生物實驗考題視野下的模型建構科學思維

萬曉軍

摘要：結合人教版生物教材和高考生物試題，分析三類生物模型的方法特點及題型要求，對于訓練學生科學思維、提高科學備考效率有積極意義。

關鍵詞：生物實驗;模型建構;科學思維

中圖分類號：G633.91 文獻標志碼：B

高中生物學中的模型與建模是科學思維學科核心素養(yǎng)的一個部分。學生通過模型建構活動，掌握各種模型方法，有利于提高教學和復習效果。

1高中生物課程中的模型與建模活動

從科學思維角度，高中生物模型主要有物理模型、概念模型、數(shù)學模型3種。人教版高中生物學必修教材中所涉及到的模型建構活動見表1。

2生物實驗考題中的模型及題型特點

分析近幾年高考試卷，發(fā)現(xiàn)這三種模型在生物實驗考題有相當大的比例，大多以實驗為背景，具有重要導向作用。

2.1物理模型

物理模型主要有實驗裝置圖、模式圖和形態(tài)結構圖等具體形式。

[例1]（2019·浙江卷·20）為研究R型肺炎雙球菌轉化為S型肺炎雙球菌的轉化物質是DNA還是蛋白質，進行了肺炎雙球菌體外轉化實驗，其基本過程如圖1所示，下列敘述正確的是__（）

A.甲組培養(yǎng)皿中只有s型菌落，推測加熱不會破壞轉化物質的活性

B.乙組培養(yǎng)皿中有R型及S型菌落，推測轉化物質是蛋白質

C.丙組培養(yǎng)皿中只有R型菌落，推測轉化物質是DNA

D.該實驗能證明肺炎雙球菌的主要遺傳物質是DNA

參考答案：C。

題型點評：物理模型能形象呈現(xiàn)，反映生命現(xiàn)象的發(fā)生、發(fā)展及生物的結構、生理。關于物理模型的試題注重創(chuàng)設新情景，考查學生的科學思維能力。

[模擬訓練1]某實驗室利用小白鼠的成熟紅細胞和肌肉細胞按圖2所示裝置進行實驗：

（1）實驗開始時，夾子A關閉，兩裝置中的紅色液滴在刻度0處，5min后，發(fā)現(xiàn)甲裝置中的紅色液滴不移動，乙裝置中的紅色液滴向左移動，原因是__。

（2）從第6min開始，同時打開兩裝置中的夾子A，向里面通入等量的氧氣，20min后，發(fā)現(xiàn)甲裝置中的紅色液滴向右移動了x1，裝NaOH的小燒杯增重了Y1乙裝置中的紅色液滴向右移動了X2，裝NaOH的小

（1）篩選產(chǎn)乳糖酶的微生物L時，宜用__作為培養(yǎng)基中的唯一碳源。培養(yǎng)基中瓊脂的作用是__。從功能上講，這種培養(yǎng)基屬于__。

（2）培養(yǎng)微生物L前，宜采用__方法對接種環(huán)進行滅菌。

（3）乳糖酶宜采用化學結合法（共價鍵結合法）進行固定化，可通過檢測固定化乳糖酶的_-確定其應用價值。除化學結合法外，酶的固定化方法還包括__、__、離子吸附法及交聯(lián)法等。

參考答案：

（1）乳糖凝固劑選擇培養(yǎng)基

（2）灼燒

（3）（酶）活性[或（酶）活力]包埋法物理吸附法

題型點評：這類題型的解題關鍵是審題，找“題眼”，做出判斷。學生要加強結論性語句的記憶，理清生物學概念之間的系統(tǒng)化關系，找準關鍵詞：表述。燒杯增重了Y2。結果發(fā)現(xiàn)蜀大于X2，Y1小于Y2，從分子代謝水平上看，造成這種差異的主要原因是__。

參考答案：（1）肌肉細胞吸收了容器中氧氣，產(chǎn)生的二氧化碳被氫氧化鈉吸收，而小白鼠成熟紅細胞不能有氧呼吸，只進行產(chǎn)乳酸的無氧呼吸，液滴不移動

（2）紅細胞不能進行有氧呼吸（或“紅細胞進行無氧呼吸”）

解析：（1）肌肉細胞吸收了氧氣，產(chǎn)生的二氧化碳被氫氧化鈉吸收，所以乙裝置中氣體減小，液滴向左移動;而紅細胞不進行有氧呼吸，只無氧呼吸，液滴不移動。（2）向裝置里面通入等量氧氣，由于紅細胞不吸收氧氣，肌肉細胞可吸收氧氣進行有氧呼吸，所以X1大于X2;肌肉細胞有氧呼吸釋放二氧化碳，所以肌肉細胞裝置中氫氧化鈉吸收二氧化碳量多，重量增加，而紅細胞無氧呼吸不產(chǎn)生二氧化碳，所以Y1小于Y2。紅細胞不能進行有氧呼吸是造成這種差異的主要原因。

2.2概念模型

概念模型主要有生產(chǎn)流程圖、知識樹和概念集合圖等具體形式。

[例2]（2015·山東理綜卷·35節(jié)選）乳糖酶能夠催化乳糖水解為葡萄糖和半乳糖，具有重要應用價值。乳糖酶的制備及固定步驟如圖3所示。

[模擬訓練2]育種工作者在枇杷中發(fā)現(xiàn)一棵變異的早熟植株，以此為材料進行了培育新品種實驗，如圖4所示。

（1）如果該早熟植株屬于染色體組變異株，可推測該變異株減數(shù)分裂中染色體有多種聯(lián)會方式，由此造成不規(guī)則的——，產(chǎn)生染色體數(shù)目不等、生活力很低的__，因而得不到足量種子。即使得到少量后代，早熟性狀也很難穩(wěn)定遺傳。這種情況下，可考慮選擇育種方法③，其不足之處是需要不斷制備__，成本較高。

（2）新品種1與新品種3均具有早熟性狀，但其他性狀有差異，這是因為新品種1選育過程中基因發(fā)生了多次__，產(chǎn)生的多種基因型中只有一部分在選育過程中保留。

（3）如果變異株是個別基因突變體，則可采用育種方法①，使早熟基因逐漸__，培育成新品種1。為了加快進程，還可采集變異株的進行處理，獲得高度純合后代，選育成新品種2，這種方法稱為__育種。

參考答案：

（1）染色體分離

配子組培苗

（2）重組

（3）純合花藥單倍體

解析：（1）發(fā)生染色體組變異后，可致染色體聯(lián)會紊亂，導致同源染色體分離不規(guī)則，產(chǎn)生染色體數(shù)目不等、生活力低的配子，難以形成足量受精卵;育種方法③利用了植物組培技術，最大優(yōu)點是保持遺傳性狀穩(wěn)定性，不足之處是需不斷制備組培苗，成本高。（2）與新品種3的方法相比，新品種1可發(fā)生“基因重組”，產(chǎn)生多種基因型，導致多種性狀差異。（3）新品種1由“自交”選育，自交可提高變異基因純度，可采集變異株花藥加速育種進程，通過“單倍體育種法”獲得高度純合后代。

2.3數(shù)學模型

數(shù)學模型主要有表格、直方圖、曲線和數(shù)學方程式等具體形式。

[例3]（2018·全國I·4）己知藥物x對細胞增殖有促進作用，藥物D可抑制藥物x的作用。某同學將同一瓶小鼠皮膚細胞均分為甲、乙、丙三組，分別置于培養(yǎng)液中培養(yǎng)，培養(yǎng)過程中進行不同處理（其中甲組未加藥物），每隔一段時間測定各組細胞數(shù)，結果如圖5所示。據(jù)圖分析，下列相關敘述不合理的是（ ）

A.乙組加入了藥物x后再進行培養(yǎng)

B.丙組先加入藥物x，培養(yǎng)一段時間后加入藥物D，繼續(xù)培養(yǎng)

C.乙組先加入藥物D，培養(yǎng)一段時間后加入藥物x，繼續(xù)培養(yǎng)

D.若藥物x為蛋白質，則藥物D可能改變了藥物x的空間結構

參考答案：C。

題型點評：此種命題形式闡述生物學事實、概念、原理和規(guī)律等內容，具有信息量大，直觀明了等特點，較好地考查學生獲取和處理信息的能力。

[模擬訓練3]某實驗小組為了探究生長素（IAA）和乙烯（ACC是乙烯的供體）對植物生根的影響，科學家用擬南芥下胚軸插條進行了一系列實驗，結果如圖6所示，有關分析錯誤的是（ ）

A.ACC對擬南芥下胚軸插條生根作用的影響具有兩重性

B.擬南芥下胚軸插條細胞中，生長素和乙烯的合成時間不確定

c.促進擬南芥下胚軸插條生根的最適宜生長素濃度為50umol.L^-1

D.兩種激素濃度為0時，擬南芥下胚軸插條均有生根，這與其自身激素有關

參考答案：C。

解析：促進擬南芥下胚軸插條生根的最適宜生長素濃度在10umol·L^-1和100umol·L^-1之間，進一步探究最適濃度，可在10unol·L^-1和100umol·L^-1范圍內縮小濃度梯度，但不能判斷50umol·L^-1是最適宜濃度。

3模型建構思維在復習備考中的作用

將模型建構方法應用于生物教學和備考中，可提高學生科學思維能力。新課程生物學課程標準重視模型及模型建構活動開展。考試大綱四項能力要求中特別重視實驗與探究能力的考查，突出對學科思想與方法的考查力度。歷年高考試題為復習提供了規(guī)范訓練的題例，從題型信息上展示了大量模型。教材基本實驗題、實驗分析設計題、教材隱性實驗及實驗背景考題也通過模型來呈現(xiàn)相關信息，為備考提供導向作用。備考實踐表明，通過建構模型有助于學生系統(tǒng)地、完整地理解生物學知識，主動構建模型，訓練學生識圖及圖文轉換的能力。總之，訓練模型和建模思維方法，有助于學生理解知識，提升解題能力，發(fā)展生物學學科核心素養(yǎng)。