12刘原平⑤生物学“缺病补正”实验模型的构建与运用

生物学“缺病补正”实验模型的构建与运用

刘原平（泸县二中实验学校  四川泸州  646100）

摘要  以“缺病补正”模型的构建为例，简述“验证某种物质组成的必要性”类实验设计问题的跨章节的单元教学。提炼了在初、高中多个实验教学中都能运用到的“缺病补正”的实验设计思路，构建思维导图，并列举相应考题，提出一些运用该模型的新型实验情境。

关键词  大单元教学  模型构建  实验设计  批判性思维

中国图书分类号：G633.91                文献标识码：A

重构不同章节甚至不同学段的一些主题契合、模式相近的内容，是构建深度思维型课堂的重要途径。笔者在教学实践中发现，初、高中生物学多个实验教学均可通过引导学生构建“缺病补正”模型实施。本文介绍该模型的构建与运用。

1 何为“缺病补正”模型

1.1“缺病”

在生物学问题的研究中，由于某物质的缺乏导致的症状称为“某缺乏症”，例如，人体因缺乏甲状腺激素而表现出的症状称“甲状腺激素缺乏症”（甲减）)、植物缺乏矿质元素镁（Mg）导致的症状称为“Mg元素缺乏症”；微生物缺乏某种氨基酸出现的异常情况也可称为“某氨基酸缺乏症”，故可将缺乏症问题简写为“缺病”问题，方便分析运用。

1.2“补正”

某种缺乏症出现后，及时补充所缺乏的物质，细胞或生物体又恢复到了正常的生长状态。例如，给 “甲状腺激素缺乏症”的蝌蚪饲喂含有甲状腺激素的食物，蝌蚪又能在一定程度上恢复其生长发育；再如，向镍缺乏症的植株的培养液中添加适量的含镍的无机盐，植株的生长又恢复了正常。简言之，就是补充后正常，即“补正”。

2 “缺病补正”模型的构建

2.1“缺”与“不缺”的对照

以“设计实验证明某种激素的作用”中的运用为例，初中生物7年级下册第6章“人体生命活动的调节”中，有一个设计对照实验的技能训练：

甲状腺激素具有促进蝌蚪发育的作用。假如给你提供几只幼小的蝌蚪和甲状腺激素，你能否设计一个对照实验证明甲状腺激素的作用？提示：这个实验的自变量是什么？B组和A组的蝌蚪喂的饵料是否相同？^[]

可教学生通过流程图梳理实验思路（表1）。

表1  用“饲喂法”证明甲状腺激素的作用的实验思路

为控制初中习题思维的难度，本题对材料进行了限定，使得A组只能作自变量的“增”。而在高中阶段，该题实验可演变出自变量的“减”的实验，例如，让A组缺少甲状腺激素，根据“甲状腺激素缺乏症”反推甲状腺激素的功能。具体又有2类常见的实验设置：

1)对大型动物，可采用相应内分泌腺的“摘除法”造成“缺病”，如表2。

表2  用“摘除法”证明甲状腺激素的作用的实验思路

2)对不便于进行手术摘除相应内分泌腺（细胞）的，可采用相应的抑制剂解除相应激素的作用，从而造成等效的“缺病”。例如，在探究甲状腺激素对代谢速率的影响时，实验可设置为如表3所示。

表3  用“抑制法”证明甲状腺激素的作用的实验思路

2.2“补前”与“补后”的对照

在实验教学中，要引导学生大胆质疑，例如，实验1中，若A组动物出现生长发育迟缓，是否一定是缺乏甲状腺激素导致的？有无可能是手术创伤导致的？实验2中，A组动物活动量减少，代谢减慢，是否一定是甲状腺激素减少导致的？有无可能是该抑制剂影响了A组动物体内的其他生理过程？

通过质疑、讨论，完善实验措施：确认其出现该症状的原因，即“病因”是由于缺乏相应的物质，还应当在A组上实施补充相应物质后的前、后对照。

此时，学生进一步思考，对实验1和实验2的A组增加后续操作（表4）。

表4  “补前”与“补后”的对照设置

如果步骤④后，A组的生长发育又恢复了正常，则可进一步推测：在步骤②后出现相应症状，正是缺乏甲状腺激素所致。

2.3“补”与“不补”的对照

根据上一步的批判性思维，学生可能提出新的疑问，例如，步骤④中一段时间后A组的生长发育又恢复了正常，其原因是否一定是补充了甲状腺激素导致的？有无可能是步骤③中饲喂了食物导致的？是否不补充甲状腺激素也会自动恢复？

要排除“不补充该物质，也能恢复正常”，还需再设置一次对照。此处学生可对步骤③进行进一步修订（表5）。

表5  “补”与“不补”的对照设置

上述是对实验1、实验2完整的“缺病补正”模型的构建。

3 “缺病补正”模型的思维导图

为使思路更加清晰，可用流程图的形式呈现上述模型（图1）。

图1   “缺病补正”模型的思维导图

4 “缺病补正”考题分析

例1，以大鼠、胰岛素、葡萄糖溶液、生理盐水、注射器为实验材料和器具，如何设计简易的实验以验证胰岛素具有降低血糖含量的作用？

问题分析：与前述实验相类比，学生可能直接套用前述实验1或实验2的模式，使用摘除法、注射法等控制自变量。这是因为学生对胰腺、胰岛的关系并不清晰。为此，可呈现图片让学生对实验对象有直观的认识，从而理解：

1）切除胰腺会影响其他激素（例如，胰高血糖素）的分泌，也影响胰液的分泌，用摘除法造成“缺病”不可行；

2）实验条件中无相应激素的抑制剂可用，用注射法造成胰岛素的“缺病”也不可行。

因此，将该实验思路从“缺胰岛素”转变为“缺血糖”进行设置（表6）。

表6  验证胰岛素作用的“缺病”设置

在步骤②中，采用下列思路诱导学生选择符合题设的因变量检测方法（表7）。

表7 验证胰岛素作用的实验因变量检测方法的选择

此时可抛出相似的高考真题加以应用和巩固，例2(2008年全国卷1)，为了验证胰岛素具有降低血糖含量的作用，在设计实验方案时，如果以正常小鼠每次注射药物前后小鼠症状的变化为观察指标，则下列对实验组小鼠注射药物的顺序。正确的是（答案：A）。

A.先注射胰岛素溶液，后注射葡萄糖溶液

B.先注射胰岛素溶液，再注射胰岛素溶液

C.先注射胰岛素溶液，后注射生理盐水

D.先注射生理盐水，后注射胰岛素溶液

5 “缺病补正”模型的类比运用

有了上述模型，可在上述实验的基础上类比出下列实验的设计思路。

5.1  在“验证某元素是植物必需的矿质元素”中的运用

例3，植物必需元素的标准之一是具有“不可替代性”。锌是植物必需的元素之一，缺锌会导致植物出现相应的锌元素缺乏症。现欲验证植物体中锌的作用不能被镍所代替。

①将上述黄瓜幼苗均分为2组，编号A、B；

②相同且适宜条件下，分别用_____________________、_____________________培养；

③一段时间后，A组正常生长，B组出现________________________；

④随后，将B组均分为3组，编号B₁、B₂、B₃；

⑤对B₁补充锌盐、对B₂组______________、对B₃组_______________；

⑥相同且适宜条件下培养一段时间后，只有_________组锌元素缺乏症减轻或消失。

实验分析：题中从①到③即为“缺病”，有了前述对实验的严谨性的认识，学生会比较清楚⑤的对照设置。即再次分组，其中一组“补正”，另一组“不补不正”、第3组“代补也不正”，进而说明“不可代补”，即锌的作用不能被镍所代替。

答案：②完全培养液、缺锌的完全培养液培养；③锌元素缺乏症；

⑤不作处理、补充镍盐 (2个空顺序可换)；⑥B_1。

5.2  在“突变型微生物的鉴别与筛选”中的运用

例4(2011年海南卷)，野生型大肠杆菌能在基本培养基上生长，用射线照射野生型大肠杆菌得到一突变株，该突变株在基本培养基上培养时必须添加氨基酸甲后才能生长。对这一实验结果的解释，不合理的是（答案：B）。

A.野生型大肠杆菌可以合成氨基酸甲

B.野生型大肠杆菌代谢可能不需要氨基酸甲

C.该突变株可能无法产生氨基酸甲合成所需的酶

D.该突变株中合成氨基酸甲所需酶的功能可能丧失

实验分析：该题“野生型大肠杆菌能在基本培养基上生长”相当于模型中的空白对照组（B组），而“该突变株在基本培养基上培养时必须添加氨基酸甲后才能生长”有2层含义，一是“不添加氨基酸甲则不长”即“缺病”，二是“添加氨基酸甲则能生长”，即“补正”。该题与“缺病补正”模型的思路完全契合。

6 小结与启示

在高三的备考复习中，将实验设计作为一个大单元进行跨章节整合，能涵盖诸多关于实验设计的知识。“缺病补正”模型的思路在初高中生物的多个章节中都能找到其“影子”，以该模型为主线，能串联诸多实验问题。生物学学科核心素养中很重要的一点是生命的物质观。无论是甲状腺激素、镍盐、氨基酸，都是生命系统的物质组成部分，因此，以“验证某种物质组成的必要性”为情境设置“缺病补正”的实验，既有助于学生对生命的物质性的认识，又有助于塑造辩证唯物主义的自然观。