問題·思維·模型：高中生物學實驗能力培養路徑

余 秀

（寧德第一中學，福建 寧德 352100）

《普通高中生物學課程標準（2017 年版）》明確指出，高中生物學是一門以實驗教學為基礎的理科課程，實驗教學內容占相當大的比重。實驗探究活動可以幫助學生克服對生物體微觀結構認識的困難，增加感性認識，促進學生建立、理解與應用生物學重要概念，培養學生的探究能力與創新精神。［1］因此，有必要在實踐中研究高中生物學實驗教學策略。

一、創設問題情境，提高實驗探究能力

1.以問題為支架，深入開展實驗探究

開展“觀察葉綠體和細胞質流動”實驗教學時，為了幫助學生正確認識大概念“細胞是生物體結構與生命活動的基本單位”，提高探究能力，筆者根據預實驗發現的“僅部分黑藻葉肉細胞能明顯觀察到葉綠體進行環流運動現象”，設計問題情境，指導學生進行實驗探究。

首先，指導學生查閱有關資料，分析“活細胞葉綠體可以運動嗎？為什么？”學生通過閱讀與討論，了解到①葉綠體大多呈橢球形，可以隨細胞質的流動進行旋轉式或環流式運動。②不同光照時，葉綠體能隨時改變橢球形的方向，使葉綠體不至于被強光灼傷，又能接受較多的光照。［2］③細胞質基質是細胞進行新陳代謝的主要場所，含有多種酶及無機物，細胞質的流動有利于細胞器的移動和物質的運輸，為細胞新陳代謝提供相關物質和條件。接著，指導學生分組開展實驗探究。各組學生選取黑藻葉片不同位置細胞制作臨時裝片，觀察葉綠體的運動狀態，發現葉綠體不是進行旋轉式或環流式運動，而是呈現靜止狀態或者運動得不明顯。指導學生討論分析“葉綠體靜止不動或運動不明顯的可能原因是什么？如何證明？”學生經過小組討論后，認為“葉綠體靜止不動或運動不明顯的可能原因是細胞死亡、溫度太低或細胞新陳代謝不旺盛等”。進一步指導學生根據對照實驗原則設計實驗方案證明推測。有的小組運用水浴方法提高實驗溫度，有的小組重新選取靠近葉脈部位的細胞進行觀察，有的小組查閱相關資料后，改用燈光照射實驗材料以提高溫度。結果發現葉綠體皆發生比較明顯的運動，可見細胞死亡、溫度太低或細胞新陳代謝不旺盛等是造成葉綠體不運動或運動不明顯的可能原因。

通過創設問題情境，指導學生深入開展實驗探究，設計與實施實驗方案，探究實驗現象的可能原因，提高實驗設計與實施能力的同時，形成“結構與功能相統一”的生命觀念。

2.以問題為載體，拓展實驗探究

學生清晰地觀察到紫色洋蔥外表皮細胞質壁分離和復原現象后，教師創設問題情境“如果大液泡沒有顏色，植物細胞還能發生質壁分離和復原嗎？如何證明？”學生已知“若植物細胞具備大液泡（原生質層）及其兩側的濃度差，則可以發生質壁分離與復原現象”。故作出假設：大液泡是否具有顏色與植物細胞的質壁分離和復原應該沒有直接的關聯性，只是大液泡若有顏色，則可以明顯觀察到質壁分離和復原現象，反之，則不易觀察到質壁分離和復原現象。但是如何證明？教師提出拓展實驗要求“請嘗試利用黑藻葉肉細胞或洋蔥鱗片葉內表皮細胞觀察質壁分離現象并描述實驗現象”。指導學生進行觀察實驗與實驗結果分析，學生發現①黑藻葉肉細胞在蔗糖溶液中葉綠體隨細胞質做環流運動，同時葉綠體由原來相對分散狀態逐漸呈集中分布。②將洋蔥鱗片葉內表皮細胞置于0.3g/ml 蔗糖溶液中，將視野調暗或者在蔗糖溶液中滴加紅墨水，可以清晰地觀察到質壁分離現象。滴加清水后，觀察到質壁分離復原現象。用0.3mol/L KNO3溶液代替蔗糖溶液，同樣可以清晰地觀察到質壁分離現象。由此得出結論：可以借助葉綠體的分布情況觀察黑藻細胞質壁分離現象，以及調節視野亮度或將溶液染色等方法觀察洋蔥內表皮質壁分離現象。以此證明假設成立。

通過創設問題情境，指導學生開展“觀察植物細胞的質壁分離和復原”拓展實驗，體驗驗證假設的實驗方法，提高實驗探究能力。

3.以問題為核心，整合實驗探究內容

“檢測生物組織中的糖類、脂肪和蛋白質實驗”是觀察驗證性實驗，學生根據教科書提供的實驗方法，一般可以得到理想的實驗現象。為了避免學生“照方抓藥”“機械操作”，將檢測生物組織中的還原糖、淀粉、脂肪和蛋白質等4 個相對獨立的實驗進行整合，創設問題情境“現有4 瓶標簽脫落的溶液，其分別是淀粉、蛋白質、還原糖和脂肪中的一種，你作為一名檢驗員，請利用顯色反應原理設計鑒定4 瓶溶液的實驗方案”。指導學生進行討論、交流，選出最佳實驗方案：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。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。

通過創設問題情境，指導學生進行角色扮演，激發學生的實驗探究欲望，運用所學物質鑒定原理設計實驗方案，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推導出最佳解釋的推理過程。高中遺傳學部分具有較多非動手實踐型的實驗探究內容，應引導學生進行溯因推理，提高邏輯思維能力。

例如，2017 年全國高考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 這一對基因控制，讓多對純合白毛公羊與純合黑毛母羊交配，子二代中黑毛個體與白毛個體比例為3∶1，問還需要補充什么數據才能判定相關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驗中預期實驗結果和結論的解題類似，應指導學生進行“正推逆寫”。首先假設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，表現為黑毛個體與白毛個體比例為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,表現為黑毛個體與白毛個體比例為3∶1。即不論基因位于哪種染色體上，子二代出現的結果均相同。指導學生比較分析上述兩種假設，發現若基因位于X 染色體上，則子二代中個體性狀與性別有特殊關系，如果有相關信息的補充，如子二代白毛個體的性別比例等，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生機理為白色前體物質在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 號染色體上。現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。研究人員重復該實驗，子二代出現了3:1:4 的性狀分離比。已知，子一代3 號染色體部分缺失且導致含缺失染色體的雄配子致死，據此推測該缺失部分是否包含A 基因或者a 基因？發生染色體缺失的是A 還是a 基因所處的3 號染色體？

根據題意可知，出現異常比例的原因可能是3 號染色體上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：若缺失部位含A 基因，不僅雄配子致死，雌配子相關基因也丟失，子二代中個體基因型均為aa，將不會出現有關花色的性狀分離，而表現均為白色。同理，若缺失部位含a 基因，子代將均為AA，表現為白色缺失。對于問題2“發生染色體缺失的是A 還是a 基因所處的3 號染色體”，同樣分別假設：若含A 基因的染色體缺失，但A基因未缺失，則其產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，則下列推理符合實驗結果（如圖1）。同理可推導出缺失染色體不含a基因。

圖1 有關A 所處染色體片段缺失的推理過程

三、建構答題模型，提高解決問題能力

生物學實驗題是區分度高的題型，學生解答此類題目常常不知如何表達或者詞不達意，有必要指導學生建構相關答題模型，幫助學生正確表達，提高分析問題、解決問題的能力。

1.建構探究自變量對因變量影響的答題模型

對于考查學生是否正確認識實驗自變量或因變量的實驗題，可以指導學生在實驗目的或者實驗數據中尋找自變量或因變量。例如，“探究溫度（或PH）對酶活性的影響”“探究不同環境因素對光合作用（強度或速率）的影響”，從標題就可以發現自變量分別是溫度（或PH）和不同環境因素，因變量分別是酶活性和光合作用強度或速率。

相對復雜一些的是以柱形圖或曲線圖形式設問，橫坐標代表自變量，縱坐標代表因變量，此類試題的一般為答題模型是“探究自變量（橫坐標）對因變量（縱坐標）的影響”，如果涉及多個自變量則往往會特別標注的。如圖2 表示研究人員誘導染色體數目加倍時的實驗處理和結果，由此可判斷該實驗的自變量是秋水仙素濃度和處理時間，因變量是染色體數目加倍效果。

圖2 誘導染色體數目加倍實驗

2.建構事實與結果間聯系的答題模型

考查事實與結果間聯系的實驗題，一般已知的事實是導致結果的間接原因，而需解決的問題則是直接原因。此類試題是高中生物學實驗題的重要題型，有必要指導學生建構歸因類答題模型（圖3）。［3］

例如，某植物在光照等適宜條件下培養一段時間，環境中CO2濃度由1%迅速改變為0.003%，葉片暗反應中C5濃度升高的原因是什么？該問題的事實（間接原因）是CO2濃度降低，結果是C5濃度升高。分析可知，當植物光合作用達到穩定，C3和C5化合物含量穩定。降低CO2濃度時（間接原因發生），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

高中生物學實驗教學時，教師應貫徹“核心素養為宗旨”的課程基本理念，運用問題導學、溯因推理、模型建構等教學策略，培養學生尊重事實、嚴謹求證、努力探究生命活動的基本規律與原理的科學態度與科學精神，促進學生提高科學思維能力與科學探究能力的同時，形成生命觀念與社會責任意識。