基于概念模型构建的实验分组设计策略分析

王亚民

[摘要] 实验分组设计作为生物学命题考查的重点，其对于学生实证审辩思维与科学探究方法的获取也至关重要。研究通过梳理对照实验分组设计的逻辑关系，构建了实验探究的概念模型，并以教学实例的应用反思提供了基于该模型的实验分组设计教学策略，进而为提高学生的实验分组设计能力，培育其科学思维及科学探究核心素养奠定了基础。

[关键词] 概念模型;实验分组设计;阴阳对照

实验分组设计作为生物学实验探究的方法或原则，其对于学生领悟科学探究的本质、具象现实探究的应用大有裨益。[1]可见，实验分组设计既是学生进行实验式探究的重要基石，更是培养学生科学精神、改善思维品质与落地核心素养的重要途径。反观现实，生物学实验设计能力训练往往是学生科研与探索能力训练的最薄弱环节，生物实验设计的关键之一就是实验分组要科学合理。分组是否科学，关系到实验结果判断的准确性和结论的可靠性。通过设置对照实验，既可排除无关变量的影响，又可提高实验结果的准确性和说服力，帮助学生涵育实证审辩的科学思维。因此，在生物学教学中，提高实验分组设计的质量显得尤为重要。

一、实验分组设计概念模型的构建

对照实验不仅是高中生物学实验中最为常见的实验类型，更为很多复杂实验设计的基础类型。而在这一类实验的探究中，大多应遵循单一变量与控制变量原则，采用阴性对照的方式进行探究设计，以确定自变量对因变量的影响，进而分析得出结论。对照试验得出的结论往往是自变量对因变量存在影响，正因如此，在我国港台地区也将“因变量”称之为“依变量”，即其依据自变量的变化而改变。通过以上的逻辑梳理，笔者构建了如图1所示的实验分组设计概念模型。从图中不难发现，实验分组设计中的“设计”在于对自变量变化的阴阳分组设计，就是考虑以何种单一变量的阴性（空白对照）或阳性（实验对照）为划分组别的依据。正因如此，实验教学过程中应通过自变量的变化让学生明确实验的分组设计方式，进而帮助学生经由分组设计来明确探究问题、追溯分组原因，并生成研究结论。下文就如何运用该实验分组设计的概念模型进行教学予以相应探讨。

二、实验分组设计概念模型的应用

1.依据经典实验，内化阴性对照

科学史经典实验是学生尝试、模仿学习的主要材料，其中不仅蕴藏着科学探究的一般方法与技术应用，也包含着实验分组设计、设置阴性对照的严谨性科学思维。在实际教学过程中，生物学教师可以依据科学史的经典实验，让学生内化体悟实验设计阴性对照的必要性，并在此基础上涵育学生的思维观念。在教授艾弗里的经典转化实验时，可以让学生结合如上的概念模型，引导学生思考艾弗里研究肺炎双球菌的离体转化实验的自变量是什么，进而分析如何改变自变量，从而明确分析科学家为何要设计不同组别的实验。换言之，让学生明确科学家改变S型菌中DNA的量（自变量）以设置阴性对照。学生围绕着科学家的探究过程进行思考，便于其深入内化阴性对照组设计的必要性。

具体而言，在教学过程中给予学生先行组织者材料：科学家艾弗里在研究肺炎双球菌的离体转化试验时，把活的S型菌的各物质分别纯化，并分别将它和R型菌混合培养。分别设置如下实验组，组一：“S型菌的蛋白质+R型菌”液体悬浮培养可以单菌落分离出R型菌;组二：“S型菌的夹膜多糖+R型菌”液体悬浮培养可以单菌落分离出R型菌;组三：“S型菌的DNA+R型菌”液体悬浮培养可以在单菌落分离出S、R型菌;组四：“S型菌的DNA+DNA酶R型菌”液体悬浮培养可以单菌落分离R型菌。紧接着，让学生综合部分组别进行论证转化的必备要素，学生通过后两组就能论证S型菌的DNA是R型菌转化为S型菌的充要条件。科学家实验设计不同纯度的S型菌DNA进行转化实验，纯度越高转化效率越高，从而进一步验证了DNA是转化因子。[2]

2.关联现实应用，补齐对照组别

在实际教学中，教师可以模拟现实情境问题的解决过程，帮助学生体悟实验分组，促进他们的主动设计。以浙江省高考题为例，某同学欲研究大鼠皮肤移植后的皮肤存活率，提出了下面的实验思路。请以皮肤存活率为指标，预测实验结果并进行分析。组一：取A系大鼠的皮肤切片移植到自身的另一部位;组二：取A系大鼠的皮肤切片移植到B系大鼠;组三：取与组二相同处理并出现排斥反应后的B系大鼠的T淋巴细胞，注射到未处理的B系大鼠并将A系大鼠的皮肤切片移植到该大鼠。之前将上述各组若干只处理后的大鼠进行饲养，每隔一定时间观测皮肤切片的存活状况并记录，计算皮肤存活率。若设置组四，其处理是给予大鼠免疫抑制剂，再移植皮肤片。请问用免疫抑制剂处理的理由是什么。请学生设计出另一组实验，可以用于探究该问题。

该试题的解题教学过程如下：首先，让学生明确要探究的问题，即验证大鼠对移植皮肤起排斥反应的主要是T淋巴细胞。其次，让学生依据实验分组设计概念模型的思路，回顾自己所学的生物学理论知识分析，推测各组实验中让自变量发生变化后的因变量变化，即探讨两者之间的关联性。以上教学让学生们经由小组合作学习完成，可得出组4的实验设计思路是让自变量淋巴细胞发生变化，进而导致因变量皮肤存活时间发生变化。可见，给予大鼠免疫抑制剂，是为了抑制了T淋巴细胞的增殖及功能，延长移植皮肤的存活时间。最后，让学生设计组5补充说明所得出的结论。当时，学生需要具备“胸腺是T淋巴细胞成熟的场所”这一知识背景，方能明确到切除胸腺是用于减少T淋巴细胞的数量。因此，组5的设计思路为切除大鼠的胸腺，促使T淋巴细胞数量减少，进而延长皮肤的存活时间。

通过上面的教学案例可以发现，实验分组的教学渗透不仅可以通过教科书中的经典实验进行，还可以采用关联现实生产生活的探究性问题予以渗透。现实中医学研究为了证明T淋巴细胞对皮肤移植存在影响，以及骨髓在反射弧中的作用，可以通過相关方法处理，进行阴性对照。因此，学生尝试给出实验分组设计的理由，既是他们分析实验设计中如何改变自变量，更是教师在帮助学生补齐实验的对照组别，明晰组别设计背后的内核，即在于运用分组设计的概念模型，明确需要调适的变量，从而确定相互间关系。如组4为什么用免疫抑制剂处理，理由就是免疫抑制剂处理可以改变变量，即减少T淋巴细胞的数量，从而延长皮肤存活的时间。

3.阴阳对照结合，强化论证推理

生物学实验的设计与教学策略离不开对于实验变量的控制，而从上文的课例应用中可以发现实验分组设计的核心为分析自变量。分组的目的在于通过设计实验改变自变量，来检视因变量的变化。实则，促使因变量改变的思路有两个维度，即增强自变量（阳性对照）和减弱自变量（阴性对照）。这就是概念模型中实验设计的策略：阴阳对照结合。同样，以浙江省高考题为例，可以通过应用上文提出的概念模型，进行实验分组设计的阴阳对照结合，强化学生的论证推理。该试题的主要情境如下：利用无细胞的酵母汁可以进行乙醇发酵，而乙醇发酵的酶发挥催化作用需要小分子和离子辅助。为验证上述结论，某研究小组进行了实验设计，请帮助其补充完善。

材料和试剂：酵母菌、酵母汁、A溶液（含有酵母汁中的各类生物大分子）、B溶液（含有酵母汁中的各类小分子和离子）、葡萄糖溶液、无菌水。实验共计六组，其中四组的实验处理和结果如下：组一为葡萄糖溶液+无菌水，结果是无乙醇生成;组二为葡萄糖溶液+酵母菌，结果是有乙醇生成;组三是葡萄糖溶液+A溶液，结果是无乙醇生成;组四是葡萄糖溶液+B溶液，结果是无乙醇生成。需要解答的问题为除表中四组外，其他两组的实验处理分别是什么;若为了研究B溶液中离子M对乙醇发酵是否是必需的，可增加一组实验，该组该如何处理。[3]

具体教学过程如下：首先让学生明确实验研究问题的自变量与因变量。如欲验证无细胞的酵母汁可以进行乙醇发酵，该实验的自变量就是酵母汁。接着让学生依据实验分组的概念模型分析是否缺少相关要素，进而明确在前两组实验的基础上，可以再设计一组阳性实验：酵母汁+葡萄糖溶液。再次，如需驗证乙醇发酵的酶发挥催化作用需要小分子和离子辅助，A溶液和B溶液就相当于酵母汁，再让学生回顾概念模型，发现还需再设计另一阳性实验组：A溶液+B溶液+葡萄糖溶液。而若为了研究B溶液中离子M对乙醇发酵是否是必需的，该实验的自变量就是离子M的有无，因此可增加一组阴性对照实验，该组的处理是：A溶液+去除离子M的B溶液+葡萄糖溶液。[3]

通过如上的梳理与课例分析，不难发现想要厘清实验分组设计的过程，首先，需要保证实验探究的客观真实;其次，让学生确定实验探究问题中的自变量和因变量;最后，通过综合运用生物学知识，洞察分组设计背后的阴阳对照，以培养学生的科研创新能力与思维品质。

[参考文献]

[1]黄惠涛，丁奕然.基于格斯丁翻转教学模式的生物学实验深度学习[J].天津师范大学学报（基础教育版），2021，22（04）：46-50.

[2]朱俊.支架式教学在科学史探究课中的应用实践[J].中小学班主任，2021（02）：15-17.

[3]浙江省高考命题组.2020年1月浙江省普通高校招生选科目考试——生物[J].中学生物学，2020，36（08）：58-62.