提升實驗探究能力的高三生物微專題復(fù)習(xí)教學(xué)研究
——以“同位素標記法專題復(fù)習(xí)”為例

桂 芳

（湖北省武漢市第十二中學(xué) 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(guī)律入手，內(nèi)化知識，構(gòu)建結(jié)構(gòu)，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(fù)習(xí)方法。在二輪復(fù)習(xí)中，教師帶領(lǐng)學(xué)生對那些分散的、零星的、在課本里跳躍性出現(xiàn)的知識點進行微專題復(fù)習(xí)，對它們進行比較、梳理、歸納，找出各部分之間的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律，形成清晰的知識網(wǎng)絡(luò)，幫助學(xué)生上下溝通聯(lián)系所學(xué)知識，使知識進一步深化與拓展，提升關(guān)鍵能力，培養(yǎng)學(xué)科素養(yǎng)。

生物學(xué)科關(guān)鍵能力是指即將進入高等學(xué)校的學(xué)習(xí)者在面對與生物學(xué)科相關(guān)的生活實踐或?qū)W習(xí)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(xué)科關(guān)鍵能力確立為理解能力、實驗探究能力、解決問題能力、創(chuàng)新能力。其中實驗探究能力是學(xué)生在學(xué)習(xí)和實踐實驗后，能夠掌握科學(xué)探究的整個流程，如分析問題、設(shè)計實驗、預(yù)測結(jié)果并得出結(jié)論或作出解釋，并對相關(guān)生物學(xué)問題進行科學(xué)探究的能力。

實驗探究能力是新高考生物學(xué)科中一項關(guān)鍵能力，也是生物學(xué)科科學(xué)探究核心素養(yǎng)中的一個重要內(nèi)容。下文結(jié)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(xué)研究方法構(gòu)建微專題復(fù)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合相關(guān)實驗情境梳理、學(xué)習(xí)、運用，進行實驗分析和實驗設(shè)計，加深理解學(xué)科研究方法，提升學(xué)科素養(yǎng)。

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(xué)學(xué)科中的一種科學(xué)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(xué)，甚至對其有一些錯誤的理解，導(dǎo)致學(xué)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(zhì)的運行和變化規(guī)律。用同位素標記的化合物，化學(xué)性質(zhì)不會改變?？茖W(xué)家通過追蹤同位素標記的化合物，可以弄清化學(xué)反應(yīng)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(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)不同的原子為同位素，如16O與18O，12C和14C。同位素的物理性質(zhì)可能有差異，但組成的化合物化學(xué)性質(zhì)相同，用物理性質(zhì)特殊的同位素來標記化學(xué)反應(yīng)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(zhì)的運行和變化規(guī)律。通過追蹤同位素標記的化合物，可以弄清楚化學(xué)反應(yīng)的詳細過程。生物學(xué)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(wěn)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(guān)實驗的實驗檢測方法給出了理論依據(jù)。

1.2 實驗原理更明確

在用同位素標記法證明DNA半保留復(fù)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(wěn)定同位素，這兩種同位素的相對原子質(zhì)量不同，含15N的DNA比含14N的DNA密度大，因此，利用離心技術(shù)可以在試管中區(qū)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(xué)設(shè)計思路

科學(xué)實驗和科學(xué)探究情境主要來自于真實的生物學(xué)研究的內(nèi)容以及由這些內(nèi)容進行知識遷移所產(chǎn)生的情境或問題。同位素標記法運用的實驗在高中生物學(xué)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(guān)實驗中，學(xué)生對實驗自變量、因變量的判斷存在困難或者誤區(qū)，對實驗的選材和結(jié)果分析等環(huán)節(jié)也不清晰。教師可以挖掘相關(guān)實驗情境，設(shè)計同位素標記法的微專題展開復(fù)習(xí)，重在引導(dǎo)學(xué)生進行實驗探究和分析，從而有效培養(yǎng)學(xué)生的實驗探究能力，最終實現(xiàn)學(xué)生生物學(xué)科核心素養(yǎng)的提升。該微專題的教學(xué)設(shè)計思路如圖1所示。

圖1 專題設(shè)計思路

3 教學(xué)實踐過程

3.1 課前梳理教材，完成表格

課前，教師要求學(xué)生梳理高中教材中有關(guān)運用同位素標記的相關(guān)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(guān)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(jié)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(fù)制，則以15N標記的脫氧核苷酸為原料培養(yǎng)未被標記的DNA,所得子一代DNA離心后，放射性只出現(xiàn)在中帶。

③用3H標記的亮氨酸培養(yǎng)漿細胞，可以檢測到放射性的結(jié)構(gòu)依次為:核糖體→內(nèi)質(zhì)網(wǎng)→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(zhì)進行實驗。

答案：①× ②× ③× ④×

教師根據(jù)學(xué)生預(yù)習(xí)反饋，總結(jié)學(xué)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(shè)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(shè)計意圖：學(xué)生梳理教材，回歸課本，教師通過判斷題，評估和反饋學(xué)生的一輪復(fù)習(xí)情況，同時結(jié)合學(xué)生呈現(xiàn)出的不同學(xué)業(yè)和核心素養(yǎng)的達成情況、預(yù)習(xí)結(jié)果，生成需要解決的核心問題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，突出課堂中學(xué)生的主體地位，創(chuàng)造性開展教學(xué)設(shè)計。

3.2 課堂深入探究，提升能力

課堂中，教師根據(jù)學(xué)生預(yù)習(xí)反饋生成的相關(guān)問題，引導(dǎo)學(xué)生深入探究，提升實驗探究能力，落實生物學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

3.2.1 高考真題情境，導(dǎo)入課題

教師呈現(xiàn)高考真題如下：

（2017年·全國卷I·29）根據(jù)遺傳物質(zhì)的化學(xué)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(xiàn)后需要確定該病毒的類型。假設(shè)在宿主細胞內(nèi)不發(fā)生堿基之間的相互轉(zhuǎn)換，請利用放射性同位素標記的方法，以體外培養(yǎng)的宿主細胞等為材料，設(shè)計實驗以確定一種新病毒的類型。簡要寫出實驗思路、預(yù)期實驗結(jié)果及結(jié)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(yīng)用的實驗設(shè)計，對學(xué)生的能力要求很高，由此引入專題學(xué)習(xí)。

設(shè)計意圖：教師利用高考真題引入并分析題目考查的內(nèi)容及能力要求，強調(diào)掌握科學(xué)研究方法和實驗方法的重要性，體會設(shè)計微專題學(xué)習(xí)的必要性。

3.2.2 利用拓展資料，深入學(xué)習(xí)

教師提供學(xué)習(xí)資料：同位素是同一元素的不同種類原子，它們具有相同數(shù)目的質(zhì)子數(shù)，而中子數(shù)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(wěn)定性同位素兩類。放射性同位素的原子核很不穩(wěn)定，會不間斷發(fā)出射線，如3H、14C、35S、32P、131I；穩(wěn)定性同位素極不易發(fā)生自行衰變，目前技術(shù)手段檢測不到其放射性，如180和15N?？茖W(xué)家通過對同位素的追蹤，可以揭示化學(xué)反應(yīng)的詳細過程，這種科學(xué)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(zhì)運行和變化過程時，就被稱為示蹤元素。放射性同位素和穩(wěn)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(wěn)定、不斷放出特征射線的屬性，可用核探測設(shè)備對它的數(shù)量、位置（體內(nèi)或體外）及在化學(xué)反應(yīng)中的轉(zhuǎn)變過程等，實現(xiàn)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(yōu)點。穩(wěn)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(zhì)量、質(zhì)譜性質(zhì)等方面的區(qū)別，通過質(zhì)譜儀或氣相層析儀等儀器來完成分析。

教師要求學(xué)生閱讀以上資料，完成以下有關(guān)同位素的總結(jié)。

（1）同位素的概念：

______元素的不同種類原子，它們具有相同數(shù)目的______，而______數(shù)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(yīng)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(jié)果檢測

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

如果標記元素是______同位素，可在______、______等方面進行區(qū)別。

設(shè)計意圖：教師將查閱整合后的相關(guān)同位素標記法的拓展資料提供給學(xué)生，讓學(xué)生閱讀整理，促進學(xué)生深入學(xué)習(xí)該方法的概念、特點、原理等知識，培養(yǎng)提升學(xué)生獲取信息的能力。

3.2.3 結(jié)合學(xué)習(xí)結(jié)果，實驗分析

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

表2 同位素標記法相關(guān)實驗的分析

設(shè)計意圖：在梳理和學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，教師挖掘教材中5個實驗，從不同的角度設(shè)問進行分析，學(xué)生分組討論匯報。這個環(huán)節(jié)不僅使學(xué)生先前生成的問題得以解決，而且可以提升學(xué)生的實驗探究能力。

3.2.4 完善知識體系，總結(jié)規(guī)律

教師引導(dǎo)學(xué)生分析小結(jié)相關(guān)實驗的共同規(guī)律（表2），再總結(jié)同位素標記法的應(yīng)用“四確定”，引導(dǎo)學(xué)生交流并完成填空：

（1）確定實驗?zāi)康模?/p>

可用于研究細胞內(nèi)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(jié)構(gòu)和功能；研究病毒遺傳物質(zhì)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(zhì)）只用___種同位素標記___種物質(zhì)。

（3）確定同位素種類：

根據(jù)實驗?zāi)康?，一般先確定需要標記的____________；再選擇______的種類。

（4）確定結(jié)果檢測方法（明確因變量）

根據(jù)所選同位素的______，確定結(jié)果是______還是____________。

設(shè)計意圖：通過尋找規(guī)律和總結(jié)方法的過程，學(xué)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(xùn)練提升學(xué)生的科學(xué)思維水平。

3.2.5 體驗學(xué)以致用，鞏固提升

教師讓學(xué)生再次解析之前的判斷題后引導(dǎo)利用以上“四要素”解答導(dǎo)入中的高考真題，并要求學(xué)生完成課后訓(xùn)練案習(xí)題。

設(shè)計意圖：首尾呼應(yīng)，學(xué)生通過這節(jié)課的學(xué)習(xí)，充分體會到學(xué)以致用，體驗學(xué)習(xí)的自豪感和成就感。

4 教學(xué)研究反思

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

關(guān)于同類微專題的復(fù)習(xí)方法，參考趙占良教授對高中生物學(xué)教材中的科學(xué)方法分類，結(jié)合教材中常用的一些科學(xué)方法，整理如圖2所示。教師可以根據(jù)學(xué)情設(shè)計相關(guān)微專題進行二輪復(fù)習(xí)，例如應(yīng)用“假說演繹法”“模型法”等。

圖2 高中生物學(xué)微專題的復(fù)習(xí)方法

在實驗情景的設(shè)置上，教師可以讓學(xué)生自行設(shè)計實驗進行探究，從實驗方法、實驗材料的選擇、實驗?zāi)康?、觀察指標、實驗結(jié)果、實驗結(jié)果分析、實驗結(jié)論等各環(huán)節(jié)完成整個探究過程。這樣的拓展和設(shè)計更能有效培養(yǎng)學(xué)生的實驗探究能力，最終實現(xiàn)學(xué)生生物學(xué)科核心素養(yǎng)的提升。