法可用于示蹤物質的運行和變化規律。通過追蹤同位素標記的化合物，可以弄清楚化學反應的詳細過程。生物學研究中常用同位素有的具有放射性，如14C、32P、3H、35S等；有的不具有放射性，是穩定同位素，如15N、18O等。

可見，新教材的概念進一步明確了同位素的分類，也為相關實驗的實驗檢測方法給出了理論依據。

1.2 實驗原理更明確

在用同位素標記法證明DNA半保留復制的實驗中，舊教材沒有明確寫出該實驗的實驗原理，而新教材中給出了“實驗背景”，即：15N和14N是N元素的兩種穩定同位素，這兩種同位素的相對原子質量不同，含15N的DNA比含14N的DNA密度大，因此，利用離心技術可以在試管中區分含有不同N元素的DNA。該實驗背景明確了實驗的檢測方法是密度離心法，而不再是檢測放射性。

2 教學設計思路

科學實驗和科學探究情境主要來自于真實的生物學研究的內容以及由這些內容進行知識遷移所產生的情境或問題。同位素標記法運用的實驗在高中生物學教材中共有9處，其中必修1和必修2中5處實驗有可挖掘的情境。例如，在同位素標記法的相關實驗中，學生對實驗自變量、因變量的判斷存在困難或者誤區，對實驗的選材和結果分析等環節也不清晰。教師可以挖掘相關實驗情境，設計同位素標記法的微專題展開復習，重在引導學生進行實驗探究和分析，從而有效培養學生的實驗探究能力，最終實現學生生物學科核心素養的提升。該微專題的教學設計思路如圖1所示。

圖1 專題設計思路

3 教學實踐過程

3.1 課前梳理教材，完成表格

課前，教師要求學生梳理高中教材中有關運用同位素標記的相關實驗，完成表1。同時，利用4道判斷題以進行檢測。

表1 同位素標記法相關實驗匯總

判斷題：

①魯賓和卡門探究光合作用釋放的氧氣來源的實驗中，結論的得出是因為第二組釋放的氧氣具有放射性。

②若DNA為半保留復制，則以15N標記的脫氧核苷酸為原料培養未被標記的DNA,所得子一代DNA離心后，放射性只出現在中帶。

③用3H標記的亮氨酸培養漿細胞，可以檢測到放射性的結構依次為:核糖體→內質網→線粒體→高爾基體→細胞膜→細胞外，因此該實驗的自變量是亮氨酸是否被標記。

④T2噬菌體侵染大腸桿菌實驗中可以用32P和35S同時標記噬菌體的DNA和蛋白質進行實驗。

答案：①× ②× ③× ④×

教師根據學生預習反饋，總結學生存在的問題：

①如何正確選擇標記元素或化合物？②實驗中如何設置對照實驗？③如何確定實驗中的自變量、因變量（觀察指標）？

設計意圖：學生梳理教材，回歸課本，教師通過判斷題，評估和反饋學生的一輪復習情況，同時結合學生呈現出的不同學業和核心素養的達成情況、預習結果，生成需要解決的核心問題，激發學生的學習熱情，突出課堂中學生的主體地位，創造性開展教學設計。

3.2 課堂深入探究，提升能力

課堂中，教師根據學生預習反饋生成的相關問題，引導學生深入探究，提升實驗探究能力，落實生物學科核心素養的培養。

3.2.1 高考真題情境，導入課題

教師呈現高考真題如下：

（2017年·全國卷I·29）根據遺傳物質的化學組成，可將病毒分為RNA病毒和DNA病毒兩種類型。有些病毒對人類健康會造成很大危害。通常，一種新病毒出現后需要確定該病毒的類型。假設在宿主細胞內不發生堿基之間的相互轉換，請利用放射性同位素標記的方法，以體外培養的宿主細胞等為材料，設計實驗以確定一種新病毒的類型。簡要寫出實驗思路、預期實驗結果及結論即可（要求：實驗包含可相互印證的甲、乙兩個組），并確定一種新病毒的類型。教師明確該題考查同位素標記法應用的實驗設計，對學生的能力要求很高，由此引入專題學習。

設計意圖：教師利用高考真題引入并分析題目考查的內容及能力要求，強調掌握科學研究方法和實驗方法的重要性，體會設計微專題學習的必要性。

3.2.2 利用拓展資料，深入學習

教師提供學習資料：同位素是同一元素的不同種類原子，它們具有相同數目的質子數，而中子數目不同。同位素可分為具有放射性的放射性同位素和不具有放射性的穩定性同位素兩類。放射性同位素的原子核很不穩定，會不間斷發出射線，如3H、14C、35S、32P、131I；穩定性同位素極不易發生自行衰變，目前技術手段檢測不到其放射性，如180和15N。科學家通過對同位素的追蹤，可以揭示化學反應的詳細過程，這種科學研究方法叫做同位素標記法，也叫同位素示蹤法。

當同位素用于追蹤物質運行和變化過程時，就被稱為示蹤元素。放射性同位素和穩定性同位素都可作為示蹤元素。以放射性同位素作為示蹤元素的方法叫放射性同位素標記法。放射性同位素具有原子核不穩定、不斷放出特征射線的屬性，可用核探測設備對它的數量、位置（體內或體外）及在化學反應中的轉變過程等，實現即時追蹤。放射性同位素標記法具有靈敏度高、測量簡便、定位準確、定量精準等優點。穩定性同位素也可作為示蹤元素，可以利用它與普通同位素在原子質量、質譜性質等方面的區別，通過質譜儀或氣相層析儀等儀器來完成分析。

教師要求學生閱讀以上資料，完成以下有關同位素的總結。

（1）同位素的概念：

______元素的不同種類原子，它們具有相同數目的______，而______數目不同。

（2）同位素標記法的作用：

通過對同位素的______，可以揭示______的詳細過程。

（3）同位素標記法的特點：

①同位素標記的化合物，______不會改變；

②不影響代謝反應的進行；

③放射性同位素標記______高、測量______、______準確、______精準。

（4）同位素的分類及實例

______同位素：如：________________________

______同位素：如：________________________

（5）同位素標記法的結果檢測

如果標記元素是____同位素，可進行____檢測，用核探測設備即時追蹤，例如利用自顯影技術追蹤。

如果標記元素是______同位素，可在______、______等方面進行區別。

設計意圖：教師將查閱整合后的相關同位素標記法的拓展資料提供給學生，讓學生閱讀整理，促進學生深入學習該方法的概念、特點、原理等知識，培養提升學生獲取信息的能力。

3.2.3 結合學習結果，實驗分析

教師挖掘教材中5個實驗內容，從不同的角度設問進行分析（表2）。學生分組討論并進行匯報。

表2 同位素標記法相關實驗的分析

設計意圖：在梳理和學習的基礎上，教師挖掘教材中5個實驗，從不同的角度設問進行分析，學生分組討論匯報。這個環節不僅使學生先前生成的問題得以解決，而且可以提升學生的實驗探究能力。

3.2.4 完善知識體系，總結規律

教師引導學生分析小結相關實驗的共同規律（表2），再總結同位素標記法的應用“四確定”，引導學生交流并完成填空：

（1）確定實驗目的：

可用于研究細胞內的元素或化合物的組成、__________等，研究______過程和______機理，進而了解細胞的結構和功能；研究病毒遺傳物質的______，測定化石的年代等。

（2）確定實驗分組情況（明確自變量和對照方法）：

確保一組實驗（一種物質）只用___種同位素標記___種物質。

（3）確定同位素種類：

根據實驗目的，一般先確定需要標記的____________；再選擇______的種類。

（4）確定結果檢測方法（明確因變量）

根據所選同位素的______，確定結果是______還是____________。

設計意圖：通過尋找規律和總結方法的過程，學生思維的碰撞得到升華，真正達到舉一反三，融會貫通。同時，教師通過訓練提升學生的科學思維水平。

3.2.5 體驗學以致用，鞏固提升

教師讓學生再次解析之前的判斷題后引導利用以上“四要素”解答導入中的高考真題，并要求學生完成課后訓練案習題。

設計意圖：首尾呼應，學生通過這節課的學習，充分體會到學以致用，體驗學習的自豪感和成就感。

4 教學研究反思

該專題的容量比較大，需要學生課前做好功課，否則課堂上很難完成任務，因此教師課前的指導也很重要。另外，根據學情設計實驗分析中的問題是可以改變的。這樣的教學才更具有針對性，學生的收獲應該更大。

關于同類微專題的復習方法，參考趙占良教授對高中生物學教材中的科學方法分類，結合教材中常用的一些科學方法，整理如圖2所示。教師可以根據學情設計相關微專題進行二輪復習，例如應用“假說演繹法”“模型法”等。

圖2 高中生物學微專題的復習方法

在實驗情景的設置上，教師可以讓學生自行設計實驗進行探究，從實驗方法、實驗材料的選擇、實驗目的、觀察指標、實驗結果、實驗結果分析、實驗結論等各環節完成整個探究過程。這樣的拓展和設計更能有效培養學生的實驗探究能力，最終實現學生生物學科核心素養的提升。