生物实验考题视野下的模型建构科学思维

万晓军

摘要：结合人教版生物教材和高考生物试题，分析三类生物模型的方法特点及题型要求，对于训练学生科学思维、提高科学备考效率有积极意义。

关键词：生物实验;模型建构;科学思维

中图分类号：G633.91 文献标志码：B

高中生物学中的模型与建模是科学思维学科核心素养的一个部分。学生通过模型建构活动，掌握各种模型方法，有利于提高教学和复习效果。

1高中生物课程中的模型与建模活动

从科学思维角度，高中生物模型主要有物理模型、概念模型、数学模型3种。人教版高中生物学必修教材中所涉及到的模型建构活动见表1。

2生物实验考题中的模型及题型特点

分析近几年高考试卷，发现这三种模型在生物实验考题有相当大的比例，大多以实验为背景，具有重要导向作用。

2.1物理模型

物理模型主要有实验装置图、模式图和形态结构图等具体形式。

[例1]（2019·浙江卷·20）为研究R型肺炎双球菌转化为S型肺炎双球菌的转化物质是DNA还是蛋白质，进行了肺炎双球菌体外转化实验，其基本过程如图1所示，下列叙述正确的是__（）

A.甲组培养皿中只有s型菌落，推测加热不会破坏转化物质的活性

B.乙组培养皿中有R型及S型菌落，推测转化物质是蛋白质

C.丙组培养皿中只有R型菌落，推测转化物质是DNA

D.该实验能证明肺炎双球菌的主要遗传物质是DNA

参考答案：C。

题型点评：物理模型能形象呈现，反映生命现象的发生、发展及生物的结构、生理。关于物理模型的试题注重创设新情景，考查学生的科学思维能力。

[模拟训练1]某实验室利用小白鼠的成熟红细胞和肌肉细胞按图2所示装置进行实验：

（1）实验开始时，夹子A关闭，两装置中的红色液滴在刻度0处，5min后，发现甲装置中的红色液滴不移动，乙装置中的红色液滴向左移动，原因是__。

（2）从第6min开始，同时打开两装置中的夹子A，向里面通入等量的氧气，20min后，发现甲装置中的红色液滴向右移动了x1，装NaOH的小烧杯增重了Y1乙装置中的红色液滴向右移动了X2，装NaOH的小

（1）筛选产乳糖酶的微生物L时，宜用__作为培养基中的唯一碳源。培养基中琼脂的作用是__。从功能上讲，这种培养基属于__。

（2）培养微生物L前，宜采用__方法对接种环进行灭菌。

（3）乳糖酶宜采用化学结合法（共价键结合法）进行固定化，可通过检测固定化乳糖酶的_-确定其应用价值。除化学结合法外，酶的固定化方法还包括__、__、离子吸附法及交联法等。

参考答案：

（1）乳糖凝固剂选择培养基

（2）灼烧

（3）（酶）活性[或（酶）活力]包埋法物理吸附法

题型点评：这类题型的解题关键是审题，找“题眼”，做出判断。学生要加强结论性语句的记忆，理清生物学概念之间的系统化关系，找准关键词：表述。烧杯增重了Y2。結果发现蜀大于X2，Y1小于Y2，从分子代谢水平上看，造成这种差异的主要原因是__。

参考答案：（1）肌肉细胞吸收了容器中氧气，产生的二氧化碳被氢氧化钠吸收，而小白鼠成熟红细胞不能有氧呼吸，只进行产乳酸的无氧呼吸，液滴不移动

（2）红细胞不能进行有氧呼吸（或“红细胞进行无氧呼吸”）

解析：（1）肌肉细胞吸收了氧气，产生的二氧化碳被氢氧化钠吸收，所以乙装置中气体减小，液滴向左移动;而红细胞不进行有氧呼吸，只无氧呼吸，液滴不移动。（2）向装置里面通入等量氧气，由于红细胞不吸收氧气，肌肉细胞可吸收氧气进行有氧呼吸，所以X1大于X2;肌肉细胞有氧呼吸释放二氧化碳，所以肌肉细胞装置中氢氧化钠吸收二氧化碳量多，重量增加，而红细胞无氧呼吸不产生二氧化碳，所以Y1小于Y2。红细胞不能进行有氧呼吸是造成这种差异的主要原因。

2.2概念模型

概念模型主要有生产流程图、知识树和概念集合图等具体形式。

[例2]（2015·山东理综卷·35节选）乳糖酶能够催化乳糖水解为葡萄糖和半乳糖，具有重要应用价值。乳糖酶的制备及固定步骤如图3所示。

[模拟训练2]育种工作者在枇杷中发现一棵变异的早熟植株，以此为材料进行了培育新品种实验，如图4所示。

（1）如果该早熟植株属于染色体组变异株，可推测该变异株减数分裂中染色体有多种联会方式，由此造成不规则的——，产生染色体数目不等、生活力很低的__，因而得不到足量种子。即使得到少量后代，早熟性状也很难稳定遗传。这种情况下，可考虑选择育种方法③，其不足之处是需要不断制备__，成本较高。

（2）新品种1与新品种3均具有早熟性状，但其他性状有差异，这是因为新品种1选育过程中基因发生了多次__，产生的多种基因型中只有一部分在选育过程中保留。

（3）如果变异株是个别基因突变体，则可采用育种方法①，使早熟基因逐渐__，培育成新品种1。为了加快进程，还可采集变异株的进行处理，获得高度纯合后代，选育成新品种2，这种方法称为__育种。

参考答案：

（1）染色体分离

配子组培苗

（2）重组

（3）纯合花药单倍体

解析：（1）发生染色体组变异后，可致染色体联会紊乱，导致同源染色体分离不规则，产生染色体数目不等、生活力低的配子，难以形成足量受精卵;育种方法③利用了植物组培技术，最大优点是保持遗传性状稳定性，不足之处是需不断制备组培苗，成本高。（2）与新品种3的方法相比，新品种1可发生“基因重组”，产生多种基因型，导致多种性状差异。（3）新品种1由“自交”选育，自交可提高变异基因纯度，可采集变异株花药加速育种进程，通过“单倍体育种法”获得高度纯合后代。

2.3数学模型

数学模型主要有表格、直方图、曲线和数学方程式等具体形式。

[例3]（2018·全国I·4）己知药物x对细胞增殖有促进作用，药物D可抑制药物x的作用。某同学将同一瓶小鼠皮肤细胞均分为甲、乙、丙三组，分别置于培养液中培养，培养过程中进行不同处理（其中甲组未加药物），每隔一段时间测定各组细胞数，结果如图5所示。据图分析，下列相关叙述不合理的是（ ）

A.乙組加入了药物x后再进行培养

B.丙组先加入药物x，培养一段时间后加入药物D，继续培养

C.乙组先加入药物D，培养一段时间后加入药物x，继续培养

D.若药物x为蛋白质，则药物D可能改变了药物x的空间结构

参考答案：C。

题型点评：此种命题形式阐述生物学事实、概念、原理和规律等内容，具有信息量大，直观明了等特点，较好地考查学生获取和处理信息的能力。

[模拟训练3]某实验小组为了探究生长素（IAA）和乙烯（ACC是乙烯的供体）对植物生根的影响，科学家用拟南芥下胚轴插条进行了一系列实验，结果如图6所示，有关分析错误的是（ ）

A.ACC对拟南芥下胚轴插条生根作用的影响具有两重性

B.拟南芥下胚轴插条细胞中，生长素和乙烯的合成时间不确定

c.促进拟南芥下胚轴插条生根的最适宜生长素浓度为50umol.L^-1

D.两种激素浓度为0时，拟南芥下胚轴插条均有生根，这与其自身激素有关

参考答案：C。

解析：促进拟南芥下胚轴插条生根的最适宜生长素浓度在10umol·L^-1和100umol·L^-1之间，进一步探究最适浓度，可在10unol·L^-1和100umol·L^-1范围内缩小浓度梯度，但不能判断50umol·L^-1是最适宜浓度。

3模型建构思维在复习备考中的作用

将模型建构方法应用于生物教学和备考中，可提高学生科学思维能力。新课程生物学课程标准重视模型及模型建构活动开展。考试大纲四项能力要求中特别重视实验与探究能力的考查，突出对学科思想与方法的考查力度。历年高考试题为复习提供了规范训练的题例，从题型信息上展示了大量模型。教材基本实验题、实验分析设计题、教材隐性实验及实验背景考题也通过模型来呈现相关信息，为备考提供导向作用。备考实践表明，通过建构模型有助于学生系统地、完整地理解生物学知识，主动构建模型，训练学生识图及图文转换的能力。总之，训练模型和建模思维方法，有助于学生理解知识，提升解题能力，发展生物学学科核心素养。