基于深度學習的實驗設計復習策略
——以藥物治療類動物實驗步驟題為例

李曉康 楊裕兵 石 欣

(1.湖北省咸寧市通山縣第一中學 2.湖北省咸寧市教育科學研究院)

1.指導思想

深度學習是指在教師引領下,學生圍繞具有挑戰性的學習主題,全身心參與、體驗成功、獲得發展的學習過程。聯想與結構、活動與體驗、本質和變式、遷移和應用、價值和評價是深度學習的五大特征。在全面深化課程改革的趨勢下,深度學習是培養學生核心素養的重要途徑。

科學探究是指學生發現生物學問題、運用科學的思維方法、設計探究方案、認識事物、解決實際問題的能力,它不僅是高中生物學四大核心素養之一,也是高考生物學的重要考查指標。在真實情境下解決問題既是高考命題的方向,也是提升學生學科核心素養和學科能力的重要途徑。科研文獻是對真實研究過程的再現,也是高考實驗設計題的情境來源之一。因此,在復習實驗設計時,以相似背景的科研文獻為載體,再現學科理論產生的場景或呈現現實中的問題情境,以深度學習的五大特征為主線設計教學過程,可以讓學生主動參與探究,從而培養學生的科學探究能力。

2.教學分析

2.1 考情分析

探究藥物對模型動物治療效果的實驗設計題在近三年高考中出現頻率較高。2020年全國卷Ⅰ,2021年廣東卷、北京卷和天津卷,2022年湖南卷和浙江卷(6月)均有考查。與常規實驗設計題相比,探究藥物治療效果的動物實驗題在情境設置上更加貼近真實生產生活。在實驗設計上,具有獨特的實驗步驟和對照組設置,并且有模型動物等專業名詞。這類試題對于學生獲取信息、綜合運用所學知識的能力有較高的要求。

2.2 學情分析

通過對高中生物學教材中多個實驗的復習,學生已經了解實驗設計需要遵循的科學原則,能夠說出常規的實驗步驟,理解對照組的含義和種類,并進行簡單的實驗設計。但是對于藥物治療類動物實驗的情境較為陌生,學生難以將已經掌握的實驗設計原理與實際問題相聯系,不知道如何設計實驗步驟。

3.教學目標

(1)閱讀“探究降血糖藥物效果”的相關論文,說出藥物治療類動物實驗的基本實驗過程、分組類型,發展結構和功能觀、穩態和平衡觀。

(2)分析科研文獻中呈現的真實科研情境,說出實驗目的、描述實驗思路、分析實驗結果,培養科學探究能力。

(3)嘗試歸納總結、構建藥物治療類動物實驗步驟模型,提升科學思維。

(4)關注糖尿病的治療方式和效果,討論健康生活、健康飲食等社會議題,嘗試運用科學技術和科學思維方法解決實際問題,努力成為健康中國的推動者和踐行者,培養社會責任。

4.教學過程設計

4.1 聯想與結構

4.1.1展示考情,明確學習目標

表1 2020—2022藥物治療類動物實驗設計高考題分布

通過展示近三年對于藥物治療類動物實驗的考查情況,提出“實驗材料有何特點?”“模型動物是什么?”“如何獲得模型動物?”等問題,通過這些問題引發學生的探究熱情。

4.1.2初探真題,梳理個體經驗

節選2022年6月高考生物浙江卷第30題的題干,設計問題串,作為檢測學生個體經驗的載體。了解學生對實驗目的、自變量、因變量和無關變量等基本實驗要素的掌握情況。

為研究物質X對高血糖癥狀的緩解作用,根據提供的實驗材料,完善實驗思路。

實驗材料:適齡、血糖正常的健康雄性小鼠若干只,藥物S(用生理鹽水配制,對小鼠胰島B細胞有破壞作用),物質X(用生理鹽水配制),生理鹽水等。(要求與說明:實驗中涉及的劑量不作具體要求。小鼠血糖值>11.1 mmol/L,定為高血糖模型小鼠。飼養條件適宜)

提問:(1)該實驗的目的是什么?

(2)該實驗的自變量、因變量和無關變量(舉例1～2個)是什么?

(3)在實驗過程中,可以用哪些指標去觀察因變量?該實驗中應該選用什么指標?

(4)該實驗應該選取哪些實驗材料?

(5)如果你來設計實驗,你該如何進行?(比如該實驗分為幾組?每組如何處理?)

學生能準確把握實驗目的和因變量,但是部分學生無法辨別因變量和觀察指標兩個概念。針對這一學情,教師重點講解實驗目的所包含的信息:實驗類型、自變量、實驗對象、因變量以及因變量和觀察指標的區別,掃除學生概念上的障礙。

設計意圖:與常規動物實驗設計題相比,所選例題出現了構建模型動物這一新步驟。按照常規教學,教師會先指出這道題的特征,幫助學生理解這道題的特殊情境。但是學生從未接觸過這類實驗情境,難以理解相關實驗思路,這種教學設計導致學生只是“獲得”一個新的知識點。聯想和結構這一特征指出深度學習中的學習對象(學習內容)即人類認識成果與學生個體經驗的相互轉化問題,強調個體經驗和人類知識是相互成就、相互轉化的。因此,教師從學生熟悉的知識出發,節選這道高考題的題干,讓學生分析實驗目的、實驗材料、自變量、因變量等相關要素,避免引起學生的畏難情緒。同時引導學生寫出自己的實驗思路,充分喚醒學生的個體經驗。

4.2 活動與體驗

4.2.1閱讀文獻,感知科研情境

在上一環節中,學生對于對照組的設置出現較大分歧,并在課堂上進行熱烈討論。教師拋出“真實的科研中,研究者又是如何設計實驗的”這一問題,使學生對于真實科研情境產生了極大興趣。教師將《動物醫學進展》雜志上發表的《藏藥綠蘿花對高血糖小鼠模型的治療試驗》改編為閱讀材料,并設計問題串,讓學生進行討論:

藏藥綠蘿花,別名石柑子、馬蹄金,為天南星科林芋屬植物。綠蘿花是西藏地區特有的珍貴草本植物。當地人采摘花蕾,晾干泡水飲用,對糖尿病、冠心病、高血壓等疾病具有良好的預防和治療作用。

現在,以綠蘿花干膏制劑作為研究材料,以Ⅱ型糖尿病小鼠動物模型為研究對象,以空腹血糖值為檢測指標,研究綠蘿花干膏制劑對高血糖小鼠的降血糖作用,為臨床合理用藥和進一步開發利用提供科學依據。

1.實驗材料

正常8周齡雄性小鼠、常規飼料、高糖高脂飼料、綠蘿花干膏口服液、鹽酸二甲雙胍片(臨床上用于治療糖尿病的藥物)、STZ(破壞胰島B細胞,使胰島素分泌減少)、生理鹽水、血糖測試盒。

2.實驗方法

2.1適應性喂養:8周齡雄性小鼠220只,適應性喂養7天。

2.2Ⅱ型高血糖模型小鼠建立:

按體重隨機分出48只作為正常對照組,其余為造模組小鼠。正常對照組小鼠飼喂常規飼料,正常飲水。造模組小鼠飼喂高糖高脂飼料,正常飲水,同時左下腹腔注射STZ。在飼養的第0、7、14、28天隨機抽取正常組和造模組小鼠各10只,禁食12 h,尾靜脈采血,血糖儀測血糖值。(血糖值>11.1 mmol/L的小鼠為高血糖模型小鼠)

2.3動物分組及處理

模型小鼠隨機分為模型組、綠蘿花劑量組、二甲雙胍組,分別灌胃0.5 mL生理鹽水、0.5 mL的綠蘿花口服液、0.5 mL二甲雙胍片溶液,適宜條件下培養,連續28天;正常小鼠,適宜條件下培養,每天灌胃生理鹽水0.5 mL,連續28天。

2.4臨床觀察及檢測指標

分別在處理后的第7、14、28天,每組隨機取6只小鼠,禁食12 h,尾靜脈采血,按照血糖試劑盒的操作步驟,測血糖含量。

提問:(1)該實驗的目的是什么?

(2)該實驗的自變量、因變量和無關變量(舉例1～2個)是什么?

(3)請在材料中畫出該實驗的步驟(可以用序號標明)。

(4)該實驗分為幾組?每組的處理是什么?(用序號表示組別,寫出實驗對象以及相關的處理,如1、XX組,XX小鼠,處理:XX)

通過展示答案,學生能夠從材料中獲取實驗目的、自變量、因變量和實驗步驟等相關信息,對于論文中的實驗流程有基本的了解。

圖1 學生答案

4.2.2深入分析,剖析實驗原理

經過上一環節,學生對于實驗流程的了解還只停留在淺層,對于為什么要實施這樣的實驗步驟依然存在疑惑。因此,教師設計問題串,引導學生進行深入思考:

(1)在常規實驗步驟中,第一步是什么?為什么該實驗第一步是適應性喂養?

(2)為什么要建立Ⅱ型高血糖模型小鼠?

(3)如何確定第二步中Ⅱ型高血糖模型小鼠構建成功?需要與哪組進行對照?

(4)如何驗證綠蘿花口服液將Ⅱ型高血糖模型小鼠的血糖降到正常值?

(5)如何確定Ⅱ型高血糖模型小鼠的血糖下降僅僅是因為灌服了綠蘿花口服液?

(6)給Ⅱ型高血糖模型小鼠灌服鹽酸二甲雙胍的目的是什么?

上述問題串與學生已掌握的知識具有一定的聯系和沖突,引發了學生熱烈的討論,喚起學生探究的熱情。通過討論,學生理解了適應性喂養的目的、各個對照設置的意義。至此,學生對于論文的實驗流程有了更深的理解。

設計意圖:在常規教學中,這部分的設計往往是教師直接告訴學生,這類實驗步驟是什么?為什么這么做?學生只是作為知識的接受者,并沒有觸動內心的體驗。學習和活動這一特征強調學生要成為學習的主體而不是被動的知識接收器,教師需給學生創造“活動”的機會,讓其“親身經歷”知識的發現、形成、發展過程。科研文獻是對真實科研過程的再現,可以展現出知識的發現、發展的過程。因此,教師通過讓學生閱讀相關論文,在真實的情境中經歷實驗過程。利用問題串,讓學生主動捕捉藥物治療類動物實驗的具體操作流程等關鍵信息,并分析其原理和原因。這樣的學習活動,能引發學生內心體驗,讓學生把文字結論變成自己成長的過程。

4.3 本質與變式

4.3.1模型構建,探尋實驗本質

教師引導學生將《藏藥綠蘿花對高血糖小鼠模型的治療試驗》中的過程梳理成思維導圖(圖2),然后讓學生理解具體名詞,歸納、概括出實驗步驟的模型。

圖2 藥物治療類動物實驗步驟模型

4.3.2再探真題,靈活把握變式

教師帶領學生再次回顧2022年6月高考生物浙江卷第30題(部分),并設計問題串,幫助學生理解高考題的情境,同時檢驗學生對于模型的掌握情況。

為研究物質X對高血糖癥狀的緩解作用,根據提供的實驗材料,完善實驗思路。

實驗材料:適齡、血糖正常的健康雄性小鼠若干只,藥物S(用生理鹽水配制,對小鼠胰島B細胞有破壞作用),物質X(用生理鹽水配制),生理鹽水等。(要求與說明:實驗中涉及的劑量不作具體要求。小鼠血糖值>11.1 mmol/L,定為高血糖模型小鼠。飼養條件適宜)

(1)完善實驗思路:

①適應性飼養:選取小鼠若干只,隨機均分成甲、乙、丙3組。正常飼養數天,每天測量小鼠的血糖,計算平均值。

②藥物S處理:

甲組:每天每只小鼠腹腔注射一定量生理鹽水

乙組:每天每只小鼠腹腔注射一定量藥物S

丙組:_____________________________

連續處理數天,每天測量小鼠的血糖,計算平均值,直至建成高血糖模型小鼠。

③物質X處理:

甲組:_____________________________

乙組:每天每只小鼠灌胃一定量生理鹽水

丙組:_____________________________

連續處理若干天,每天測量小鼠的血糖,計算平均值。

(2)思考與討論

①藥物S處理的目的是什么?

②甲組、乙組和丙組相當于實驗步驟模型中哪些組別?

③寫出相關實驗的操作,完善實驗思路。

④本實驗的分組和論文中分組的差異是什么?為什么會有這樣的差異?

學生通過上述問題串的引導,能夠說出高考題具體情境,理解藥物S處理的目的是構建高血糖小鼠模型。甲組相當于正常小鼠空白對照組,乙組是模型小鼠對照組,丙組是實驗組,明確實驗思路。

完成高考題之后,教師讓學生對比該題與論文中的實驗設計,分析兩者的差異及造成這些差異的原因。在此環節,學生主動對比兩個實驗的步驟,發現這道高考題少設置了“模型動物+臨床藥物”對照組。學生對于產生差異的原因提出了自己的看法,有的學生從實驗目的的角度分析,認為是本題實驗目的僅僅是探究藥物X的效果,并沒有為臨床用藥提供依據。也有學生直接從實驗材料上找到線索,關注到實驗材料中并未提供臨床藥物。

通過上述活動,學生意識到題干中實驗目的和實驗材料會對實驗步驟造成影響。然后教師和學生一起梳理,實驗材料和實驗目的對實驗步驟的影響。通常有兩種情況:如果實驗材料與實驗目的中的實驗對象一致,即疾病模型動物,那么在實驗步驟中就無需構建疾病動物模型和設置正常動物的空白對照組;如果實驗材料中沒有臨床藥物,就無需設置臨床藥物對照組。通過梳理,學生能夠靈活運用信息,在具體情境中進行實驗設計。

設計意圖:在常規高考題講解中,教師存在“就題講題”的情況,導致學生只會“解一道題”,不會舉一反三。教師若能引導學生歸納總結出模型,就能大大提高解決問題的能力。深度學習中的把握本質就是在教學中對學習內容進行深度加工,讓學生主動歸納、演繹出模型。因此,在學生完成論文的閱讀和探究之后,教師先讓學生利用思維導圖梳理整個論文的實驗流程,然后歸納概括出實驗步驟模型。最后利用模型還原高考真題情境,讓學生理解每個實驗步驟的原理,把握本質,完成實驗思路,實現利用知識解決現實問題的核心素養目標。

4.4 遷移與應用

教師將類似背景的2021年生物高考廣東卷第19題(節選)作為鞏固練習,通過設計問題串,讓學生了解實驗情境,利用模型解決具體問題,檢測學生知識遷移和應用的能力。

人體缺乏尿酸氧化酶,導致體內嘌呤分解代謝的終產物是尿酸(存在形式為尿酸鹽)。尿酸鹽經腎小球濾過后,部分被腎小管細胞膜上具有尿酸鹽轉運功能的蛋白URAT1和GLUT9重吸收,最終回到血液。尿酸鹽重吸收過量會導致高尿酸血癥或痛風。目前,E是針對上述蛋白治療高尿酸血癥或痛風的常用臨床藥物。為研發新的藥物,研究人員對天然化合物F的降尿酸作用進行了研究。給正常實驗大鼠(有尿酸氧化酶)灌服尿酸氧化酶抑制劑,獲得了若干只高尿酸血癥大鼠,并將其隨機分成數量相等的兩組,一組設為模型組,另一組灌服F設為治療組,一段時間后檢測相關指標,結果見圖3。

圖3

(1)與其他兩組相比,設置模型組的目的是______________________________。

(2)為了進一步評價藥物F的作用效果,本實驗需要增設對照組,具體為_____________________________。

教師設計以下問題串:

(1)該實驗的目的是什么?

(2)該實驗的材料有哪些?

(3)該實驗分為幾組?操作是什么?

(4)該實驗與模型相比,分組的差異是什么?

(5)完成題目中的第1、2問。

通過上述問題引導,學生能夠說出這道題的實驗目的、材料和分組情況,利用模型分析出設置模型組的目的是驗證藥物F的治療作用以及作為對照,排除其他無關變量的干擾。通過對比真題和模型,學生發現本題少了臨床藥物組,從而指出為了進一步評價藥物F的作用效果,需要設立臨床藥物組,給高尿酸血癥的小鼠灌服等量的藥物E,并檢測該組大鼠血清尿酸鹽含量及URA1和GLUT9的相對含量。

4.5 價值與評價

價值和評價不是教學的某個獨立學習階段或環節,是縈繞在各個階段、各個環節的所有活動中。因此,教師在課堂的各個環節中使用了學生自評、互評等多種評價方式。在初探真題階段,教師展示兩位學生的答案,讓其他學生從書寫、設計思路等方面進行點評并表達自己的觀點。通過互評,學生主動參與到學習活動中,在評價他人的同時也明白自身的不足。在閱讀文獻階段,教師展示優秀答案,并從多個角度指出該答案的優秀之處。通過激勵性評價,肯定學生的優點,激發其內生動力。在完成高考題的解析之后,教師讓學生回顧自己在初探高考題中的實驗設計,點評自己的實驗設計與真題答案的差異。通過評價實驗設計,既肯定所學知識的正面價值,又能夠學會質疑和批判,認識到原有知識的不足和局限。

5.教學反思

實驗設計類高考題的情境往往來源于生活實際情境和學習探究情境,考查學生發現現實世界中生物學問題,針對特定的生物學現象,進行觀察、提問、實驗設計、方案實施以及對結果的交流與討論的能力。這種能力的獲得需要學生能夠全面把握知識的內在聯系,并延伸出各種變式。在高考題講解過程中,不應該僅僅“就題講題”,要真正讓學生主動參與探究過程。而深度學習正是一種符合學生認知發展過程,注重學生自身經驗,層層遞進,實現知識的深度理解的學習方式。因此,對于實驗設計類高考題,教師可以以相似背景的科研文獻為載體,以深度學習的特征為主線進行教學設計,培養學生生物學核心素養。

當然,利用模型思維解決具體問題也會帶來一些隱患,比如有些學生容易忽略題干具體情境,利用模型時,生搬硬套。這說明學生只是獲得了一種“工具”,并沒有掌握一種能力。因此,教師應引導學生區分情境之間的差異,如本文所設計分析實驗目的和實驗材料對于實驗步驟的影響,把握具體情境下的實驗思路,從而真正解決實際問題。