基于概念模型構建的實驗分組設計策略分析

王亞民

[摘要] 實驗分組設計作為生物學命題考查的重點，其對于學生實證審辯思維與科學探究方法的獲取也至關重要。研究通過梳理對照實驗分組設計的邏輯關系，構建了實驗探究的概念模型，并以教學實例的應用反思提供了基于該模型的實驗分組設計教學策略，進而為提高學生的實驗分組設計能力，培育其科學思維及科學探究核心素養奠定了基礎。

[關鍵詞] 概念模型;實驗分組設計;陰陽對照

實驗分組設計作為生物學實驗探究的方法或原則，其對于學生領悟科學探究的本質、具象現實探究的應用大有裨益。[1]可見，實驗分組設計既是學生進行實驗式探究的重要基石，更是培養學生科學精神、改善思維品質與落地核心素養的重要途徑。反觀現實，生物學實驗設計能力訓練往往是學生科研與探索能力訓練的最薄弱環節，生物實驗設計的關鍵之一就是實驗分組要科學合理。分組是否科學，關系到實驗結果判斷的準確性和結論的可靠性。通過設置對照實驗，既可排除無關變量的影響，又可提高實驗結果的準確性和說服力，幫助學生涵育實證審辯的科學思維。因此，在生物學教學中，提高實驗分組設計的質量顯得尤為重要。

一、實驗分組設計概念模型的構建

對照實驗不僅是高中生物學實驗中最為常見的實驗類型，更為很多復雜實驗設計的基礎類型。而在這一類實驗的探究中，大多應遵循單一變量與控制變量原則，采用陰性對照的方式進行探究設計，以確定自變量對因變量的影響，進而分析得出結論。對照試驗得出的結論往往是自變量對因變量存在影響，正因如此，在我國港臺地區也將“因變量”稱之為“依變量”，即其依據自變量的變化而改變。通過以上的邏輯梳理，筆者構建了如圖1所示的實驗分組設計概念模型。從圖中不難發現，實驗分組設計中的“設計”在于對自變量變化的陰陽分組設計，就是考慮以何種單一變量的陰性（空白對照）或陽性（實驗對照）為劃分組別的依據。正因如此，實驗教學過程中應通過自變量的變化讓學生明確實驗的分組設計方式，進而幫助學生經由分組設計來明確探究問題、追溯分組原因，并生成研究結論。下文就如何運用該實驗分組設計的概念模型進行教學予以相應探討。

二、實驗分組設計概念模型的應用

1.依據經典實驗，內化陰性對照

科學史經典實驗是學生嘗試、模仿學習的主要材料，其中不僅蘊藏著科學探究的一般方法與技術應用，也包含著實驗分組設計、設置陰性對照的嚴謹性科學思維。在實際教學過程中，生物學教師可以依據科學史的經典實驗，讓學生內化體悟實驗設計陰性對照的必要性，并在此基礎上涵育學生的思維觀念。在教授艾弗里的經典轉化實驗時，可以讓學生結合如上的概念模型，引導學生思考艾弗里研究肺炎雙球菌的離體轉化實驗的自變量是什么，進而分析如何改變自變量，從而明確分析科學家為何要設計不同組別的實驗。換言之，讓學生明確科學家改變S型菌中DNA的量（自變量）以設置陰性對照。學生圍繞著科學家的探究過程進行思考，便于其深入內化陰性對照組設計的必要性。

具體而言，在教學過程中給予學生先行組織者材料：科學家艾弗里在研究肺炎雙球菌的離體轉化試驗時，把活的S型菌的各物質分別純化，并分別將它和R型菌混合培養。分別設置如下實驗組，組一：“S型菌的蛋白質+R型菌”液體懸浮培養可以單菌落分離出R型菌;組二：“S型菌的夾膜多糖+R型菌”液體懸浮培養可以單菌落分離出R型菌;組三：“S型菌的DNA+R型菌”液體懸浮培養可以在單菌落分離出S、R型菌;組四：“S型菌的DNA+DNA酶R型菌”液體懸浮培養可以單菌落分離R型菌。緊接著，讓學生綜合部分組別進行論證轉化的必備要素，學生通過后兩組就能論證S型菌的DNA是R型菌轉化為S型菌的充要條件。科學家實驗設計不同純度的S型菌DNA進行轉化實驗，純度越高轉化效率越高，從而進一步驗證了DNA是轉化因子。[2]

2.關聯現實應用，補齊對照組別

在實際教學中，教師可以模擬現實情境問題的解決過程，幫助學生體悟實驗分組，促進他們的主動設計。以浙江省高考題為例，某同學欲研究大鼠皮膚移植后的皮膚存活率，提出了下面的實驗思路。請以皮膚存活率為指標，預測實驗結果并進行分析。組一：取A系大鼠的皮膚切片移植到自身的另一部位;組二：取A系大鼠的皮膚切片移植到B系大鼠;組三：取與組二相同處理并出現排斥反應后的B系大鼠的T淋巴細胞，注射到未處理的B系大鼠并將A系大鼠的皮膚切片移植到該大鼠。之前將上述各組若干只處理后的大鼠進行飼養，每隔一定時間觀測皮膚切片的存活狀況并記錄，計算皮膚存活率。若設置組四，其處理是給予大鼠免疫抑制劑，再移植皮膚片。請問用免疫抑制劑處理的理由是什么。請學生設計出另一組實驗，可以用于探究該問題。

該試題的解題教學過程如下：首先，讓學生明確要探究的問題，即驗證大鼠對移植皮膚起排斥反應的主要是T淋巴細胞。其次，讓學生依據實驗分組設計概念模型的思路，回顧自己所學的生物學理論知識分析，推測各組實驗中讓自變量發生變化后的因變量變化，即探討兩者之間的關聯性。以上教學讓學生們經由小組合作學習完成，可得出組4的實驗設計思路是讓自變量淋巴細胞發生變化，進而導致因變量皮膚存活時間發生變化。可見，給予大鼠免疫抑制劑，是為了抑制了T淋巴細胞的增殖及功能，延長移植皮膚的存活時間。最后，讓學生設計組5補充說明所得出的結論。當時，學生需要具備“胸腺是T淋巴細胞成熟的場所”這一知識背景，方能明確到切除胸腺是用于減少T淋巴細胞的數量。因此，組5的設計思路為切除大鼠的胸腺，促使T淋巴細胞數量減少，進而延長皮膚的存活時間。

通過上面的教學案例可以發現，實驗分組的教學滲透不僅可以通過教科書中的經典實驗進行，還可以采用關聯現實生產生活的探究性問題予以滲透。現實中醫學研究為了證明T淋巴細胞對皮膚移植存在影響，以及骨髓在反射弧中的作用，可以通過相關方法處理，進行陰性對照。因此，學生嘗試給出實驗分組設計的理由，既是他們分析實驗設計中如何改變自變量，更是教師在幫助學生補齊實驗的對照組別，明晰組別設計背后的內核，即在于運用分組設計的概念模型，明確需要調適的變量，從而確定相互間關系。如組4為什么用免疫抑制劑處理，理由就是免疫抑制劑處理可以改變變量，即減少T淋巴細胞的數量，從而延長皮膚存活的時間。

3.陰陽對照結合，強化論證推理

生物學實驗的設計與教學策略離不開對于實驗變量的控制，而從上文的課例應用中可以發現實驗分組設計的核心為分析自變量。分組的目的在于通過設計實驗改變自變量，來檢視因變量的變化。實則，促使因變量改變的思路有兩個維度，即增強自變量（陽性對照）和減弱自變量（陰性對照）。這就是概念模型中實驗設計的策略：陰陽對照結合。同樣，以浙江省高考題為例，可以通過應用上文提出的概念模型，進行實驗分組設計的陰陽對照結合，強化學生的論證推理。該試題的主要情境如下：利用無細胞的酵母汁可以進行乙醇發酵，而乙醇發酵的酶發揮催化作用需要小分子和離子輔助。為驗證上述結論，某研究小組進行了實驗設計，請幫助其補充完善。

材料和試劑：酵母菌、酵母汁、A溶液（含有酵母汁中的各類生物大分子）、B溶液（含有酵母汁中的各類小分子和離子）、葡萄糖溶液、無菌水。實驗共計六組，其中四組的實驗處理和結果如下：組一為葡萄糖溶液+無菌水，結果是無乙醇生成;組二為葡萄糖溶液+酵母菌，結果是有乙醇生成;組三是葡萄糖溶液+A溶液，結果是無乙醇生成;組四是葡萄糖溶液+B溶液，結果是無乙醇生成。需要解答的問題為除表中四組外，其他兩組的實驗處理分別是什么;若為了研究B溶液中離子M對乙醇發酵是否是必需的，可增加一組實驗，該組該如何處理。[3]

具體教學過程如下：首先讓學生明確實驗研究問題的自變量與因變量。如欲驗證無細胞的酵母汁可以進行乙醇發酵，該實驗的自變量就是酵母汁。接著讓學生依據實驗分組的概念模型分析是否缺少相關要素，進而明確在前兩組實驗的基礎上，可以再設計一組陽性實驗：酵母汁+葡萄糖溶液。再次，如需驗證乙醇發酵的酶發揮催化作用需要小分子和離子輔助，A溶液和B溶液就相當于酵母汁，再讓學生回顧概念模型，發現還需再設計另一陽性實驗組：A溶液+B溶液+葡萄糖溶液。而若為了研究B溶液中離子M對乙醇發酵是否是必需的，該實驗的自變量就是離子M的有無，因此可增加一組陰性對照實驗，該組的處理是：A溶液+去除離子M的B溶液+葡萄糖溶液。[3]

通過如上的梳理與課例分析，不難發現想要厘清實驗分組設計的過程，首先，需要保證實驗探究的客觀真實;其次，讓學生確定實驗探究問題中的自變量和因變量;最后，通過綜合運用生物學知識，洞察分組設計背后的陰陽對照，以培養學生的科研創新能力與思維品質。

[參考文獻]

[1]黃惠濤，丁奕然.基于格斯丁翻轉教學模式的生物學實驗深度學習[J].天津師范大學學報（基礎教育版），2021，22（04）：46-50.

[2]朱俊.支架式教學在科學史探究課中的應用實踐[J].中小學班主任，2021（02）：15-17.

[3]浙江省高考命題組.2020年1月浙江省普通高校招生選科目考試——生物[J].中學生物學，2020，36（08）：58-62.