以原型和變式開展實驗設計的思維探究教學

黃五洋

(湖北省石首市第一中學 石首 434400)

高考試題評價與體現核心素養的導向已經凸顯，實驗設計的難度就在于學生無法突破實驗設計思路，只有在合理的實驗設計思路指引下，才能保證實驗設計的科學性，這是實驗設計的首要考慮。而如何完善糾正具體的實驗步驟(如操作流程、檢測方法)則是次要的。本文通過原型的思維教學和變式的探究教學，說明對實驗命題要分類考慮，從命題文本中確定變量進而組織設計思路是比較符合學生實際的。

1 第一類： A成立或者B成立，非A即B

1.1 通過原型教學發展實驗思維 具體舉例如下：

教材原型1的內容，人教版教材(必修1)第102頁： 1941年魯賓和卡門進行兩組實驗。第一組向植物提供H2O和C18O2；第二組向植物提供H218O和CO2。在其他條件相同的情況下，進行放射性檢測。結果是第一組釋放的氧氣全是O2，第二組釋放的氧氣全是18O2。該實驗表明： 氧氣中的O元素來自于H2O。

教材原型2的內容，人教版教材(必修2)第45頁： 1952年赫爾希和蔡斯完成實驗，第一組實驗中35S標記的噬菌體侵染未標記的細菌后，上清液放射性較高，沉淀物的放射性較低；第二組實驗中32P標記的噬菌體侵染未標記的細菌后，上清液放射性較低，沉淀物的放射性較高。該實驗證明： 噬菌體中的DNA是遺傳物質。

對以上原型1和原型2進行類比： 原型1： 引導學生表述實驗命題文本，即確定氧氣中的O元素來自于H2O還是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，單一變量是H2O還是CO2。原型2： 引導學生表述實驗命題文本，即確定噬菌體中的遺傳物質是DNA或是蛋白質。符合“A成立或B成立，非A即B”的模式，A是“DNA”，B是“蛋白質”。因此，單一變量就是DNA或是蛋白質。

啟發學生對兩者進行比較，兩個原型的共同設計思路是單獨觀察A或者B，命題文本中包含兩個并列關系的要素A和B， A和B一般是互斥的。布置任務驅動讓學生尋找教材中的類似原型。其他符合此類命題文本模式的原型還有： 探究酵母菌的呼吸方式，命題轉化為是有氧呼吸或是無氧呼吸；孟德爾的豌豆雜交實驗，可轉換為探究命題，即豌豆的兩對相對性狀的基因位于一對染色體或是位于兩對染色體上；摩爾根的果蠅實驗，其探究命題是白眼基因位于常染色體或是性染色體；探究生長素在胚芽鞘內的運輸方向是從形態學上端到形態學下端或是從形態學下端到形態學上端，也可運用此模式教學。鑒于以上原型的共性，學生自然會覺得遷移到其他實驗設計題中是可取的。

1.2 通過變式拓展進行探究教學 具體舉例如下：

變式舉例(2017年高考Ⅰ卷理綜第29題)： 根據遺傳物質的化學組成，可將病毒分為RNA病毒和DNA病毒兩種類型，假設在宿主細胞內不發生堿基之間的相互轉換，請利用放射性同位素標記的方法，以體外培養的宿主細胞等為材料，設計實驗以確定一種新病毒的類型，簡要寫出實驗思路(要求： 實驗包含可相互印證的甲、乙兩個組)。

探究教學： 該實驗命題文本是設計實驗以確定一種新病毒的類型，而題目條件明確指出： 病毒分為RNA病毒和DNA病毒兩種類型。因此，命題文本是“A成立或者B成立，非A即B”的模式，A是DNA， B是RNA。再比較DNA和RNA兩者的化學組成的不同，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選用標記的堿基。這樣實驗設計思路就形成了，即單獨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。

設計方案： 甲組，將宿主細胞培養在含有放射性標記胸腺嘧啶的培養基中，之后接種新病毒，培養一段時間后收集病毒病監測其放射性；乙組，將宿主細胞培養在含有放射性標記尿嘧啶的培養基中，之后接種新病毒，培養一段時間后收集病毒病監測其放射性。

教師還可通過如下變式組織學生探究： ①判斷反射弧中某神經是傳出神經，或是傳入神經；②要判斷某植物是赤霉素缺失型突變體，或是赤霉素不敏感型突變體。變式的推廣還有： 探究胰島素和生長激素之間存在協同作用，或是拮抗作用；探究生長素和赤霉素之間存在協同作用，或是拮抗作用。此種情形下則需要設計四組實驗，有一組要雙因子同時處理。

2 第二類： A產生或導致和影響B(因果關系)

2.1 通過原型教學發展實驗思維 具體舉例如下：

教材原型3的內容，人教版教材(必修3)第47頁： 1928年溫特實驗，把胚芽鞘尖端放在瓊脂塊上，幾小時后移走尖端，將瓊脂塊放在切去尖端的燕麥胚芽鞘一側，結果胚芽鞘朝對側彎曲，將空白瓊脂塊放在切去尖端的燕麥胚芽鞘一側，則胚芽鞘不生長也不彎曲。該實驗證明胚芽鞘的彎曲生長確實是一種化學物質引起。

教材原型4的內容，人教版教材(必修3)第24頁： 貝利斯和斯塔林重復了沃泰默的實驗，他們的假說是： 在鹽酸的作用下，小腸黏膜可能產生了一種化學物質，隨血液循環到胰腺，引起胰液的分泌。在1902年，為驗證該假設，他們把狗的小腸黏膜與稀鹽酸混合后，加沙礫研磨制成提取液，把提取液注射于同一只狗的靜脈中，發現胰腺分泌胰液。他們將小腸黏膜分泌的這種化學物質命名為促胰液素。

對原型3和原型4進行類比，原型3中實驗結論是尖端產生某種物質。引導學生提煉加工信息，組織表述探究命題文本，即胚芽鞘的彎曲生長的原因是化學物質引起。符合命題文本模式： A產生或導致和影響B， A是“化學物質”，B是“胚芽鞘彎曲生長”。原型4中實驗結論是小腸黏膜產生化學物質。引導學生提煉加工信息，組織表述探究命題文本，即胰液的分泌原因是化學物質引起。符合命題文本模式： A產生或導致和影響B， A是“化學物質”，B是“胰腺分泌胰液”。

在該命題文本模式下，實驗的單一變量是有無A。命題文本直接表明了因變量B，則A的有無是自變量。布置任務： 驅動學生去尋找教材中類似的原型。教材中原型還有： 探索生長素類似物促進插條生根的最適濃度，A是生長素類似物，B是插條生根；探究光照強度影響光合作用速率，A是光照強度，B是光合速率；探究細胞大小與物質運輸的關系，A是細胞大小，B是物質運輸；探究土壤微生物分解淀粉，A是土壤微生物，B是淀粉。

通過以上原型的思維教學，學生歸納推理得出： 可從實驗命題文本中確定自變量，采取有或無的操作，或者是設置梯度(生長素、光照強度、細胞大小、溫度和pH)對自變量控制，從而突破實驗設計思路。

2.2 通過變式拓展進行探究教學 (2011年浙江卷)為了探究某物質X對Y細胞增殖的影響，3H-TdR是DNA合成的原料之一，可根據放射性強度變化來判斷細胞增殖情況。

探究教學： 提取信息“探究某物質X對Y細胞增殖的影響”，符合命題文本模式：“A產生或導致和影響B”，A是物質X， B是Y細胞。這種影響可能是促進，也可能是抑制，也可能是不促進也不抑制。自變量應該是有無X，實驗組用X處理，對照組用生理鹽水處理。

設計方案： 甲組，培養液+Y細胞+3H-TdR(標記的胸腺嘧啶脫氧核苷)+生理鹽水；乙組，培養液+Y細胞+3H-TdR+X(生理鹽水配制)。每組設置若干個重復樣品。分別測定兩組的細胞內的放射性強度，求每組的平均值。將各樣品在適宜條件下培養合適時間后，測定其放射性強度，求每組平均值并進行統計分析。實驗預期及結論略。

教師還可以如下變式組織探究： ①證明甲狀腺分泌甲狀腺激素；②證明胰島素降低血糖；③證明M細胞能夠將肺癌細胞抗原呈遞給胸腺淋巴細胞。

3 第三類： A產生(具有、通過和傳遞)，B導致，C發生

3.1 通過原型教學發展實驗思維 具體舉例如下：

教材原型5的內容，人教版教材(必修2)第43頁： 1928年格里菲斯的肺炎雙球菌體內轉化實驗中。第一組： 注射活的R型細菌，小鼠不死亡；第二組： 注射活的S型細菌，小鼠死亡，尸體中分離出S型細菌；第三組： 注射加熱滅活的S型細菌，小鼠不死亡；第四組： 加熱滅活的S型細菌與活的R型細菌混合后注射，小鼠死亡，尸體中分離出S型細菌。

教材原型6的內容，人教版教材(必修3)第46頁： 1880年英國達爾文研究植物的向光性實驗的過程。第一組： 胚芽鞘在單側光下，向光彎曲生長；第二組： 去除尖端的胚芽鞘在單側光下，不生長不彎曲；第三組： 在單側光下用錫箔罩住胚芽鞘尖端向上，直立生長；第四組： 在單側光下用錫箔罩住胚芽鞘尖端以下一段，向光彎曲生長。

類比原型5和原型6，格里菲斯的實驗結論是： 加熱滅活的S型細菌中含有轉化因子，可將R型活菌轉化為S型活菌。引導學生將其還原為探究實驗命題，文本符合“A具有，B導致，C發生”的模式。其中： A是“加熱滅活的S型細菌”，B是“轉化因子”，C是“轉化為S型活菌”；而達爾文實驗的推想是： 單側光照射使胚芽鞘的產生某種影響傳遞到下面的伸長區，造成背光側比向光側生長更快，因此胚芽鞘出現向光彎曲。其核心內容是： 尖端產生影響導致下部伸長區彎曲生長，引導學生將其還原為探究實驗命題。這句文本符合“A產生，B導致，C發生”的模式。其中： A是“尖端”，B是“影響”，C是“下部伸長區彎曲生長”。

該模式的命題下實驗設計往往需要四組： 第一、二組的單一變量是有無A；第三、四組的單一變量是有無B，教材中設計4組的實驗原型不多。原型5中對變量做了加法處理，即加熱滅活的S型細菌與活的R型細菌混合后注射；原型6中對變量做了減法處理，即在單側光下用錫箔罩住胚芽鞘尖端。

3.2 通過變式拓展進行探究教學 具體舉例如下：

變式例舉： 探究頂芽的生長素是否運輸到側芽導致側芽生長受抑制。

探究教學： 類比原型對信息“探究頂芽的生長素是否運輸到側芽導致側芽生長受抑制”，符合“A具有，B導致，C發生”的模式。引導學生思考變量： A是“頂芽”，B是“生長素”，C是“側芽生長受到抑制”。最后，學生表述實驗設計思路： 第一、二組的單一變量是有無頂芽以說明頂芽產生生長素；第三、四組的單一變量是有無生長素以說明生長素導致側芽生長受到抑制。

設計方案： 第一組不做處理；第二組去除頂芽；第三組去除頂芽，切口放置空白瓊脂塊；第四組去除頂芽，切口放置含有生長素的瓊脂塊。如果第一組側芽抑制，第二組側芽發育，第三組側芽發育，第四組側芽抑制，則命題成立。

教師還可通過如下命題變式組織探究教學： ①胚合成赤霉素導致胚乳中淀粉的分解；②發育中的種子產生生長素導致子房壁發育成果實；③成熟葉產生脫落酸導致葉柄容易脫落。