問題·思維·模型：高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng)路徑

余 秀

（寧德第一中學(xué)，福建 寧德 352100）

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）》明確指出，高中生物學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為基礎(chǔ)的理科課程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容占相當(dāng)大的比重。實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)可以幫助學(xué)生克服對(duì)生物體微觀結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的困難，增加感性認(rèn)識(shí)，促進(jìn)學(xué)生建立、理解與應(yīng)用生物學(xué)重要概念，培養(yǎng)學(xué)生的探究能力與創(chuàng)新精神。［1］因此，有必要在實(shí)踐中研究高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略。

一、創(chuàng)設(shè)問題情境，提高實(shí)驗(yàn)探究能力

1.以問題為支架，深入開展實(shí)驗(yàn)探究

開展“觀察葉綠體和細(xì)胞質(zhì)流動(dòng)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，為了幫助學(xué)生正確認(rèn)識(shí)大概念“細(xì)胞是生物體結(jié)構(gòu)與生命活動(dòng)的基本單位”，提高探究能力，筆者根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的“僅部分黑藻葉肉細(xì)胞能明顯觀察到葉綠體進(jìn)行環(huán)流運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象”，設(shè)計(jì)問題情境，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。

首先，指導(dǎo)學(xué)生查閱有關(guān)資料，分析“活細(xì)胞葉綠體可以運(yùn)動(dòng)嗎？為什么？”學(xué)生通過閱讀與討論，了解到①葉綠體大多呈橢球形，可以隨細(xì)胞質(zhì)的流動(dòng)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)式或環(huán)流式運(yùn)動(dòng)。②不同光照時(shí)，葉綠體能隨時(shí)改變橢球形的方向，使葉綠體不至于被強(qiáng)光灼傷，又能接受較多的光照。［2］③細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)是細(xì)胞進(jìn)行新陳代謝的主要場(chǎng)所，含有多種酶及無(wú)機(jī)物，細(xì)胞質(zhì)的流動(dòng)有利于細(xì)胞器的移動(dòng)和物質(zhì)的運(yùn)輸，為細(xì)胞新陳代謝提供相關(guān)物質(zhì)和條件。接著，指導(dǎo)學(xué)生分組開展實(shí)驗(yàn)探究。各組學(xué)生選取黑藻葉片不同位置細(xì)胞制作臨時(shí)裝片，觀察葉綠體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)葉綠體不是進(jìn)行旋轉(zhuǎn)式或環(huán)流式運(yùn)動(dòng)，而是呈現(xiàn)靜止?fàn)顟B(tài)或者運(yùn)動(dòng)得不明顯。指導(dǎo)學(xué)生討論分析“葉綠體靜止不動(dòng)或運(yùn)動(dòng)不明顯的可能原因是什么？如何證明？”學(xué)生經(jīng)過小組討論后，認(rèn)為“葉綠體靜止不動(dòng)或運(yùn)動(dòng)不明顯的可能原因是細(xì)胞死亡、溫度太低或細(xì)胞新陳代謝不旺盛等”。進(jìn)一步指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)對(duì)照實(shí)驗(yàn)原則設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案證明推測(cè)。有的小組運(yùn)用水浴方法提高實(shí)驗(yàn)溫度，有的小組重新選取靠近葉脈部位的細(xì)胞進(jìn)行觀察，有的小組查閱相關(guān)資料后，改用燈光照射實(shí)驗(yàn)材料以提高溫度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)葉綠體皆發(fā)生比較明顯的運(yùn)動(dòng)，可見細(xì)胞死亡、溫度太低或細(xì)胞新陳代謝不旺盛等是造成葉綠體不運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)不明顯的可能原因。

通過創(chuàng)設(shè)問題情境，指導(dǎo)學(xué)生深入開展實(shí)驗(yàn)探究，設(shè)計(jì)與實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案，探究實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的可能原因，提高實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施能力的同時(shí)，形成“結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一”的生命觀念。

2.以問題為載體，拓展實(shí)驗(yàn)探究

學(xué)生清晰地觀察到紫色洋蔥外表皮細(xì)胞質(zhì)壁分離和復(fù)原現(xiàn)象后，教師創(chuàng)設(shè)問題情境“如果大液泡沒有顏色，植物細(xì)胞還能發(fā)生質(zhì)壁分離和復(fù)原嗎？如何證明？”學(xué)生已知“若植物細(xì)胞具備大液泡（原生質(zhì)層）及其兩側(cè)的濃度差，則可以發(fā)生質(zhì)壁分離與復(fù)原現(xiàn)象”。故作出假設(shè)：大液泡是否具有顏色與植物細(xì)胞的質(zhì)壁分離和復(fù)原應(yīng)該沒有直接的關(guān)聯(lián)性，只是大液泡若有顏色，則可以明顯觀察到質(zhì)壁分離和復(fù)原現(xiàn)象，反之，則不易觀察到質(zhì)壁分離和復(fù)原現(xiàn)象。但是如何證明？教師提出拓展實(shí)驗(yàn)要求“請(qǐng)嘗試?yán)煤谠迦~肉細(xì)胞或洋蔥鱗片葉內(nèi)表皮細(xì)胞觀察質(zhì)壁分離現(xiàn)象并描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象”。指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行觀察實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，學(xué)生發(fā)現(xiàn)①黑藻葉肉細(xì)胞在蔗糖溶液中葉綠體隨細(xì)胞質(zhì)做環(huán)流運(yùn)動(dòng)，同時(shí)葉綠體由原來(lái)相對(duì)分散狀態(tài)逐漸呈集中分布。②將洋蔥鱗片葉內(nèi)表皮細(xì)胞置于0.3g/ml 蔗糖溶液中，將視野調(diào)暗或者在蔗糖溶液中滴加紅墨水，可以清晰地觀察到質(zhì)壁分離現(xiàn)象。滴加清水后，觀察到質(zhì)壁分離復(fù)原現(xiàn)象。用0.3mol/L KNO3溶液代替蔗糖溶液，同樣可以清晰地觀察到質(zhì)壁分離現(xiàn)象。由此得出結(jié)論：可以借助葉綠體的分布情況觀察黑藻細(xì)胞質(zhì)壁分離現(xiàn)象，以及調(diào)節(jié)視野亮度或?qū)⑷芤喝旧确椒ㄓ^察洋蔥內(nèi)表皮質(zhì)壁分離現(xiàn)象。以此證明假設(shè)成立。

通過創(chuàng)設(shè)問題情境，指導(dǎo)學(xué)生開展“觀察植物細(xì)胞的質(zhì)壁分離和復(fù)原”拓展實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)驗(yàn)證假設(shè)的實(shí)驗(yàn)方法，提高實(shí)驗(yàn)探究能力。

3.以問題為核心，整合實(shí)驗(yàn)探究?jī)?nèi)容

“檢測(cè)生物組織中的糖類、脂肪和蛋白質(zhì)實(shí)驗(yàn)”是觀察驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生根據(jù)教科書提供的實(shí)驗(yàn)方法，一般可以得到理想的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。為了避免學(xué)生“照方抓藥”“機(jī)械操作”，將檢測(cè)生物組織中的還原糖、淀粉、脂肪和蛋白質(zhì)等4 個(gè)相對(duì)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行整合，創(chuàng)設(shè)問題情境“現(xiàn)有4 瓶標(biāo)簽脫落的溶液，其分別是淀粉、蛋白質(zhì)、還原糖和脂肪中的一種，你作為一名檢驗(yàn)員，請(qǐng)利用顯色反應(yīng)原理設(shè)計(jì)鑒定4 瓶溶液的實(shí)驗(yàn)方案”。指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行討論、交流，選出最佳實(shí)驗(yàn)方案：首先，取4 支試管，分別加入等量的4 種溶液，并滴加等量的碘液，藍(lán)色最深的即為淀粉溶液。接著，取3 支試管，分別加入等量的其余3 種溶液，滴加等量的雙縮脲試劑，呈紫色的即為蛋白質(zhì)。再取2 支試管，分別加入等量的其余2 種溶液，滴加等量的蘇丹Ⅲ染液，呈橘黃色的即為脂肪，余下的即為還原糖。

通過創(chuàng)設(shè)問題情境，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行角色扮演，激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究欲望，運(yùn)用所學(xué)物質(zhì)鑒定原理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，提高分析問題、解決問題的能力。

二、溯因推理，提高邏輯思維能力

溯因推理是一種依托事實(shí)推導(dǎo)出最佳解釋的推理過程。高中遺傳學(xué)部分具有較多非動(dòng)手實(shí)踐型的實(shí)驗(yàn)探究?jī)?nèi)容，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行溯因推理，提高邏輯思維能力。

例如，2017 年全國(guó)高考I 卷32 題第（2）小題，已知性別決定方式為XY 型的羊，毛色有黑色和白色之分，分別由M/m 這一對(duì)基因控制，讓多對(duì)純合白毛公羊與純合黑毛母羊交配，子二代中黑毛個(gè)體與白毛個(gè)體比例為3∶1，問還需要補(bǔ)充什么數(shù)據(jù)才能判定相關(guān)基因位于常染色體還是X 染色體上。

此類題型的解題方式與常見的探究實(shí)驗(yàn)中預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論的解題類似，應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行“正推逆寫”。首先假設(shè)①若基因位于常染色體上，則親本基因型為MM 和mm，子一代為Mm，子二代基因型及比例為1MM:2Mm:1mm，表現(xiàn)為黑毛個(gè)體與白毛個(gè)體比例為3∶1。②若基因位于X 染色體上，則親本基因型為XMXM和XmY,子一代為XMXm和XMY，子二代基因型及比例為1XMXM:1XMXm:1XMY:XmY,表現(xiàn)為黑毛個(gè)體與白毛個(gè)體比例為3∶1。即不論基因位于哪種染色體上，子二代出現(xiàn)的結(jié)果均相同。指導(dǎo)學(xué)生比較分析上述兩種假設(shè)，發(fā)現(xiàn)若基因位于X 染色體上，則子二代中個(gè)體性狀與性別有特殊關(guān)系，如果有相關(guān)信息的補(bǔ)充，如子二代白毛個(gè)體的性別比例等，即可確定基因位于常染色體還是X 染色體上了。

又如，某雌雄同株異花植物的花色產(chǎn)生機(jī)理為白色前體物質(zhì)在A 基因控制合成的A 酶作用下生成黃色，在B 基因控制合成的B 酶作用下生成紅色，其中A基因位于3 號(hào)染色體上?，F(xiàn)用純種白花和黃花植株雜交，子一代均開紅花，子二代紅花：黃花：白花比例為9:3:4。研究人員重復(fù)該實(shí)驗(yàn)，子二代出現(xiàn)了3:1:4 的性狀分離比。已知，子一代3 號(hào)染色體部分缺失且導(dǎo)致含缺失染色體的雄配子致死，據(jù)此推測(cè)該缺失部分是否包含A 基因或者a 基因？發(fā)生染色體缺失的是A 還是a 基因所處的3 號(hào)染色體？

根據(jù)題意可知，出現(xiàn)異常比例的原因可能是3 號(hào)染色體上A 或者a 基因所處片段缺失，或者是A 和a 基因所處片段保留而其他片段缺失。故假設(shè)：若缺失部位含A 基因，不僅雄配子致死，雌配子相關(guān)基因也丟失，子二代中個(gè)體基因型均為aa，將不會(huì)出現(xiàn)有關(guān)花色的性狀分離，而表現(xiàn)均為白色。同理，若缺失部位含a 基因，子代將均為AA，表現(xiàn)為白色缺失。對(duì)于問題2“發(fā)生染色體缺失的是A 還是a 基因所處的3 號(hào)染色體”，同樣分別假設(shè)：若含A 基因的染色體缺失，但A基因未缺失，則其產(chǎn)生雌配子有比例相等的A 和a 兩種基因。而雄配子只有a 基因一種，則下列推理符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果（如圖1）。同理可推導(dǎo)出缺失染色體不含a基因。

圖1 有關(guān)A 所處染色體片段缺失的推理過程

三、建構(gòu)答題模型，提高解決問題能力

生物學(xué)實(shí)驗(yàn)題是區(qū)分度高的題型，學(xué)生解答此類題目常常不知如何表達(dá)或者詞不達(dá)意，有必要指導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)相關(guān)答題模型，幫助學(xué)生正確表達(dá)，提高分析問題、解決問題的能力。

1.建構(gòu)探究自變量對(duì)因變量影響的答題模型

對(duì)于考查學(xué)生是否正確認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)自變量或因變量的實(shí)驗(yàn)題，可以指導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)?zāi)康幕蛘邔?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中尋找自變量或因變量。例如，“探究溫度（或PH）對(duì)酶活性的影響”“探究不同環(huán)境因素對(duì)光合作用（強(qiáng)度或速率）的影響”，從標(biāo)題就可以發(fā)現(xiàn)自變量分別是溫度（或PH）和不同環(huán)境因素，因變量分別是酶活性和光合作用強(qiáng)度或速率。

相對(duì)復(fù)雜一些的是以柱形圖或曲線圖形式設(shè)問，橫坐標(biāo)代表自變量，縱坐標(biāo)代表因變量，此類試題的一般為答題模型是“探究自變量（橫坐標(biāo)）對(duì)因變量（縱坐標(biāo)）的影響”，如果涉及多個(gè)自變量則往往會(huì)特別標(biāo)注的。如圖2 表示研究人員誘導(dǎo)染色體數(shù)目加倍時(shí)的實(shí)驗(yàn)處理和結(jié)果，由此可判斷該實(shí)驗(yàn)的自變量是秋水仙素濃度和處理時(shí)間，因變量是染色體數(shù)目加倍效果。

圖2 誘導(dǎo)染色體數(shù)目加倍實(shí)驗(yàn)

2.建構(gòu)事實(shí)與結(jié)果間聯(lián)系的答題模型

考查事實(shí)與結(jié)果間聯(lián)系的實(shí)驗(yàn)題，一般已知的事實(shí)是導(dǎo)致結(jié)果的間接原因，而需解決的問題則是直接原因。此類試題是高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)題的重要題型，有必要指導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)歸因類答題模型（圖3）。［3］

例如，某植物在光照等適宜條件下培養(yǎng)一段時(shí)間，環(huán)境中CO2濃度由1%迅速改變?yōu)?.003%，葉片暗反應(yīng)中C5濃度升高的原因是什么？該問題的事實(shí)（間接原因）是CO2濃度降低，結(jié)果是C5濃度升高。分析可知，當(dāng)植物光合作用達(dá)到穩(wěn)定，C3和C5化合物含量穩(wěn)定。降低CO2濃度時(shí)（間接原因發(fā)生），C5化合物消耗速率減慢而合成速率卻不變，則C5濃度積累，即葉片暗反應(yīng)中C5濃度升高的原因是C5化合物消耗速率減慢而合成速率卻不變。

圖3 歸因類試題的答題模型

高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，教師應(yīng)貫徹“核心素養(yǎng)為宗旨”的課程基本理念，運(yùn)用問題導(dǎo)學(xué)、溯因推理、模型建構(gòu)等教學(xué)策略，培養(yǎng)學(xué)生尊重事實(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)求證、努力探究生命活動(dòng)的基本規(guī)律與原理的科學(xué)態(tài)度與科學(xué)精神，促進(jìn)學(xué)生提高科學(xué)思維能力與科學(xué)探究能力的同時(shí)，形成生命觀念與社會(huì)責(zé)任意識(shí)。