问题·思维·模型：高中生物学实验能力培养路径

2020-08-07余秀

福建基础教育研究 2020年7期

余秀

（宁德第一中学，福建宁德 352100）

《普通高中生物学课程标准（2017 年版）》明确指出，高中生物学是一门以实验教学为基础的理科课程，实验教学内容占相当大的比重。实验探究活动可以帮助学生克服对生物体微观结构认识的困难，增加感性认识，促进学生建立、理解与应用生物学重要概念，培养学生的探究能力与创新精神。［1］因此，有必要在实践中研究高中生物学实验教学策略。

一、创设问题情境，提高实验探究能力

1.以问题为支架，深入开展实验探究

开展“观察叶绿体和细胞质流动”实验教学时，为了帮助学生正确认识大概念“细胞是生物体结构与生命活动的基本单位”，提高探究能力，笔者根据预实验发现的“仅部分黑藻叶肉细胞能明显观察到叶绿体进行环流运动现象”，设计问题情境，指导学生进行实验探究。

首先，指导学生查阅有关资料，分析“活细胞叶绿体可以运动吗？为什么？”学生通过阅读与讨论，了解到①叶绿体大多呈椭球形，可以随细胞质的流动进行旋转式或环流式运动。②不同光照时，叶绿体能随时改变椭球形的方向，使叶绿体不至于被强光灼伤，又能接受较多的光照。［2］③细胞质基质是细胞进行新陈代谢的主要场所，含有多种酶及无机物，细胞质的流动有利于细胞器的移动和物质的运输，为细胞新陈代谢提供相关物质和条件。接着，指导学生分组开展实验探究。各组学生选取黑藻叶片不同位置细胞制作临时装片，观察叶绿体的运动状态，发现叶绿体不是进行旋转式或环流式运动，而是呈现静止状态或者运动得不明显。指导学生讨论分析“叶绿体静止不动或运动不明显的可能原因是什么？如何证明？”学生经过小组讨论后，认为“叶绿体静止不动或运动不明显的可能原因是细胞死亡、温度太低或细胞新陈代谢不旺盛等”。进一步指导学生根据对照实验原则设计实验方案证明推测。有的小组运用水浴方法提高实验温度，有的小组重新选取靠近叶脉部位的细胞进行观察，有的小组查阅相关资料后，改用灯光照射实验材料以提高温度。结果发现叶绿体皆发生比较明显的运动，可见细胞死亡、温度太低或细胞新陈代谢不旺盛等是造成叶绿体不运动或运动不明显的可能原因。

通过创设问题情境，指导学生深入开展实验探究，设计与实施实验方案，探究实验现象的可能原因，提高实验设计与实施能力的同时，形成“结构与功能相统一”的生命观念。

2.以问题为载体，拓展实验探究

学生清晰地观察到紫色洋葱外表皮细胞质壁分离和复原现象后，教师创设问题情境“如果大液泡没有颜色，植物细胞还能发生质壁分离和复原吗？如何证明？”学生已知“若植物细胞具备大液泡（原生质层）及其两侧的浓度差，则可以发生质壁分离与复原现象”。故作出假设：大液泡是否具有颜色与植物细胞的质壁分离和复原应该没有直接的关联性，只是大液泡若有颜色，则可以明显观察到质壁分离和复原现象，反之，则不易观察到质壁分离和复原现象。但是如何证明？教师提出拓展实验要求“请尝试利用黑藻叶肉细胞或洋葱鳞片叶内表皮细胞观察质壁分离现象并描述实验现象”。指导学生进行观察实验与实验结果分析，学生发现①黑藻叶肉细胞在蔗糖溶液中叶绿体随细胞质做环流运动，同时叶绿体由原来相对分散状态逐渐呈集中分布。②将洋葱鳞片叶内表皮细胞置于0.3g/ml 蔗糖溶液中，将视野调暗或者在蔗糖溶液中滴加红墨水，可以清晰地观察到质壁分离现象。滴加清水后，观察到质壁分离复原现象。用0.3mol/L KNO3溶液代替蔗糖溶液，同样可以清晰地观察到质壁分离现象。由此得出结论：可以借助叶绿体的分布情况观察黑藻细胞质壁分离现象，以及调节视野亮度或将溶液染色等方法观察洋葱内表皮质壁分离现象。以此证明假设成立。

通过创设问题情境，指导学生开展“观察植物细胞的质壁分离和复原”拓展实验，体验验证假设的实验方法，提高实验探究能力。

3.以问题为核心，整合实验探究内容

“检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质实验”是观察验证性实验，学生根据教科书提供的实验方法，一般可以得到理想的实验现象。为了避免学生“照方抓药”“机械操作”，将检测生物组织中的还原糖、淀粉、脂肪和蛋白质等4 个相对独立的实验进行整合，创设问题情境“现有4 瓶标签脱落的溶液，其分别是淀粉、蛋白质、还原糖和脂肪中的一种，你作为一名检验员，请利用显色反应原理设计鉴定4 瓶溶液的实验方案”。指导学生进行讨论、交流，选出最佳实验方案：首先，取4 支试管，分别加入等量的4 种溶液，并滴加等量的碘液，蓝色最深的即为淀粉溶液。接着，取3 支试管，分别加入等量的其余3 种溶液，滴加等量的双缩脲试剂，呈紫色的即为蛋白质。再取2 支试管，分别加入等量的其余2 种溶液，滴加等量的苏丹Ⅲ染液，呈橘黄色的即为脂肪，余下的即为还原糖。

通过创设问题情境，指导学生进行角色扮演，激发学生的实验探究欲望，运用所学物质鉴定原理设计实验方案，提高分析问题、解决问题的能力。

二、溯因推理，提高逻辑思维能力

溯因推理是一种依托事实推导出最佳解释的推理过程。高中遗传学部分具有较多非动手实践型的实验探究内容，应引导学生进行溯因推理，提高逻辑思维能力。

例如，2017 年全国高考I 卷32 题第（2）小题，已知性别决定方式为XY 型的羊，毛色有黑色和白色之分，分别由M/m 这一对基因控制，让多对纯合白毛公羊与纯合黑毛母羊交配，子二代中黑毛个体与白毛个体比例为3∶1，问还需要补充什么数据才能判定相关基因位于常染色体还是X 染色体上。

此类题型的解题方式与常见的探究实验中预期实验结果和结论的解题类似，应指导学生进行“正推逆写”。首先假设①若基因位于常染色体上，则亲本基因型为MM 和mm，子一代为Mm，子二代基因型及比例为1MM:2Mm:1mm，表现为黑毛个体与白毛个体比例为3∶1。②若基因位于X 染色体上，则亲本基因型为XMXM和XmY,子一代为XMXm和XMY，子二代基因型及比例为1XMXM:1XMXm:1XMY:XmY,表现为黑毛个体与白毛个体比例为3∶1。即不论基因位于哪种染色体上，子二代出现的结果均相同。指导学生比较分析上述两种假设，发现若基因位于X 染色体上，则子二代中个体性状与性别有特殊关系，如果有相关信息的补充，如子二代白毛个体的性别比例等，即可确定基因位于常染色体还是X 染色体上了。

又如，某雌雄同株异花植物的花色产生机理为白色前体物质在A 基因控制合成的A 酶作用下生成黄色，在B 基因控制合成的B 酶作用下生成红色，其中A基因位于3 号染色体上。现用纯种白花和黄花植株杂交，子一代均开红花，子二代红花：黄花：白花比例为9:3:4。研究人员重复该实验，子二代出现了3:1:4 的性状分离比。已知，子一代3 号染色体部分缺失且导致含缺失染色体的雄配子致死，据此推测该缺失部分是否包含A 基因或者a 基因？发生染色体缺失的是A 还是a 基因所处的3 号染色体？

根据题意可知，出现异常比例的原因可能是3 号染色体上A 或者a 基因所处片段缺失，或者是A 和a 基因所处片段保留而其他片段缺失。故假设：若缺失部位含A 基因，不仅雄配子致死，雌配子相关基因也丢失，子二代中个体基因型均为aa，将不会出现有关花色的性状分离，而表现均为白色。同理，若缺失部位含a 基因，子代将均为AA，表现为白色缺失。对于问题2“发生染色体缺失的是A 还是a 基因所处的3 号染色体”，同样分别假设：若含A 基因的染色体缺失，但A基因未缺失，则其产生雌配子有比例相等的A 和a 两种基因。而雄配子只有a 基因一种，则下列推理符合实验结果（如图1）。同理可推导出缺失染色体不含a基因。

图1 有关A 所处染色体片段缺失的推理过程

三、建构答题模型，提高解决问题能力

生物学实验题是区分度高的题型，学生解答此类题目常常不知如何表达或者词不达意，有必要指导学生建构相关答题模型，帮助学生正确表达，提高分析问题、解决问题的能力。

1.建构探究自变量对因变量影响的答题模型

对于考查学生是否正确认识实验自变量或因变量的实验题，可以指导学生在实验目的或者实验数据中寻找自变量或因变量。例如，“探究温度（或PH）对酶活性的影响”“探究不同环境因素对光合作用（强度或速率）的影响”，从标题就可以发现自变量分别是温度（或PH）和不同环境因素，因变量分别是酶活性和光合作用强度或速率。

相对复杂一些的是以柱形图或曲线图形式设问，横坐标代表自变量，纵坐标代表因变量，此类试题的一般为答题模型是“探究自变量（横坐标）对因变量（纵坐标）的影响”，如果涉及多个自变量则往往会特别标注的。如图2 表示研究人员诱导染色体数目加倍时的实验处理和结果，由此可判断该实验的自变量是秋水仙素浓度和处理时间，因变量是染色体数目加倍效果。

图2 诱导染色体数目加倍实验

2.建构事实与结果间联系的答题模型

考查事实与结果间联系的实验题，一般已知的事实是导致结果的间接原因，而需解决的问题则是直接原因。此类试题是高中生物学实验题的重要题型，有必要指导学生建构归因类答题模型（图3）。［3］

例如，某植物在光照等适宜条件下培养一段时间，环境中CO2浓度由1%迅速改变为0.003%，叶片暗反应中C5浓度升高的原因是什么？该问题的事实（间接原因）是CO2浓度降低，结果是C5浓度升高。分析可知，当植物光合作用达到稳定，C3和C5化合物含量稳定。降低CO2浓度时（间接原因发生），C5化合物消耗速率减慢而合成速率却不变，则C5浓度积累，即叶片暗反应中C5浓度升高的原因是C5化合物消耗速率减慢而合成速率却不变。