劉 欣

(北京師范大學(xué)附屬中學(xué) 100052)

趙京秋

(北京市西城區(qū)教育研修學(xué)院 100035)

生物學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，學(xué)生的實驗探究能力是其生物科學(xué)素養(yǎng)中的重要組成部分。新課程實施以來的高考試題也越來越呈現(xiàn)出“能力立意”的特點，注重對考生科學(xué)思維品質(zhì)的考查，試題中實驗探究類問題所占比重不斷增加。

高三教師在指導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)備考過程中，需要命制高質(zhì)量的試題以評價學(xué)生的實驗探究能力，引導(dǎo)學(xué)生注重探究性學(xué)習(xí)，促進學(xué)生相關(guān)能力的提升。在生命科學(xué)的發(fā)展過程中，有許多里程碑性的研究成果，它們是真實而極富教育意義的命題素材，筆者嘗試從中選取某些素材改編成試題，力求在準(zhǔn)確評價學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)同時，引導(dǎo)學(xué)生“像科學(xué)家一樣思考”，構(gòu)建科學(xué)概念，感悟科學(xué)精神，理解科學(xué)的本質(zhì)，現(xiàn)試舉幾例如下。

1 基于Ames試驗命制的試題

例1 科研工作者為了檢測化學(xué)物質(zhì)的致癌性，將組氨酸缺陷型細菌涂在只含微量組氨酸的培養(yǎng)基上培養(yǎng)，這些細菌能夠存活但不能形成可見的菌落。之后將所有培養(yǎng)基分成甲、乙兩組，甲組培養(yǎng)基中加入待測化學(xué)物質(zhì)，一段時間后計數(shù)培養(yǎng)基上可見的菌落數(shù)。

下列相關(guān)敘述錯誤的是(D)

A.缺陷型細菌中負責(zé)合成組氨酸的酶因基因突變而喪失功能

B.該實驗依據(jù)的原理之一是化學(xué)致癌物能提高基因突變頻率

C.乙組培養(yǎng)基不加入待測化學(xué)物質(zhì)，其他條件應(yīng)與甲組相同

D.甲組培養(yǎng)基上的菌落數(shù)越少，待測化學(xué)物質(zhì)的致癌性越強

試題評析：本題以Bruce Ames于1975年發(fā)明的Ames試驗為背景命制[1]，既考查了學(xué)生對基因突變和微生物培養(yǎng)等相關(guān)概念的理解和運用，又考查了學(xué)生確認變量、設(shè)計實驗方案、作出假設(shè)和預(yù)期的能力?；瘜W(xué)致變劑能夠增加細菌的基因突變率，使培養(yǎng)基上更多的細菌由缺陷型回復(fù)為全養(yǎng)型，形成可見菌落。致變劑也是致癌物，待測化學(xué)物質(zhì)的致癌性越強，作為實驗組的甲組與作為對照組的乙組之間的菌落數(shù)差值越大，因此D選項敘述錯誤。本題要求學(xué)生在新情境中獲取信息，研究如何快速、靈敏且低成本地進行致癌物檢測，意在引導(dǎo)學(xué)生運用所學(xué)知識解決現(xiàn)實生活中的問題，理論聯(lián)系實際，關(guān)注生命科學(xué)技術(shù)在人類社會中的應(yīng)用。

2 基于放射免疫法命制的試題

例2 放射免疫法是檢測人體血液中胰島素含量的常規(guī)方法。將定量的抗胰島素抗體、定量且過量的放射性同位素標(biāo)記胰島素與一定量血液混合，待血液中的胰島素與放射性胰島素競爭，與抗胰島素抗體充分結(jié)合后，再檢測抗原抗體復(fù)合物的放射性強度。下列相關(guān)敘述正確的是(C)

A.本實驗中可以用放射性同位素32P來標(biāo)記胰島素

B.放射性同位素標(biāo)記會降低胰島素與相應(yīng)抗體的結(jié)合能力

C.測得的抗原抗體復(fù)合物放射性越強，血液中胰島素含量越低

D.放射免疫法還可以用于檢測人體血液中胰高血糖素和血糖的含量

試題評析：本題以Rosalyn Yalow發(fā)明的放射免疫法為背景[2]，考查學(xué)生對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、放射性同位素標(biāo)記追蹤技術(shù)和特異性免疫相關(guān)概念的理解和應(yīng)用，還考查了學(xué)生獲取信息、直觀想象以及對實驗做出假設(shè)和預(yù)期的能力。放射性標(biāo)記胰島素和普通胰島素與抗胰島素抗體結(jié)合的能力相同，它們針對一定量的抗體展開競爭，血液中胰島素含量越低，放射性標(biāo)記胰島素競爭得到的抗體量越多，抗原抗體復(fù)合物的放射性強度越強，因此C選項的敘述是正確的。

放射免疫法以抗原抗體的特異性結(jié)合為原理，除了用于測定胰島素含量之外，還可以靈敏地測定其他大分子物質(zhì)的含量，如各種肽類激素、酶、抗體等，因此是生命科學(xué)研究和臨床醫(yī)學(xué)診斷中的重要技術(shù)，Yalow本人也因為發(fā)明該技術(shù)和應(yīng)用該技術(shù)對糖尿病進行深入研究而獲得1977年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。本題在考查學(xué)生綜合運用已有知識解決實際問題的同時，還可以引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注科學(xué)、技術(shù)與社會的關(guān)系，理解生命科學(xué)研究的社會價值。

3 基于膽固醇代謝研究命制的試題

例3 人體既可以從食物中獲取膽固醇，也可以依靠自身的某些細胞合成膽固醇。膽固醇與載脂蛋白結(jié)合成低密度脂蛋白(簡稱LDL)后進入血液，然后被運送至身體各處的細胞。一種名為家族性高膽固醇血癥的單基因遺傳病患者血液內(nèi)膽固醇含量是正常人的6倍以上。

(1) 膽固醇是人體細胞________的重要組分。

(2) 研究人員利用體外培養(yǎng)的人體細胞對膽固醇合成速度的調(diào)節(jié)機制進行了研究，如下表。

膽固醇合成速度正常細胞家族性高膽固醇血癥患者細胞常規(guī)細胞培養(yǎng)條件低高去除培養(yǎng)液中血清成分高高無血清培養(yǎng)液中加入LDL低高

根據(jù)上述實驗結(jié)果可知，正常情況下，細胞合成膽固醇的速度受到血液中________含量的調(diào)控，這是一種________調(diào)節(jié)機制，能夠避免血液中膽固醇含量過高，而家族性高膽固醇血癥患者喪失了這種調(diào)節(jié)能力。

(3) 研究人員檢測體外培養(yǎng)的正常細胞和家族性高膽固醇血癥患者細胞攝取LDL的速度，得到圖示結(jié)果。①由圖可知，當(dāng)胞外LDL濃度超過35μg/mL時，A線斜率明顯下降，且隨LDL濃度增加，A線與B線的差值________。據(jù)此可推測正常細胞有兩種攝取LDL的方式。方式一：LDL與細胞膜上的特異性受體結(jié)合后被胞吞，之后受體重新回到膜上；方式二：LDL被隨機內(nèi)吞入細胞(不需要與受體結(jié)合)。家族性高膽固醇血癥患者細胞攝取膽固醇的方式可能為________。②研究人員分別培養(yǎng)正常人及患者的細胞，一段時間后檢測細胞放射性強度。若①的假設(shè)成立，請將預(yù)期實驗結(jié)果填入表格。

(4) 研究人員將能夠破壞細胞膜上各種受體的鏈霉蛋白酶加入細胞培養(yǎng)液中，發(fā)現(xiàn)正常細胞攝取LDL的速度________，家族性高膽固醇血癥患者細胞攝取LDL的速度________，進一步證實了LDL受體的存在。

(5) 根據(jù)上述研究，解釋家族性高膽固醇血癥患者血液內(nèi)膽固醇含量過高的病理機制________。

1組2組3組4組實驗材料正常細胞正常細胞患者細胞患者細胞培養(yǎng)液加入20μg/mL放射性標(biāo)記LDL加入20μg/mL放射性標(biāo)記LDL+高濃度無標(biāo)記LDL同組1同組2細胞放射性強度+++ⅰ ⅱ ⅲ

(注：“+”表示細胞有放射性，“+”數(shù)量越多放射性越強，“-”表示細胞無放射性)

參考答案：(1) 細胞膜(生物膜)； (2) LDL 負反饋； (3) ① 不變 方式二； ② ⅰ+ ⅱ+ ⅲ+； (4) 降低 不變； (5) 患者LDL受體基因缺陷，導(dǎo)致細胞膜上缺少正常LDL受體，從血液中攝取LDL速度低，對細胞內(nèi)膽固醇合成的反饋抑制作用弱，細胞合成膽固醇的量較多，釋放到血液中的LDL較多。

試題評析：本題以獲1985年諾爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎的Michael Stuart Brown和Joseph Leonard Goldstein關(guān)于膽固醇代謝的研究為素材命制[3]，既考查了學(xué)生對細胞的結(jié)構(gòu)、物質(zhì)進出細胞的方式、基因控制性狀的方式等重要概念的理解，又考查了學(xué)生“從文字和圖表中獲取信息”“解讀實驗數(shù)據(jù)”“合理預(yù)期實驗結(jié)果”“分析結(jié)果得出結(jié)論”和“綜合運用已有知識和新信息來解釋生命現(xiàn)象”等各個方面的能力。

本題中各小題對學(xué)生的能力要求逐級提高。第(2)小題要求學(xué)生分辨出血清和血清中的LDL是該實驗的自變量，比較各組實驗結(jié)果的差異，獲知正常細胞中膽固醇的合成調(diào)節(jié)屬于負反饋調(diào)節(jié)。第(3)小題①對學(xué)生的數(shù)據(jù)分析能力有一定要求，學(xué)生要運用物質(zhì)進出細胞的相關(guān)知識解讀數(shù)據(jù)，理解“隨機內(nèi)吞”與自由擴散相似，攝取速率與胞外LDL濃度成正比，且不具有飽和性，而“特異性受體介導(dǎo)的胞吞”與協(xié)助擴散相似，因為受到細胞膜上受體數(shù)量的限制而具有飽和性，據(jù)此再從曲線圖中分析得出正常細胞有兩種攝取LDL的方式，而患者細胞則只有“隨機內(nèi)吞”一種方式。第(3)小題②給出了科學(xué)家檢驗假說的實驗過程，要求學(xué)生預(yù)期實驗結(jié)果。學(xué)生首先需要從第(2)小題的曲線圖上讀出當(dāng)胞外放射性LDL濃度為20μg/mL時，第3組細胞攝入LDL的速率顯著低于第1組細胞，據(jù)此判斷出細胞放射性強度也顯著低于第1組細胞，為“+”；在此基礎(chǔ)上，學(xué)生需要繼續(xù)進行數(shù)學(xué)推理，因為隨機內(nèi)吞的速率與胞外LDL濃度呈正比，所以溶液中摻入無標(biāo)記LDL對患者細胞單位時間攝取的放射性LDL量無影響，因此第4組細胞放射性強度仍然為“+”；學(xué)生還需要發(fā)揮想象力，想象出對于正常細胞而言，膜上受體數(shù)量有限，因此當(dāng)胞外溶液中摻入高濃度無標(biāo)記LDL時，細胞膜上的LDL受體幾乎均被無標(biāo)記LDL占據(jù)，細胞通過方式一攝入的放射性LDL幾乎為0，因此第2組細胞的放射性強度將顯著低于第1組，也為“+”。第(4)小題是對假說的進一步驗證，學(xué)生需要合理運用“假說—演繹法”進行解答。第(5)小題的難度較高，學(xué)生需要歸納和概括題干和各個小題中給出的全部信息，從血液中膽固醇的來源和去路兩個方面說明患者血液中膽固醇含量過高的原因。本小題屬于開放性問題，為學(xué)生提供了一個展示思維能力的良好平臺，在清晰區(qū)分不同學(xué)生能力水平的同時，又激勵學(xué)生在日常學(xué)習(xí)中多進行創(chuàng)新性思考和科學(xué)表達。

本題展示了科學(xué)家從個體水平到細胞水平再到分子水平不斷深入研究膽固醇代謝機制的真實情境，其中所蘊含的系統(tǒng)論和信息論的思想有助于學(xué)生“穩(wěn)態(tài)與平衡”觀念的形成，材料還充分體現(xiàn)了“生物學(xué)研究服務(wù)于人類健康生活”的理念，對學(xué)生增強社會責(zé)任感具有積極的教育意義。

新課程改革以來的生物學(xué)高考中，以真實的科研情境為背景，考查學(xué)生理性思維的試題形式日趨占據(jù)主導(dǎo)地位。教師在指導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)備考的過程中，應(yīng)順應(yīng)這一變化，在教學(xué)中積極探索，嘗試命制類似試題。科學(xué)史素材作為科學(xué)發(fā)展歷程中的關(guān)鍵性成果，既能呈現(xiàn)核心概念，又能體現(xiàn)高水平的科學(xué)思維過程，還蘊含著豐富的情感態(tài)度價值觀教育意義，是非常好的命題素材?；凇肮适戮€索”的命題策略是將科學(xué)史素材改編為試題的常見策略[4]。例如在本文的例3中，就以講故事的形式展示了科學(xué)家研究高膽固醇血癥病因的完整過程，并逐步引導(dǎo)學(xué)生代入科學(xué)家的角色，以實證為根據(jù)，以邏輯為武器，進行連續(xù)的因果推理，逐層深入地探索生命現(xiàn)象背后的生理機制，在此過程中體會運用已有知識解決科學(xué)問題的樂趣。命題的目的不僅僅是對學(xué)生的知識和能力水平進行評價，更重要的是以此為依托反撥教學(xué)，促進學(xué)生建構(gòu)科學(xué)概念、進行科學(xué)探究和發(fā)展理性思維。