基于ADI模型的高中生物學實驗分析

“分子與細胞”是高中生物的重要內容，涉及細胞的結構、功能、代謝及遺傳信息傳遞等方面的知識。“分子與細胞”內容注重理論與實踐的結合，通過實驗設計與分析，讓學生更好地理解生物學的原理。ADI模型即Argument-Driven Inquiry instructional model，是一種注重科學論證的新探究教學模型，在高中生物學教學中具有重要的應用價值。本文以“分子與細胞”內容為例，創新生物學實驗探究教學方式，引入新探究教學模型，以此增強實驗探究活動設計的科學性與合理性。“分子與細胞”課程知識內容從生命系統的層次性、生命系統的整體性、生命系統的開放性、生命系統的動態性等層面進行分析，涵蓋“走近細胞”“組成細胞的分子”“細胞的基本結構”“細胞的物質輸入和輸出”“細胞的能量供應和利用”“細胞的生命歷程”等相關知識內容，在理論教學的同時，優化實驗教學，培養學生的實踐探究能力。

一、“分子與細胞”教學內容

ADI活動內容涉及細胞的各個方面，促進學生全面了解細胞的基本知識，理解生命的基本過程及各種生命活動的本質，理解細胞的基本結構與功能，理解細胞代謝的基本過程，包括糖代謝、脂肪代謝、蛋白質代謝等。了解能量在細胞中的產生和利用，包括ATP合成與分解、光合作用等。了解DNA的結構與復制過程，理解基因表達的過程，包括轉錄與翻譯。理解細胞分化的基本概念與過程，了解細胞分化的調控機制，理解細胞衰老的特征與原因，包括端粒縮短、氧化應激等。了解細胞凋亡的概念與意義，深入了解細胞膜的結構與功能，包括膜轉運、信號轉導等。理解信號傳導在生理和病理過程中的作用，了解免疫系統的基本組成與功能。掌握各類免疫細胞的特點與作用，包括T淋巴細胞、B淋巴細胞、巨噬細胞等。掌握細胞增殖的過程及特點，包括DNA的復制、染色體的形成等。細胞中的糖類和脂質如表1所示。

二、“分子與細胞”課程總體ADI模型指導問題

（一）設計問題

在“細胞呼吸的原理和應用”章節教學中，教師可以設計問題：“為什么長時間不運動后突然劇烈運動，腿部肌肉會酸痛？”與學生的日常體驗緊密相連，自然地引出細胞無氧呼吸的概念，營造合適的學習情境，激發學生探究無氧呼吸原理的興趣。教師引導學生復習舊知識引出新知識。在“細胞呼吸的原理和應用”章節中，教師可以提問：“有氧呼吸主要與哪種細胞器有關？”引導學生回顧線粒體的結構與功能，鞏固之前所學的知識點，為學習“有氧呼吸的過程”做有效鋪墊。教師關注課程中的重點與難點，鍛練學生的思維能力。在“捕獲光能的色素和結構”章節中，“色素的提取和分離”是一個重要的知識點。教師引導學生深入思考實驗原理，培養學生的科學探究能力。

教師引領學生明晰細胞結構、細胞代謝過程與基因的表達調控等核心概念，確立清晰明確的教學目標。從知識層面、能力層面與情感態度層面，強化對理論知識的理解。

教師引導學生對細胞結構和功能的全面認識，深化對基因表達調控機制的基本理解；注重培養學生的實際應用能力，能夠運用細胞生物學知識分析生命現象，解釋基因表達調控的實驗結果。教師引導學生培養對生物科學的熱愛，樹立科學嚴謹的研究態度，尊重生命的多樣性與復雜性。

由此對課程知識進行全面梳理，建立扎實的生物學基礎知識，培養學生獨立思考的能力，形成科學的思維方式，實現生物課程的育人目標。

基于ADI模型，對學生進行分組，每小組3～4人。結合ADI模型的相關要求，注重數據收集與分析，促進學生理清實驗思路，指導學生設計實驗。對學生設計“光照強度如何影響光合作用強度”實驗，向學生提出以下問題：

師：光合作用是什么？光合作用需要哪些條件？光照強度如何影響光合作用的進行？光照強度對光合作用強度的具體影響有哪些表現？光照強度是如何改變光合作用中的二氧化碳和水的利用量的？

師：在不同的光照強度下，光合作用強度的變化趨勢是怎樣的？實驗中如何控制光照強度，以保證實驗結果的準確性？實驗中如何測定光合作用強度？有哪些常用的方法？實驗中需要注意哪些事項，以確保實驗的順利進行和結果的可靠性？

通過問題設置，在ADI模型運用過程中，促進學生掌握實驗的技巧，提高實驗的準確性。引導學生探究光照強度對光合作用強度的影響，培養學生的科學思維。

指導問題：光照強度如何影響光合作用強度？

（二）ADI階段實驗論證

在ADI階段，促進學生學習如何依據證據進行論證，在實驗教學中學會獲取與交流相關科學信息。通過任務問題的設置，學生理解光照強度與光合作用的關系，明確光照強度是影響光合作用強度的一個重要因素。光照為植物光合作用提供能量，光照越強，植物能吸收的光能越多，從而有助于光合作用的進行。在一定范圍內，隨著光照強度的增強，光合速率隨之增加。這是由于光合作用是一個需要能量的過程，光照強度增強為光合作用提供了更多的能量。

教師在教授“細胞器之間的分工合作”章節時，將“細胞工廠”的動畫視頻作為教學導入，生動形象地展示細胞器在細胞內協同工作過程，促進學生更好地理解微觀世界的生物學知識。利用動畫的趣味性，激發學生探索的激情。在講解“細胞癌變”主題時，播放一段細胞癌變過程及對人體健康影響的科普視頻，以直觀的畫面與生動的解說，引導學生深刻認識不良生活習慣對健康的危害，引導學生敬畏生命。在教學過程中，雖然教材是基礎，但教學活動不能局限于教材，應充分利用動畫視頻、科普短片、實驗演示等各種教學資源，豐富教學內容，提高學生的學習興趣。在教學過程中滲透生物學核心素養，培養學生的實驗能力。

驗證光照強度與光合作用強度的關系，測定不同光照強度下菠菜葉片的光合速率。對比不同光照強度下的數據，觀察光合速率與光照強度的正相關系。分析菠菜葉片的密度與浮沉現象的關系，當菠菜葉片密度較低時，葉片浮于水面，而當葉片密度增加到一定程度時，葉片沉入水底。這可能與葉片中的氣體含量有關，氣體含量達到一定程度時，葉片浮起。分析臺燈與菠菜葉片的光合作用，實驗結果表明，距離臺燈近的菠菜葉片光合作用強，這可能是由于臺燈提供的光源更加集中，提高了該區域的光照強度，促進了菠菜葉片的光合作用。在一定范圍內，光照強度越強，光合作用越強。因此，為了提高植物的光合作用效率，可以增加光照強度。

三、“分子與細胞”課程總體ADI模型實驗設計分析

（一）實驗材料

在《分子與細胞》實驗中，采用ADI模型，設計實驗項目，包括細胞膜的通透性、酶的活性、DNA的復制等。實驗涵蓋細胞結構和功能、細胞代謝與能量、遺傳信息傳遞等內容，旨在通過實踐操作，加深學生對這些知識的理解。

按照實驗要求準備相應的實驗材料，包括細胞膜樣品、酶溶液、DNA溶液等。按照實驗步驟進行操作，包括細胞膜通透性的測定、酶活性的測定、DNA復制的觀察等。在實驗過程中及時記錄數據，包括實驗現象、數據變化等，對實驗數據進行整理和分析，探究實驗結果與理論知識的聯系。

（二）實驗操作過程

通過對實驗數據的分析，得出細胞膜具有選擇透過性，不同物質通過細胞膜的速率不同。酶具有高效性和專一性，不同酶對底物的催化作用不同。DNA復制需要模板、原料、能量和酶等條件，復制過程中堿基配對遵循A-T、G-C的原則。在理論學習的同時，加強實驗和實踐教學，使學生能夠更好地掌握知識。在學習的過程中，教師引導學生思考問題、發現問題，提升學生解決問題的能力。優化實驗教學，促進學生更好地理解實驗設計與數據分析的基本技能。

四、“分子與細胞”課程中“植物細胞吸水與失水”的ADI模型設計

選取“分子與細胞”課程中“探究植物細胞的吸水與失水”內容進行ADI模型設計，“探究植物細胞的吸水與失水”主要介紹細胞的基本概念、組成與結構、細胞的基本功能，使學生了解生命的基本單位——細胞，為后續的學習打下基礎。

（一）ADI模型實驗

在ADI模型實施階段，是對相關內容的整合。酶是生物體內進行新陳代謝的關鍵物質，學習酶的種類、作用以及新陳代謝的過程，使學生了解生物體內的新陳代謝過程。糖類和脂質是細胞中的重要物質，通過學習糖類與脂質的種類、結構與功能，學生了解糖類和脂質在細胞中的作用。核酸是生物體內遺傳信息的攜帶者，教師在教學中展示核酸的種類、結構與功能、遺傳信息的傳遞過程，促進學生了解生物體內的遺傳信息傳遞過程。細胞的分化是生命的基本過程之一，教師在教學中講解有絲分裂、減數分裂與細胞分化的過程，介紹細胞衰老和凋亡的過程，結合具體的應用場景，講解細胞工程的基本原理和應用。

（二）ADI實驗設計

設計ADI實驗，實驗原理為植物細胞的吸水與失水主要取決于細胞內外溶液的濃度差，當外界溶液濃度高于細胞液濃度時，細胞吸水，反之，細胞失水。該過程主要通過細胞膜上的水通道蛋白進行調控。由此，在實驗過程中，教師引導學生觀察蘿卜塊在不同濃度溶液中的吸水與失水現象。實驗需準備蘿卜、刀片、載玻片、蓋玻片、顯微鏡、記錄本等物品。取新鮮蘿卜切成相同大小的塊狀，分成兩組。在兩組蘿卜塊上分別挖一個相同大小的坑。一組放入清水中，另一組放入鹽水中。觀察并記錄蘿卜塊的變化。使用顯微鏡觀察細胞的變化并記錄。

（三）實驗結果分析

在清水中，蘿卜塊逐漸吸收水分，坑洞逐漸變小，在鹽水中，蘿卜塊逐漸失去水分，坑洞逐漸變大。分析顯微鏡觀察結果，在清水中，細胞吸水膨脹，液泡占據更大比例，在鹽水中，細胞失水收縮，液泡占據較小比例。根據實驗結果，可以得出結論：當外界溶液濃度高于細胞液濃度時，細胞吸水。反之，細胞失水。該過程主要通過細胞膜上的水通道蛋白進行調控。實驗中，蘿卜塊在清水中吸收水分，而在鹽水中失去水分，證明了植物細胞的吸水和失水現象受到溶液濃度的影響。

五、“分子與細胞”課程中“影響酶活性條件”的ADI模型設計

選取“分子與細胞”課程中“影響酶活性條件”進行ADI模型設計。

（一）實驗器械

觀察溫度和pH對酶活性的影響，基于ADI模型，加深學生對酶活性調節機制的理解。實驗材料包括淀粉酶、可溶性淀粉、碘液、醋酸緩沖液、氫氧化鈉溶液、冰塊、熱水、正常溫度的水浴鍋等。實驗設備包括離心管、滴管、移液管、電子天平等。教師將學生分成若干小組，每組進行不同的實驗操作。

（二）實驗溶液制備

a.制備含有可溶性淀粉和淀粉酶的溶液，其中淀粉酶溶液的濃度保持不變，而可溶性淀粉溶液的濃度根據實驗需求進行適當調整。b.設置溫度與pH條件，根據實驗目的和預期結果，設置不同的溫度和pH條件。分別設置25℃、35℃、45℃和pH5.0、pH6.0、pH7.0等條件。c.將含有可溶性淀粉的溶液和淀粉酶溶液混合，充分搖勻。d.將混合溶液放入離心管中，進行離心分離，去除未反應的可溶性淀粉。e.通過滴加碘液觀察混合溶液的顏色變化，判斷可溶性淀粉是否被分解。記錄不同溫度和pH條件下的實驗結果。

（三）實驗結果分析

整理實驗過程中觀察、記錄到的數據，分析不同溫度和pH條件下酶活性的變化趨勢。根據實驗數據，分析溫度和pH對酶活性的影響機制。當溫度升高時，酶活性可能增強，當pH偏離酶的最適范圍時，酶活性可能降低等。總結ADI模型實驗結果，得出溫度和pH對酶活性的影響規律，對比實驗結果與理論知識之間的差異，加深對酶活性調節機制的理解。針對實驗過程中可能出現的問題或誤差進行討論，鼓勵學生積極思考和討論，提出新的見解和思路。嘗試探究不同種類的酶在不同溫度與pH條件下的活性變化，探究溫度和pH對酶動力學的影響等。

結合數據結果，設計應用題進行探討，在ADI模型中強化學生對相關知識的理解，引導學生總結并概述課程知識內容。

（四）細胞學說應用題分析

師：請解釋細胞學說的主要內容，并舉例說明其在生物學中的應用。

生：細胞是一個有機體，一切動植物都由細胞發育而來，并由細胞和細胞產物所組成。細胞是一個相對獨立的單位，既有自己的生命，又對與其他細胞共同組成的整體的生命起作用。新細胞可以從老細胞中產生。細胞學說在生物學中的應用為通過解釋細胞的分裂、生長與發育過程，揭示生物體結構的本質，為遺傳學和進化論提供了理論基礎，有助于解釋生物體的遺傳和演化過程，能夠指導生物醫學領域的研究和實踐，為疾病診斷與治療提供依據。

師：請簡述細胞分裂的過程及其意義。

生：細胞分裂的過程包括前期準備、中期轉換、后期分裂與末期關閉四個階段。其中，關鍵過程是紡錘體的形成和染色體的分離。細胞分裂的意義在于維持細胞的正常數量和形態，保證生物體的正常生長和發育。

師：請簡述細胞分化的過程及其意義。

生：細胞分化是指在個體發育中，相同類型的細胞逐漸在形態、結構和功能上發生穩定性差異的過程。細胞分化的過程包括基因選擇性表達和蛋白質合成，最終形成不同類型的細胞和組織。細胞分化的意義在于使生物體具有多樣性和適應性，能夠適應不同的環境和生活條件。

師：請簡述細胞衰老的特征和原因。

生：細胞衰老的特征包括細胞膜通透性降低、細胞核體積增大、染色質固縮、染色體端粒縮短等，細胞衰老的原因包括遺傳因素、環境因素和氧化應激等。

六、總結

ADI模型是一種基于活動、對話和探究的教學模型，通過實踐操作、交流討論提高學生的科學素養。在“分子與細胞”實驗中，采用ADI模型，設計實驗、操作實驗、分析實驗結果，促進學生深入探究細胞結構與功能、細胞代謝與能量、遺傳信息傳遞等知識。實驗顯示在一定范圍內，光照強度越強，光合作用越強。當溫度升高時，酶活性可能增強，當pH偏離酶的最適范圍時，酶活性可能降低。結果與理論知識相符合，進一步加深了學生對細胞結構和功能、細胞代謝與能量、遺傳信息傳遞等知識的理解。研究結果顯示，ADI模型在“分子與細胞”實驗中具有很好的應用效果，能夠提高學生的實踐操作能力。在高中生物實驗過程中，應當注重學生實踐操作能力的培養，深化學生對理論知識的理解。

（作者單位：安徽省長豐縣第一中學）

編輯：孫守春