例談基于生物科學(xué)史素材的高三探究試題命制

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(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)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(shí)施以來的高考試題也越來越呈現(xiàn)出“能力立意”的特點(diǎn)，注重對(duì)考生科學(xué)思維品質(zhì)的考查，試題中實(shí)驗(yàn)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(píng)價(jià)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力，引導(dǎo)學(xué)生注重探究性學(xué)習(xí)，促進(jìn)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(shí)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(píng)價(jià)學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)同時(shí)，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(yàn)命制的試題

例1 科研工作者為了檢測(cè)化學(xué)物質(zhì)的致癌性，將組氨酸缺陷型細(xì)菌涂在只含微量組氨酸的培養(yǎng)基上培養(yǎng)，這些細(xì)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(cè)化學(xué)物質(zhì)，一段時(shí)間后計(jì)數(shù)培養(yǎng)基上可見的菌落數(shù)。

下列相關(guān)敘述錯(cuò)誤的是(D)

A.缺陷型細(xì)菌中負(fù)責(zé)合成組氨酸的酶因基因突變而喪失功能

B.該實(shí)驗(yàn)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(cè)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(cè)化學(xué)物質(zhì)的致癌性越強(qiáng)

試題評(píng)析：本題以Bruce Ames于1975年發(fā)明的Ames試驗(yàn)為背景命制[1]，既考查了學(xué)生對(duì)基因突變和微生物培養(yǎng)等相關(guān)概念的理解和運(yùn)用，又考查了學(xué)生確認(rèn)變量、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)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(xì)菌的基因突變率，使培養(yǎng)基上更多的細(xì)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(cè)化學(xué)物質(zhì)的致癌性越強(qiáng)，作為實(shí)驗(yàn)組的甲組與作為對(duì)照組的乙組之間的菌落數(shù)差值越大，因此D選項(xiàng)敘述錯(cuò)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(jìn)行致癌物檢測(cè)，意在引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決現(xiàn)實(shí)生活中的問題，理論聯(lián)系實(shí)際，關(guān)注生命科學(xué)技術(shù)在人類社會(huì)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(cè)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(jìng)爭(zhēng)，與抗胰島素抗體充分結(jié)合后，再檢測(cè)抗原抗體復(fù)合物的放射性強(qiáng)度。下列相關(guān)敘述正確的是(C)

A.本實(shí)驗(yàn)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(huì)降低胰島素與相應(yīng)抗體的結(jié)合能力

C.測(cè)得的抗原抗體復(fù)合物放射性越強(qiáng)，血液中胰島素含量越低

D.放射免疫法還可以用于檢測(cè)人體血液中胰高血糖素和血糖的含量

試題評(píng)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(duì)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(duì)實(shí)驗(yàn)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(duì)一定量的抗體展開競(jìng)爭(zhēng)，血液中胰島素含量越低，放射性標(biāo)記胰島素競(jìng)爭(zhēng)得到的抗體量越多，抗原抗體復(fù)合物的放射性強(qiáng)度越強(qiáng)，因此C選項(xiàng)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(cè)定胰島素含量之外，還可以靈敏地測(cè)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?yàn)榘l(fā)明該技術(shù)和應(yīng)用該技術(shù)對(duì)糖尿病進(jìn)行深入研究而獲得1977年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。本題在考查學(xué)生綜合運(yùn)用已有知識(shí)解決實(shí)際問題的同時(shí)，還可以引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注科學(xué)、技術(shù)與社會(huì)的關(guān)系，理解生命科學(xué)研究的社會(huì)價(jià)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(xì)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(jiǎn)稱LDL)后進(jìn)入血液，然后被運(yùn)送至身體各處的細(xì)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(xì)胞________的重要組分。

(2) 研究人員利用體外培養(yǎng)的人體細(xì)胞對(duì)膽固醇合成速度的調(diào)節(jié)機(jī)制進(jìn)行了研究，如下表。

膽固醇合成速度正常細(xì)胞家族性高膽固醇血癥患者細(xì)胞常規(guī)細(xì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，正常情況下，細(xì)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(jī)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(cè)體外培養(yǎng)的正常細(xì)胞和家族性高膽固醇血癥患者細(xì)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(shí)，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(cè)正常細(xì)胞有兩種攝取LDL的方式。方式一：LDL與細(xì)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(jī)內(nèi)吞入細(xì)胞(不需要與受體結(jié)合)。家族性高膽固醇血癥患者細(xì)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(xì)胞，一段時(shí)間后檢測(cè)細(xì)胞放射性強(qiáng)度。若①的假設(shè)成立，請(qǐng)將預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入表格。

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

1組2組3組4組實(shí)驗(yàn)材料正常細(xì)胞正常細(xì)胞患者細(xì)胞患者細(xì)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(xì)胞放射性強(qiáng)度+++ⅰ ⅱ ⅲ

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

參考答案：(1) 細(xì)胞膜(生物膜)； (2) LDL 負(fù)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(xì)胞膜上缺少正常LDL受體，從血液中攝取LDL速度低，對(duì)細(xì)胞內(nèi)膽固醇合成的反饋抑制作用弱，細(xì)胞合成膽固醇的量較多，釋放到血液中的LDL較多。

試題評(píng)析：本題以獲1985年諾爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)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(duì)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)、物質(zhì)進(jìn)出細(xì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)”“合理預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果”“分析結(jié)果得出結(jié)論”和“綜合運(yùn)用已有知識(shí)和新信息來解釋生命現(xiàn)象”等各個(gè)方面的能力。

本題中各小題對(duì)學(xué)生的能力要求逐級(jí)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(shí)驗(yàn)的自變量，比較各組實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異，獲知正常細(xì)胞中膽固醇的合成調(diào)節(jié)屬于負(fù)反饋調(diào)節(jié)。第(3)小題①對(duì)學(xué)生的數(shù)據(jù)分析能力有一定要求，學(xué)生要運(yùn)用物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞的相關(guān)知識(shí)解讀數(shù)據(jù)，理解“隨機(jī)內(nèi)吞”與自由擴(kuò)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(kuò)散相似，因?yàn)槭艿郊?xì)胞膜上受體數(shù)量的限制而具有飽和性，據(jù)此再?gòu)那€圖中分析得出正常細(xì)胞有兩種攝取LDL的方式，而患者細(xì)胞則只有“隨機(jī)內(nèi)吞”一種方式。第(3)小題②給出了科學(xué)家檢驗(yàn)假說的實(shí)驗(yàn)過程，要求學(xué)生預(yù)期實(shí)驗(yàn)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(shí)，第3組細(xì)胞攝入LDL的速率顯著低于第1組細(xì)胞，據(jù)此判斷出細(xì)胞放射性強(qiáng)度也顯著低于第1組細(xì)胞，為“+”；在此基礎(chǔ)上，學(xué)生需要繼續(xù)進(jìn)行數(shù)學(xué)推理，因?yàn)殡S機(jī)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(duì)患者細(xì)胞單位時(shí)間攝取的放射性LDL量無影響，因此第4組細(xì)胞放射性強(qiáng)度仍然為“+”；學(xué)生還需要發(fā)揮想象力，想象出對(duì)于正常細(xì)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(shí)，細(xì)胞膜上的LDL受體幾乎均被無標(biāo)記LDL占據(jù)，細(xì)胞通過方式一攝入的放射性LDL幾乎為0，因此第2組細(xì)胞的放射性強(qiáng)度將顯著低于第1組，也為“+”。第(4)小題是對(duì)假說的進(jìn)一步驗(yàn)證，學(xué)生需要合理運(yùn)用“假說—演繹法”進(jìn)行解答。第(5)小題的難度較高，學(xué)生需要?dú)w納和概括題干和各個(gè)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(gè)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(gè)展示思維能力的良好平臺(tái)，在清晰區(qū)分不同學(xué)生能力水平的同時(shí)，又激勵(lì)學(xué)生在日常學(xué)習(xí)中多進(jìn)行創(chuàng)新性思考和科學(xué)表達(dá)。

本題展示了科學(xué)家從個(gè)體水平到細(xì)胞水平再到分子水平不斷深入研究膽固醇代謝機(jī)制的真實(shí)情境，其中所蘊(yùn)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(duì)學(xué)生增強(qiáng)社會(huì)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(shí)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?？茖W(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(yùn)含著豐富的情感態(tài)度價(jià)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(shí)證為根據(jù)，以邏輯為武器，進(jìn)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(jī)制，在此過程中體會(huì)運(yùn)用已有知識(shí)解決科學(xué)問題的樂趣。命題的目的不僅僅是對(duì)學(xué)生的知識(shí)和能力水平進(jìn)行評(píng)價(jià)，更重要的是以此為依托反撥教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生建構(gòu)科學(xué)概念、進(jìn)行科學(xué)探究和發(fā)展理性思維。