以原型和变式开展实验设计的思维探究教学

黄五洋

(湖北省石首市第一中学 石首 434400)

高考试题评价与体现核心素养的导向已经凸显，实验设计的难度就在于学生无法突破实验设计思路，只有在合理的实验设计思路指引下，才能保证实验设计的科学性，这是实验设计的首要考虑。而如何完善纠正具体的实验步骤(如操作流程、检测方法)则是次要的。本文通过原型的思维教学和变式的探究教学，说明对实验命题要分类考虑，从命题文本中确定变量进而组织设计思路是比较符合学生实际的。

1 第一类： A成立或者B成立，非A即B

1.1 通过原型教学发展实验思维 具体举例如下：

教材原型1的内容，人教版教材(必修1)第102页： 1941年鲁宾和卡门进行两组实验。第一组向植物提供H2O和C18O2；第二组向植物提供H218O和CO2。在其他条件相同的情况下，进行放射性检测。结果是第一组释放的氧气全是O2，第二组释放的氧气全是18O2。该实验表明： 氧气中的O元素来自于H2O。

教材原型2的内容，人教版教材(必修2)第45页： 1952年赫尔希和蔡斯完成实验，第一组实验中35S标记的噬菌体侵染未标记的细菌后，上清液放射性较高，沉淀物的放射性较低；第二组实验中32P标记的噬菌体侵染未标记的细菌后，上清液放射性较低，沉淀物的放射性较高。该实验证明： 噬菌体中的DNA是遗传物质。

对以上原型1和原型2进行类比： 原型1： 引导学生表述实验命题文本，即确定氧气中的O元素来自于H2O还是CO2，符合“A成立或B成立，非A即B”的模式，A是“H2O”，B是“CO2”。因此，单一变量是H2O还是CO2。原型2： 引导学生表述实验命题文本，即确定噬菌体中的遗传物质是DNA或是蛋白质。符合“A成立或B成立，非A即B”的模式，A是“DNA”，B是“蛋白质”。因此，单一变量就是DNA或是蛋白质。

启发学生对两者进行比较，两个原型的共同设计思路是单独观察A或者B，命题文本中包含两个并列关系的要素A和B， A和B一般是互斥的。布置任务驱动让学生寻找教材中的类似原型。其他符合此类命题文本模式的原型还有： 探究酵母菌的呼吸方式，命题转化为是有氧呼吸或是无氧呼吸；孟德尔的豌豆杂交实验，可转换为探究命题，即豌豆的两对相对性状的基因位于一对染色体或是位于两对染色体上；摩尔根的果蝇实验，其探究命题是白眼基因位于常染色体或是性染色体；探究生长素在胚芽鞘内的运输方向是从形态学上端到形态学下端或是从形态学下端到形态学上端，也可运用此模式教学。鉴于以上原型的共性，学生自然会觉得迁移到其他实验设计题中是可取的。

1.2 通过变式拓展进行探究教学 具体举例如下：

变式举例(2017年高考Ⅰ卷理综第29题)： 根据遗传物质的化学组成，可将病毒分为RNA病毒和DNA病毒两种类型，假设在宿主细胞内不发生碱基之间的相互转换，请利用放射性同位素标记的方法，以体外培养的宿主细胞等为材料，设计实验以确定一种新病毒的类型，简要写出实验思路(要求： 实验包含可相互印证的甲、乙两个组)。

探究教学： 该实验命题文本是设计实验以确定一种新病毒的类型，而题目条件明确指出： 病毒分为RNA病毒和DNA病毒两种类型。因此，命题文本是“A成立或者B成立，非A即B”的模式，A是DNA， B是RNA。再比较DNA和RNA两者的化学组成的不同，胸腺嘧啶是DNA特有的，尿嘧啶是RNA特有的，推知胸腺嘧啶和尿嘧啶是被选用标记的碱基。这样实验设计思路就形成了，即单独研究有放射性的胸腺嘧啶和尿嘧啶的去向，胸腺嘧啶有放射性表明是DNA病毒，尿嘧啶有放射性表明其是RNA病毒。

设计方案： 甲组，将宿主细胞培养在含有放射性标记胸腺嘧啶的培养基中，之后接种新病毒，培养一段时间后收集病毒病监测其放射性；乙组，将宿主细胞培养在含有放射性标记尿嘧啶的培养基中，之后接种新病毒，培养一段时间后收集病毒病监测其放射性。

教师还可通过如下变式组织学生探究： ①判断反射弧中某神经是传出神经，或是传入神经；②要判断某植物是赤霉素缺失型突变体，或是赤霉素不敏感型突变体。变式的推广还有： 探究胰岛素和生长激素之间存在协同作用，或是拮抗作用；探究生长素和赤霉素之间存在协同作用，或是拮抗作用。此种情形下则需要设计四组实验，有一组要双因子同时处理。

2 第二类： A产生或导致和影响B(因果关系)

2.1 通过原型教学发展实验思维 具体举例如下：

教材原型3的内容，人教版教材(必修3)第47页： 1928年温特实验，把胚芽鞘尖端放在琼脂块上，几小时后移走尖端，将琼脂块放在切去尖端的燕麦胚芽鞘一侧，结果胚芽鞘朝对侧弯曲，将空白琼脂块放在切去尖端的燕麦胚芽鞘一侧，则胚芽鞘不生长也不弯曲。该实验证明胚芽鞘的弯曲生长确实是一种化学物质引起。

教材原型4的内容，人教版教材(必修3)第24页： 贝利斯和斯塔林重复了沃泰默的实验，他们的假说是： 在盐酸的作用下，小肠黏膜可能产生了一种化学物质，随血液循环到胰腺，引起胰液的分泌。在1902年，为验证该假设，他们把狗的小肠黏膜与稀盐酸混合后，加沙砾研磨制成提取液，把提取液注射于同一只狗的静脉中，发现胰腺分泌胰液。他们将小肠黏膜分泌的这种化学物质命名为促胰液素。

对原型3和原型4进行类比，原型3中实验结论是尖端产生某种物质。引导学生提炼加工信息，组织表述探究命题文本，即胚芽鞘的弯曲生长的原因是化学物质引起。符合命题文本模式： A产生或导致和影响B， A是“化学物质”，B是“胚芽鞘弯曲生长”。原型4中实验结论是小肠黏膜产生化学物质。引导学生提炼加工信息，组织表述探究命题文本，即胰液的分泌原因是化学物质引起。符合命题文本模式： A产生或导致和影响B， A是“化学物质”，B是“胰腺分泌胰液”。

在该命题文本模式下，实验的单一变量是有无A。命题文本直接表明了因变量B，则A的有无是自变量。布置任务： 驱动学生去寻找教材中类似的原型。教材中原型还有： 探索生长素类似物促进插条生根的最适浓度，A是生长素类似物，B是插条生根；探究光照强度影响光合作用速率，A是光照强度，B是光合速率；探究细胞大小与物质运输的关系，A是细胞大小，B是物质运输；探究土壤微生物分解淀粉，A是土壤微生物，B是淀粉。

通过以上原型的思维教学，学生归纳推理得出： 可从实验命题文本中确定自变量，采取有或无的操作，或者是设置梯度(生长素、光照强度、细胞大小、温度和pH)对自变量控制，从而突破实验设计思路。

2.2 通过变式拓展进行探究教学 (2011年浙江卷)为了探究某物质X对Y细胞增殖的影响，3H-TdR是DNA合成的原料之一，可根据放射性强度变化来判断细胞增殖情况。

探究教学： 提取信息“探究某物质X对Y细胞增殖的影响”，符合命题文本模式：“A产生或导致和影响B”，A是物质X， B是Y细胞。这种影响可能是促进，也可能是抑制，也可能是不促进也不抑制。自变量应该是有无X，实验组用X处理，对照组用生理盐水处理。

设计方案： 甲组，培养液+Y细胞+3H-TdR(标记的胸腺嘧啶脱氧核苷)+生理盐水；乙组，培养液+Y细胞+3H-TdR+X(生理盐水配制)。每组设置若干个重复样品。分别测定两组的细胞内的放射性强度，求每组的平均值。将各样品在适宜条件下培养合适时间后，测定其放射性强度，求每组平均值并进行统计分析。实验预期及结论略。

教师还可以如下变式组织探究： ①证明甲状腺分泌甲状腺激素；②证明胰岛素降低血糖；③证明M细胞能够将肺癌细胞抗原呈递给胸腺淋巴细胞。

3 第三类： A产生(具有、通过和传递)，B导致，C发生

3.1 通过原型教学发展实验思维 具体举例如下：

教材原型5的内容，人教版教材(必修2)第43页： 1928年格里菲斯的肺炎双球菌体内转化实验中。第一组： 注射活的R型细菌，小鼠不死亡；第二组： 注射活的S型细菌，小鼠死亡，尸体中分离出S型细菌；第三组： 注射加热灭活的S型细菌，小鼠不死亡；第四组： 加热灭活的S型细菌与活的R型细菌混合后注射，小鼠死亡，尸体中分离出S型细菌。

教材原型6的内容，人教版教材(必修3)第46页： 1880年英国达尔文研究植物的向光性实验的过程。第一组： 胚芽鞘在单侧光下，向光弯曲生长；第二组： 去除尖端的胚芽鞘在单侧光下，不生长不弯曲；第三组： 在单侧光下用锡箔罩住胚芽鞘尖端向上，直立生长；第四组： 在单侧光下用锡箔罩住胚芽鞘尖端以下一段，向光弯曲生长。

类比原型5和原型6，格里菲斯的实验结论是： 加热灭活的S型细菌中含有转化因子，可将R型活菌转化为S型活菌。引导学生将其还原为探究实验命题，文本符合“A具有，B导致，C发生”的模式。其中： A是“加热灭活的S型细菌”，B是“转化因子”，C是“转化为S型活菌”；而达尔文实验的推想是： 单侧光照射使胚芽鞘的产生某种影响传递到下面的伸长区，造成背光侧比向光侧生长更快，因此胚芽鞘出现向光弯曲。其核心内容是： 尖端产生影响导致下部伸长区弯曲生长，引导学生将其还原为探究实验命题。这句文本符合“A产生，B导致，C发生”的模式。其中： A是“尖端”，B是“影响”，C是“下部伸长区弯曲生长”。

该模式的命题下实验设计往往需要四组： 第一、二组的单一变量是有无A；第三、四组的单一变量是有无B，教材中设计4组的实验原型不多。原型5中对变量做了加法处理，即加热灭活的S型细菌与活的R型细菌混合后注射；原型6中对变量做了减法处理，即在单侧光下用锡箔罩住胚芽鞘尖端。

3.2 通过变式拓展进行探究教学 具体举例如下：

变式例举： 探究顶芽的生长素是否运输到侧芽导致侧芽生长受抑制。

探究教学： 类比原型对信息“探究顶芽的生长素是否运输到侧芽导致侧芽生长受抑制”，符合“A具有，B导致，C发生”的模式。引导学生思考变量： A是“顶芽”，B是“生长素”，C是“侧芽生长受到抑制”。最后，学生表述实验设计思路： 第一、二组的单一变量是有无顶芽以说明顶芽产生生长素；第三、四组的单一变量是有无生长素以说明生长素导致侧芽生长受到抑制。

设计方案： 第一组不做处理；第二组去除顶芽；第三组去除顶芽，切口放置空白琼脂块；第四组去除顶芽，切口放置含有生长素的琼脂块。如果第一组侧芽抑制，第二组侧芽发育，第三组侧芽发育，第四组侧芽抑制，则命题成立。

教师还可通过如下命题变式组织探究教学： ①胚合成赤霉素导致胚乳中淀粉的分解；②发育中的种子产生生长素导致子房壁发育成果实；③成熟叶产生脱落酸导致叶柄容易脱落。