提升实验探究能力的高三生物微专题复习教学研究
——以“同位素标记法专题复习”为例

桂 芳

（湖北省武汉市第十二中学 湖北武汉 430030）

微专题是指针对某一具体的知识点或能力点，从基本概念、基本原理、基本规律入手，内化知识，构建结构，进行迁移整合，运用基本概念和原理解决实际问题的一种“小切口”的复习方法。在二轮复习中，教师带领学生对那些分散的、零星的、在课本里跳跃性出现的知识点进行微专题复习，对它们进行比较、梳理、归纳，找出各部分之间的内在联系和规律，形成清晰的知识网络，帮助学生上下沟通联系所学知识，使知识进一步深化与拓展，提升关键能力，培养学科素养。

生物学科关键能力是指即将进入高等学校的学习者在面对与生物学科相关的生活实践或学习探索问题情境时，有效地认识问题、分析问题、解决问题所必须具备的能力。新高考中将生物学科关键能力确立为理解能力、实验探究能力、解决问题能力、创新能力。其中实验探究能力是学生在学习和实践实验后，能够掌握科学探究的整个流程，如分析问题、设计实验、预测结果并得出结论或作出解释，并对相关生物学问题进行科学探究的能力。

实验探究能力是新高考生物学科中一项关键能力，也是生物学科科学探究核心素养中的一个重要内容。下文结合课程标准的要求和教材改进，针对“同位素标记法”这种科学研究方法构建微专题复习，引导学生结合相关实验情境梳理、学习、运用，进行实验分析和实验设计，加深理解学科研究方法，提升学科素养。

1 同维度标记法在新旧教材中的对比

“同位素标记”是高中生物学学科中的一种科学研究方法，也是一种实验方法。但很多教师忽视了“同位素标记法”的整理和教学，甚至对其有一些错误的理解，导致学生在该实验方法上存在很多认知缺陷。新教材对该方法的运用进行了更新和补充，特别是标记元素的种类和检测方法的运用。

1.1 概念更明晰

旧教材中同位素标记法的描述如下：同位素可用于追踪物质的运行和变化规律。用同位素标记的化合物，化学性质不会改变。科学家通过追踪同位素标记的化合物，可以弄清化学反应的详细过程。这种方法叫做同位素标记法。

新教材对同位素标记法的描述进行了修改：在同一元素中，质子数相同，中子数不同的原子为同位素，如16O与18O，12C和14C。同位素的物理性质可能有差异，但组成的化合物化学性质相同，用物理性质特殊的同位素来标记化学反应中原子的去向，就是同位素标记法。同位素标记法可用于示踪物质的运行和变化规律。通过追踪同位素标记的化合物，可以弄清楚化学反应的详细过程。生物学研究中常用同位素有的具有放射性，如14C、32P、3H、35S等；有的不具有放射性，是稳定同位素，如15N、18O等。

可见，新教材的概念进一步明确了同位素的分类，也为相关实验的实验检测方法给出了理论依据。

1.2 实验原理更明确

在用同位素标记法证明DNA半保留复制的实验中，旧教材没有明确写出该实验的实验原理，而新教材中给出了“实验背景”，即：15N和14N是N元素的两种稳定同位素，这两种同位素的相对原子质量不同，含15N的DNA比含14N的DNA密度大，因此，利用离心技术可以在试管中区分含有不同N元素的DNA。该实验背景明确了实验的检测方法是密度离心法，而不再是检测放射性。

2 教学设计思路

科学实验和科学探究情境主要来自于真实的生物学研究的内容以及由这些内容进行知识迁移所产生的情境或问题。同位素标记法运用的实验在高中生物学教材中共有9处，其中必修1和必修2中5处实验有可挖掘的情境。例如，在同位素标记法的相关实验中，学生对实验自变量、因变量的判断存在困难或者误区，对实验的选材和结果分析等环节也不清晰。教师可以挖掘相关实验情境，设计同位素标记法的微专题展开复习，重在引导学生进行实验探究和分析，从而有效培养学生的实验探究能力，最终实现学生生物学科核心素养的提升。该微专题的教学设计思路如图1所示。

图1 专题设计思路

3 教学实践过程

3.1 课前梳理教材，完成表格

课前，教师要求学生梳理高中教材中有关运用同位素标记的相关实验，完成表1。同时，利用4道判断题以进行检测。

表1 同位素标记法相关实验汇总

判断题：

①鲁宾和卡门探究光合作用释放的氧气来源的实验中，结论的得出是因为第二组释放的氧气具有放射性。

②若DNA为半保留复制，则以15N标记的脱氧核苷酸为原料培养未被标记的DNA,所得子一代DNA离心后，放射性只出现在中带。

③用3H标记的亮氨酸培养浆细胞，可以检测到放射性的结构依次为:核糖体→内质网→线粒体→高尔基体→细胞膜→细胞外，因此该实验的自变量是亮氨酸是否被标记。

④T2噬菌体侵染大肠杆菌实验中可以用32P和35S同时标记噬菌体的DNA和蛋白质进行实验。

答案：①× ②× ③× ④×

教师根据学生预习反馈，总结学生存在的问题：

①如何正确选择标记元素或化合物？②实验中如何设置对照实验？③如何确定实验中的自变量、因变量（观察指标）？

设计意图：学生梳理教材，回归课本，教师通过判断题，评估和反馈学生的一轮复习情况，同时结合学生呈现出的不同学业和核心素养的达成情况、预习结果，生成需要解决的核心问题，激发学生的学习热情，突出课堂中学生的主体地位，创造性开展教学设计。

3.2 课堂深入探究，提升能力

课堂中，教师根据学生预习反馈生成的相关问题，引导学生深入探究，提升实验探究能力，落实生物学科核心素养的培养。

3.2.1 高考真题情境，导入课题

教师呈现高考真题如下：

（2017年·全国卷I·29）根据遗传物质的化学组成，可将病毒分为RNA病毒和DNA病毒两种类型。有些病毒对人类健康会造成很大危害。通常，一种新病毒出现后需要确定该病毒的类型。假设在宿主细胞内不发生碱基之间的相互转换，请利用放射性同位素标记的方法，以体外培养的宿主细胞等为材料，设计实验以确定一种新病毒的类型。简要写出实验思路、预期实验结果及结论即可（要求：实验包含可相互印证的甲、乙两个组），并确定一种新病毒的类型。教师明确该题考查同位素标记法应用的实验设计，对学生的能力要求很高，由此引入专题学习。

设计意图：教师利用高考真题引入并分析题目考查的内容及能力要求，强调掌握科学研究方法和实验方法的重要性，体会设计微专题学习的必要性。

3.2.2 利用拓展资料，深入学习

教师提供学习资料：同位素是同一元素的不同种类原子，它们具有相同数目的质子数，而中子数目不同。同位素可分为具有放射性的放射性同位素和不具有放射性的稳定性同位素两类。放射性同位素的原子核很不稳定，会不间断发出射线，如3H、14C、35S、32P、131I；稳定性同位素极不易发生自行衰变，目前技术手段检测不到其放射性，如180和15N。科学家通过对同位素的追踪，可以揭示化学反应的详细过程，这种科学研究方法叫做同位素标记法，也叫同位素示踪法。

当同位素用于追踪物质运行和变化过程时，就被称为示踪元素。放射性同位素和稳定性同位素都可作为示踪元素。以放射性同位素作为示踪元素的方法叫放射性同位素标记法。放射性同位素具有原子核不稳定、不断放出特征射线的属性，可用核探测设备对它的数量、位置（体内或体外）及在化学反应中的转变过程等，实现即时追踪。放射性同位素标记法具有灵敏度高、测量简便、定位准确、定量精准等优点。稳定性同位素也可作为示踪元素，可以利用它与普通同位素在原子质量、质谱性质等方面的区别，通过质谱仪或气相层析仪等仪器来完成分析。

教师要求学生阅读以上资料，完成以下有关同位素的总结。

（1）同位素的概念：

______元素的不同种类原子，它们具有相同数目的______，而______数目不同。

（2）同位素标记法的作用：

通过对同位素的______，可以揭示______的详细过程。

（3）同位素标记法的特点：

①同位素标记的化合物，______不会改变；

②不影响代谢反应的进行；

③放射性同位素标记______高、测量______、______准确、______精准。

（4）同位素的分类及实例

______同位素：如：________________________

______同位素：如：________________________

（5）同位素标记法的结果检测

如果标记元素是____同位素，可进行____检测，用核探测设备即时追踪，例如利用自显影技术追踪。

如果标记元素是______同位素，可在______、______等方面进行区别。

设计意图：教师将查阅整合后的相关同位素标记法的拓展资料提供给学生，让学生阅读整理，促进学生深入学习该方法的概念、特点、原理等知识，培养提升学生获取信息的能力。

3.2.3 结合学习结果，实验分析

教师挖掘教材中5个实验内容，从不同的角度设问进行分析（表2）。学生分组讨论并进行汇报。

表2 同位素标记法相关实验的分析

设计意图：在梳理和学习的基础上，教师挖掘教材中5个实验，从不同的角度设问进行分析，学生分组讨论汇报。这个环节不仅使学生先前生成的问题得以解决，而且可以提升学生的实验探究能力。

3.2.4 完善知识体系，总结规律

教师引导学生分析小结相关实验的共同规律（表2），再总结同位素标记法的应用“四确定”，引导学生交流并完成填空：

（1）确定实验目的：

可用于研究细胞内的元素或化合物的组成、__________等，研究______过程和______机理，进而了解细胞的结构和功能；研究病毒遗传物质的______，测定化石的年代等。

（2）确定实验分组情况（明确自变量和对照方法）：

确保一组实验（一种物质）只用___种同位素标记___种物质。

（3）确定同位素种类：

根据实验目的，一般先确定需要标记的____________；再选择______的种类。

（4）确定结果检测方法（明确因变量）

根据所选同位素的______，确定结果是______还是____________。

设计意图：通过寻找规律和总结方法的过程，学生思维的碰撞得到升华，真正达到举一反三，融会贯通。同时，教师通过训练提升学生的科学思维水平。

3.2.5 体验学以致用，巩固提升

教师让学生再次解析之前的判断题后引导利用以上“四要素”解答导入中的高考真题，并要求学生完成课后训练案习题。

设计意图：首尾呼应，学生通过这节课的学习，充分体会到学以致用，体验学习的自豪感和成就感。

4 教学研究反思

该专题的容量比较大，需要学生课前做好功课，否则课堂上很难完成任务，因此教师课前的指导也很重要。另外，根据学情设计实验分析中的问题是可以改变的。这样的教学才更具有针对性，学生的收获应该更大。

关于同类微专题的复习方法，参考赵占良教授对高中生物学教材中的科学方法分类，结合教材中常用的一些科学方法，整理如图2所示。教师可以根据学情设计相关微专题进行二轮复习，例如应用“假说演绎法”“模型法”等。

图2 高中生物学微专题的复习方法

在实验情景的设置上，教师可以让学生自行设计实验进行探究，从实验方法、实验材料的选择、实验目的、观察指标、实验结果、实验结果分析、实验结论等各环节完成整个探究过程。这样的拓展和设计更能有效培养学生的实验探究能力，最终实现学生生物学科核心素养的提升。