基于ADI模型的高中生物学实验分析

“分子与细胞”是高中生物的重要内容，涉及细胞的结构、功能、代谢及遗传信息传递等方面的知识。“分子与细胞”内容注重理论与实践的结合，通过实验设计与分析，让学生更好地理解生物学的原理。ADI模型即Argument-Driven Inquiry instructional model，是一种注重科学论证的新探究教学模型，在高中生物学教学中具有重要的应用价值。本文以“分子与细胞”内容为例，创新生物学实验探究教学方式，引入新探究教学模型，以此增强实验探究活动设计的科学性与合理性。“分子与细胞”课程知识内容从生命系统的层次性、生命系统的整体性、生命系统的开放性、生命系统的动态性等层面进行分析，涵盖“走近细胞”“组成细胞的分子”“细胞的基本结构”“细胞的物质输入和输出”“细胞的能量供应和利用”“细胞的生命历程”等相关知识内容，在理论教学的同时，优化实验教学，培养学生的实践探究能力。

一、“分子与细胞”教学内容

ADI活动内容涉及细胞的各个方面，促进学生全面了解细胞的基本知识，理解生命的基本过程及各种生命活动的本质，理解细胞的基本结构与功能，理解细胞代谢的基本过程，包括糖代谢、脂肪代谢、蛋白质代谢等。了解能量在细胞中的产生和利用，包括ATP合成与分解、光合作用等。了解DNA的结构与复制过程，理解基因表达的过程，包括转录与翻译。理解细胞分化的基本概念与过程，了解细胞分化的调控机制，理解细胞衰老的特征与原因，包括端粒缩短、氧化应激等。了解细胞凋亡的概念与意义，深入了解细胞膜的结构与功能，包括膜转运、信号转导等。理解信号传导在生理和病理过程中的作用，了解免疫系统的基本组成与功能。掌握各类免疫细胞的特点与作用，包括T淋巴细胞、B淋巴细胞、巨噬细胞等。掌握细胞增殖的过程及特点，包括DNA的复制、染色体的形成等。细胞中的糖类和脂质如表1所示。

二、“分子与细胞”课程总体ADI模型指导问题

（一）设计问题

在“细胞呼吸的原理和应用”章节教学中，教师可以设计问题：“为什么长时间不运动后突然剧烈运动，腿部肌肉会酸痛？”与学生的日常体验紧密相连，自然地引出细胞无氧呼吸的概念，营造合适的学习情境，激发学生探究无氧呼吸原理的兴趣。教师引导学生复习旧知识引出新知识。在“细胞呼吸的原理和应用”章节中，教师可以提问：“有氧呼吸主要与哪种细胞器有关？”引导学生回顾线粒体的结构与功能，巩固之前所学的知识点，为学习“有氧呼吸的过程”做有效铺垫。教师关注课程中的重点与难点，锻练学生的思维能力。在“捕获光能的色素和结构”章节中，“色素的提取和分离”是一个重要的知识点。教师引导学生深入思考实验原理，培养学生的科学探究能力。

教师引领学生明晰细胞结构、细胞代谢过程与基因的表达调控等核心概念，确立清晰明确的教学目标。从知识层面、能力层面与情感态度层面，强化对理论知识的理解。

教师引导学生对细胞结构和功能的全面认识，深化对基因表达调控机制的基本理解；注重培养学生的实际应用能力，能够运用细胞生物学知识分析生命现象，解释基因表达调控的实验结果。教师引导学生培养对生物科学的热爱，树立科学严谨的研究态度，尊重生命的多样性与复杂性。

由此对课程知识进行全面梳理，建立扎实的生物学基础知识，培养学生独立思考的能力，形成科学的思维方式，实现生物课程的育人目标。

基于ADI模型，对学生进行分组，每小组3～4人。结合ADI模型的相关要求，注重数据收集与分析，促进学生理清实验思路，指导学生设计实验。对学生设计“光照强度如何影响光合作用强度”实验，向学生提出以下问题：

师：光合作用是什么？光合作用需要哪些条件？光照强度如何影响光合作用的进行？光照强度对光合作用强度的具体影响有哪些表现？光照强度是如何改变光合作用中的二氧化碳和水的利用量的？

师：在不同的光照强度下，光合作用强度的变化趋势是怎样的？实验中如何控制光照强度，以保证实验结果的准确性？实验中如何测定光合作用强度？有哪些常用的方法？实验中需要注意哪些事项，以确保实验的顺利进行和结果的可靠性？

通过问题设置，在ADI模型运用过程中，促进学生掌握实验的技巧，提高实验的准确性。引导学生探究光照强度对光合作用强度的影响，培养学生的科学思维。

指导问题：光照强度如何影响光合作用强度？

（二）ADI阶段实验论证

在ADI阶段，促进学生学习如何依据证据进行论证，在实验教学中学会获取与交流相关科学信息。通过任务问题的设置，学生理解光照强度与光合作用的关系，明确光照强度是影响光合作用强度的一个重要因素。光照为植物光合作用提供能量，光照越强，植物能吸收的光能越多，从而有助于光合作用的进行。在一定范围内，随着光照强度的增强，光合速率随之增加。这是由于光合作用是一个需要能量的过程，光照强度增强为光合作用提供了更多的能量。

教师在教授“细胞器之间的分工合作”章节时，将“细胞工厂”的动画视频作为教学导入，生动形象地展示细胞器在细胞内协同工作过程，促进学生更好地理解微观世界的生物学知识。利用动画的趣味性，激发学生探索的激情。在讲解“细胞癌变”主题时，播放一段细胞癌变过程及对人体健康影响的科普视频，以直观的画面与生动的解说，引导学生深刻认识不良生活习惯对健康的危害，引导学生敬畏生命。在教学过程中，虽然教材是基础，但教学活动不能局限于教材，应充分利用动画视频、科普短片、实验演示等各种教学资源，丰富教学内容，提高学生的学习兴趣。在教学过程中渗透生物学核心素养，培养学生的实验能力。

验证光照强度与光合作用强度的关系，测定不同光照强度下菠菜叶片的光合速率。对比不同光照强度下的数据，观察光合速率与光照强度的正相关系。分析菠菜叶片的密度与浮沉现象的关系，当菠菜叶片密度较低时，叶片浮于水面，而当叶片密度增加到一定程度时，叶片沉入水底。这可能与叶片中的气体含量有关，气体含量达到一定程度时，叶片浮起。分析台灯与菠菜叶片的光合作用，实验结果表明，距离台灯近的菠菜叶片光合作用强，这可能是由于台灯提供的光源更加集中，提高了该区域的光照强度，促进了菠菜叶片的光合作用。在一定范围内，光照强度越强，光合作用越强。因此，为了提高植物的光合作用效率，可以增加光照强度。

三、“分子与细胞”课程总体ADI模型实验设计分析

（一）实验材料

在《分子与细胞》实验中，采用ADI模型，设计实验项目，包括细胞膜的通透性、酶的活性、DNA的复制等。实验涵盖细胞结构和功能、细胞代谢与能量、遗传信息传递等内容，旨在通过实践操作，加深学生对这些知识的理解。

按照实验要求准备相应的实验材料，包括细胞膜样品、酶溶液、DNA溶液等。按照实验步骤进行操作，包括细胞膜通透性的测定、酶活性的测定、DNA复制的观察等。在实验过程中及时记录数据，包括实验现象、数据变化等，对实验数据进行整理和分析，探究实验结果与理论知识的联系。

（二）实验操作过程

通过对实验数据的分析，得出细胞膜具有选择透过性，不同物质通过细胞膜的速率不同。酶具有高效性和专一性，不同酶对底物的催化作用不同。DNA复制需要模板、原料、能量和酶等条件，复制过程中碱基配对遵循A-T、G-C的原则。在理论学习的同时，加强实验和实践教学，使学生能够更好地掌握知识。在学习的过程中，教师引导学生思考问题、发现问题，提升学生解决问题的能力。优化实验教学，促进学生更好地理解实验设计与数据分析的基本技能。

四、“分子与细胞”课程中“植物细胞吸水与失水”的ADI模型设计

选取“分子与细胞”课程中“探究植物细胞的吸水与失水”内容进行ADI模型设计，“探究植物细胞的吸水与失水”主要介绍细胞的基本概念、组成与结构、细胞的基本功能，使学生了解生命的基本单位——细胞，为后续的学习打下基础。

（一）ADI模型实验

在ADI模型实施阶段，是对相关内容的整合。酶是生物体内进行新陈代谢的关键物质，学习酶的种类、作用以及新陈代谢的过程，使学生了解生物体内的新陈代谢过程。糖类和脂质是细胞中的重要物质，通过学习糖类与脂质的种类、结构与功能，学生了解糖类和脂质在细胞中的作用。核酸是生物体内遗传信息的携带者，教师在教学中展示核酸的种类、结构与功能、遗传信息的传递过程，促进学生了解生物体内的遗传信息传递过程。细胞的分化是生命的基本过程之一，教师在教学中讲解有丝分裂、减数分裂与细胞分化的过程，介绍细胞衰老和凋亡的过程，结合具体的应用场景，讲解细胞工程的基本原理和应用。

（二）ADI实验设计

设计ADI实验，实验原理为植物细胞的吸水与失水主要取决于细胞内外溶液的浓度差，当外界溶液浓度高于细胞液浓度时，细胞吸水，反之，细胞失水。该过程主要通过细胞膜上的水通道蛋白进行调控。由此，在实验过程中，教师引导学生观察萝卜块在不同浓度溶液中的吸水与失水现象。实验需准备萝卜、刀片、载玻片、盖玻片、显微镜、记录本等物品。取新鲜萝卜切成相同大小的块状，分成两组。在两组萝卜块上分别挖一个相同大小的坑。一组放入清水中，另一组放入盐水中。观察并记录萝卜块的变化。使用显微镜观察细胞的变化并记录。

（三）实验结果分析

在清水中，萝卜块逐渐吸收水分，坑洞逐渐变小，在盐水中，萝卜块逐渐失去水分，坑洞逐渐变大。分析显微镜观察结果，在清水中，细胞吸水膨胀，液泡占据更大比例，在盐水中，细胞失水收缩，液泡占据较小比例。根据实验结果，可以得出结论：当外界溶液浓度高于细胞液浓度时，细胞吸水。反之，细胞失水。该过程主要通过细胞膜上的水通道蛋白进行调控。实验中，萝卜块在清水中吸收水分，而在盐水中失去水分，证明了植物细胞的吸水和失水现象受到溶液浓度的影响。

五、“分子与细胞”课程中“影响酶活性条件”的ADI模型设计

选取“分子与细胞”课程中“影响酶活性条件”进行ADI模型设计。

（一）实验器械

观察温度和pH对酶活性的影响，基于ADI模型，加深学生对酶活性调节机制的理解。实验材料包括淀粉酶、可溶性淀粉、碘液、醋酸缓冲液、氢氧化钠溶液、冰块、热水、正常温度的水浴锅等。实验设备包括离心管、滴管、移液管、电子天平等。教师将学生分成若干小组，每组进行不同的实验操作。

（二）实验溶液制备

a.制备含有可溶性淀粉和淀粉酶的溶液，其中淀粉酶溶液的浓度保持不变，而可溶性淀粉溶液的浓度根据实验需求进行适当调整。b.设置温度与pH条件，根据实验目的和预期结果，设置不同的温度和pH条件。分别设置25℃、35℃、45℃和pH5.0、pH6.0、pH7.0等条件。c.将含有可溶性淀粉的溶液和淀粉酶溶液混合，充分摇匀。d.将混合溶液放入离心管中，进行离心分离，去除未反应的可溶性淀粉。e.通过滴加碘液观察混合溶液的颜色变化，判断可溶性淀粉是否被分解。记录不同温度和pH条件下的实验结果。

（三）实验结果分析

整理实验过程中观察、记录到的数据，分析不同温度和pH条件下酶活性的变化趋势。根据实验数据，分析温度和pH对酶活性的影响机制。当温度升高时，酶活性可能增强，当pH偏离酶的最适范围时，酶活性可能降低等。总结ADI模型实验结果，得出温度和pH对酶活性的影响规律，对比实验结果与理论知识之间的差异，加深对酶活性调节机制的理解。针对实验过程中可能出现的问题或误差进行讨论，鼓励学生积极思考和讨论，提出新的见解和思路。尝试探究不同种类的酶在不同温度与pH条件下的活性变化，探究温度和pH对酶动力学的影响等。

结合数据结果，设计应用题进行探讨，在ADI模型中强化学生对相关知识的理解，引导学生总结并概述课程知识内容。

（四）细胞学说应用题分析

师：请解释细胞学说的主要内容，并举例说明其在生物学中的应用。

生：细胞是一个有机体，一切动植物都由细胞发育而来，并由细胞和细胞产物所组成。细胞是一个相对独立的单位，既有自己的生命，又对与其他细胞共同组成的整体的生命起作用。新细胞可以从老细胞中产生。细胞学说在生物学中的应用为通过解释细胞的分裂、生长与发育过程，揭示生物体结构的本质，为遗传学和进化论提供了理论基础，有助于解释生物体的遗传和演化过程，能够指导生物医学领域的研究和实践，为疾病诊断与治疗提供依据。

师：请简述细胞分裂的过程及其意义。

生：细胞分裂的过程包括前期准备、中期转换、后期分裂与末期关闭四个阶段。其中，关键过程是纺锤体的形成和染色体的分离。细胞分裂的意义在于维持细胞的正常数量和形态，保证生物体的正常生长和发育。

师：请简述细胞分化的过程及其意义。

生：细胞分化是指在个体发育中，相同类型的细胞逐渐在形态、结构和功能上发生稳定性差异的过程。细胞分化的过程包括基因选择性表达和蛋白质合成，最终形成不同类型的细胞和组织。细胞分化的意义在于使生物体具有多样性和适应性，能够适应不同的环境和生活条件。

师：请简述细胞衰老的特征和原因。

生：细胞衰老的特征包括细胞膜通透性降低、细胞核体积增大、染色质固缩、染色体端粒缩短等，细胞衰老的原因包括遗传因素、环境因素和氧化应激等。

六、总结

ADI模型是一种基于活动、对话和探究的教学模型，通过实践操作、交流讨论提高学生的科学素养。在“分子与细胞”实验中，采用ADI模型，设计实验、操作实验、分析实验结果，促进学生深入探究细胞结构与功能、细胞代谢与能量、遗传信息传递等知识。实验显示在一定范围内，光照强度越强，光合作用越强。当温度升高时，酶活性可能增强，当pH偏离酶的最适范围时，酶活性可能降低。结果与理论知识相符合，进一步加深了学生对细胞结构和功能、细胞代谢与能量、遗传信息传递等知识的理解。研究结果显示，ADI模型在“分子与细胞”实验中具有很好的应用效果，能够提高学生的实践操作能力。在高中生物实验过程中，应当注重学生实践操作能力的培养，深化学生对理论知识的理解。

（作者单位：安徽省长丰县第一中学）

编辑：孙守春