以科學(xué)探究為核心，落實(shí)生物學(xué)核心素養(yǎng)

張雄　陳興華

生物學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，科學(xué)探究是高中生物學(xué)四大核心素養(yǎng)之一，實(shí)驗(yàn)與探究能力也是高考生物學(xué)的重要考查目標(biāo)。高考生物學(xué)在實(shí)驗(yàn)與探究的具體情境中，基于所學(xué)知識的理解、綜合運(yùn)用和生物學(xué)學(xué)科思維進(jìn)行命題，以考查實(shí)驗(yàn)與探究能力[1]。本文以2021年高考生物廣東卷19題為例，著重分析以科學(xué)探究為核心的生物學(xué)核心素養(yǎng)的考查方式，啟發(fā)學(xué)生在高考備考中要逐漸培養(yǎng)自己的信息提取和分析能力、實(shí)驗(yàn)與探究能力等。

原題：人體缺乏尿酸氧化酶，導(dǎo)致體內(nèi)嘌呤分解代謝的終產(chǎn)物是尿酸（存在形式為尿酸鹽）。尿酸鹽經(jīng)腎小球?yàn)V過后，部分被腎小管細(xì)胞膜上具有尿酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)功能的蛋白URAT1和GLUT9重吸收，最終回到血液。尿酸鹽重吸收過量會導(dǎo)致高尿酸血癥或痛風(fēng)。目前，E是針對上述蛋白治療高尿酸血癥或痛風(fēng)的常用臨床藥物。為研發(fā)新的藥物，研究人員對天然化合物F的降尿酸作用進(jìn)行了研究。給正常實(shí)驗(yàn)大鼠（有尿酸氧化酶）灌服尿酸氧化酶抑制劑，獲得了若干只高尿酸血癥大鼠，并將其隨機(jī)分成數(shù)量相等的兩組，一組設(shè)為模型組，另一組灌服F設(shè)為治療組，一段時(shí)間后檢測相關(guān)指標(biāo)，結(jié)果見圖1。

回答下列問題：

（1）與分泌蛋白相似，URAT1和GLUT9在細(xì)胞內(nèi)的合成、加工和轉(zhuǎn)運(yùn)過程需要___________及線粒體等細(xì)胞器（答出兩種即可）共同參與。腎小管細(xì)胞通過上述蛋白重吸收尿酸鹽，體現(xiàn)了細(xì)胞膜具有___________的功能特性。原尿中還有許多物質(zhì)也需借助載體蛋白通過腎小管的細(xì)胞膜，這類跨膜運(yùn)輸?shù)木唧w方式有___________。

（2）URAT1分布于腎小管細(xì)胞刷狀緣（圖2，示意圖），該結(jié)構(gòu)有利于尿酸鹽的重吸收，原因是___________。

（3）與空白對照組（灌服生理鹽水的正常實(shí)驗(yàn)大鼠）相比，模型組的自變量是_________。與其它兩組比較，設(shè)置模型組的目的是___________。

（4）根據(jù)尿酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白檢測結(jié)果，推測F降低治療組大鼠血清尿酸鹽含量的原因可能是___________，減少尿酸鹽重吸收。為進(jìn)一步評價(jià)F的作用效果，本實(shí)驗(yàn)需要增設(shè)對照組，具體為___________。

參考答案：（1）核糖體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體???選擇透過性????協(xié)助擴(kuò)散、主動運(yùn)輸

（2）腎小管細(xì)胞刷狀緣可以增加膜面積，分布更多的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白URAT1，從而有利于重吸收更多的尿酸鹽

（3）尿酸氧化酶抑制劑 分析是否獲得了高尿酸血癥大鼠，確保血清尿酸鹽含量的變化是藥物F作用的結(jié)果

（4）F抑制轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白URAT1和GLUT9基因的表達(dá)，從而降低這些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的含量 給高尿酸血癥大鼠灌服E

一、科學(xué)探究素養(yǎng)的考查

科學(xué)探究的流程主要包括提出問題、作出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、實(shí)施實(shí)驗(yàn)、得出結(jié)論五個(gè)環(huán)節(jié)。以本題為例，提出的問題是：天然化合物F是否具有降尿酸作用。作出的假設(shè)是化合物F具有降尿酸作用（或化合物F不具有降尿酸作用）。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵，在于運(yùn)用對照原則、單一變量原則等實(shí)驗(yàn)原則進(jìn)行自變量的處理和因變量的檢測。本題的對照包括空白對照、陰性對照和陽性對照，其中模型組屬于陰性對照，灌服藥物E的組別屬于陽性對照。這里的模型指的是疾病模型，因此高尿酸血癥大鼠作為模型組，該組別的設(shè)置對治療組（實(shí)驗(yàn)組）有重要的參考意義。本實(shí)驗(yàn)的自變量為尿酸氧化酶抑制劑的有無以及藥物的種類，因變量是降尿酸的效果（或程度）。而該因變量比較抽象，需要具體的觀測指標(biāo)來反映，即血清尿酸鹽的含量、腎組織中尿酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白URAT1和GLUT9的含量。因此本題的實(shí)驗(yàn)思路是：給正常實(shí)驗(yàn)大鼠灌服生理鹽水，設(shè)置空白對照組;然后將高尿酸血癥大鼠分為三組，分別灌服生理鹽水（模型組/陰性對照組）、藥物E（陽性對照組）和化合物F（治療組/實(shí)驗(yàn)組），飼養(yǎng)一段時(shí)間后，檢測并比較各組小鼠的血清尿酸鹽含量、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白URAT1和GLUT9的含量。最后將實(shí)施實(shí)驗(yàn)過程中獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為直觀的統(tǒng)計(jì)圖，分析得出結(jié)論：天然化合物F具有降尿酸作用。

本題以真實(shí)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的科研成果為藍(lán)本，創(chuàng)設(shè)了探究治療高尿酸血癥或痛風(fēng)的藥物效果的真實(shí)實(shí)驗(yàn)情境，考查學(xué)生在陌生情境中分析與解決問題的能力。本題主要突出了科學(xué)探究素養(yǎng)的考查，第（3）、（4）問主要考查了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的能力，同時(shí)也可以激發(fā)學(xué)生科學(xué)探究的熱情，有助于培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和勇于探索的科學(xué)精神。本題主要體現(xiàn)了《中國高考評價(jià)體系》“四翼”中的應(yīng)用性和創(chuàng)新性。

第（3）問從設(shè)置陰性對照組的目的、自變量分析的角度進(jìn)行設(shè)問，學(xué)生首先需要提取題干的有效信息，即正常實(shí)驗(yàn)大鼠含有尿酸氧化酶，可以降低血清尿酸鹽的含量;而模型組小鼠中尿酸氧化酶的活性受到抑制，不能通過自身正常的代謝途徑來降低血清尿酸鹽的含量。比較模型組與空白對照組的差異以及與治療組的差異來分析模型組設(shè)置的意義。學(xué)生在平時(shí)的練習(xí)中，幾乎沒有見過類似模型組的這種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，因此對于模型組意義的準(zhǔn)確理解成為了本題的主要難點(diǎn)。

第（4）問從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析、對照組設(shè)計(jì)的角度進(jìn)行設(shè)問，第一空學(xué)生需要運(yùn)用尿酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的功能以及基因表達(dá)等必備知識，結(jié)合圖1左圖的血清尿酸鹽含量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，比較分析圖1右圖的尿酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白檢測的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，推理出化合物F降低血清尿酸鹽含量的分子機(jī)理。第二空學(xué)生需要提取并利用題干的有效信息“E是針對上述蛋白治療高尿酸血癥或痛風(fēng)的常用臨床藥物”，來分析陽性對照組自變量該如何設(shè)計(jì)。值得注意的是，第二空的呈現(xiàn)形式是實(shí)驗(yàn)思路的部分補(bǔ)充，而整道題并不需要學(xué)生寫出完整的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路或步驟。該做法可以適當(dāng)降低試題的綜合難度，同時(shí)也有利于降低評卷的難度。

二、其它核心素養(yǎng)的滲透

本題主要的考查目標(biāo)是科學(xué)探究素養(yǎng)，除此之外也滲透了社會責(zé)任的教育和生命觀念的簡單考查。

由于人們不良的飲食習(xí)慣等原因，當(dāng)今社會尿酸血癥或痛風(fēng)的發(fā)病率較高。本題聯(lián)系生活實(shí)際，以嘌呤代謝途徑作為知識背景，以治療高尿酸血癥或痛風(fēng)的藥物篩選的實(shí)驗(yàn)作為核心內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注自身的飲食習(xí)慣，即日常生活中不要過量攝入嘌呤含量豐富的食物。因此本題很好地滲透了健康生活、珍愛生命的社會責(zé)任，體現(xiàn)了生命至上的時(shí)代強(qiáng)音。

本題前兩問滲透了“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”的生命觀念，第（1）問以尿酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白作為切入點(diǎn)，考查細(xì)胞膜的功能特點(diǎn)和物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)纫话愀拍?，體現(xiàn)了細(xì)胞膜控制物質(zhì)運(yùn)輸?shù)墓δ苁且约?xì)胞膜上的載體蛋白作為物質(zhì)和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。第（2）問以形象的腎小管細(xì)胞刷狀緣圖片作為切入點(diǎn)，考查學(xué)生分析細(xì)胞膜的這種特殊結(jié)構(gòu)對于重吸收尿酸鹽的功能有何意義，學(xué)生可以聯(lián)系小腸絨毛上皮細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能等相關(guān)內(nèi)容，并運(yùn)用結(jié)構(gòu)與功能觀進(jìn)行分析和作答。

三、對高考復(fù)習(xí)備考的建議

學(xué)生在高考復(fù)習(xí)備考中應(yīng)加強(qiáng)自身關(guān)鍵能力的培養(yǎng)，主要建議包括以下兩個(gè)方面。

第一，重視信息的提取和分析。本題的題干信息形式多樣，內(nèi)容豐富。既有文字又有圖表;既有嘌呤代謝過程的簡單介紹，又有實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果的具體呈現(xiàn)。在文字閱讀量較大并且具有豐富的圖表信息的背景下，理解、提取和分析其有效信息的能力成為了正確答題的重要影響因素之一。在平時(shí)的練習(xí)和考試中遇到信息量較大的試題時(shí)，學(xué)生可以通過圈出題目中的關(guān)鍵詞來提取有效信息，然后根據(jù)這些關(guān)鍵詞將題目信息與已有知識進(jìn)行合理的聯(lián)系。若試題信息僅以大量文字形式呈現(xiàn)，學(xué)生有時(shí)還需要根據(jù)關(guān)鍵詞畫出簡單的流程圖或示意圖，來直觀地表示重要信息之間的關(guān)系。這樣便于后續(xù)的思考分析，從而提高作答的正確率。

第二，重視實(shí)驗(yàn)與探究。實(shí)驗(yàn)探究類試題往往源于教材又高于教材，學(xué)生只有具有扎實(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分析的知識技能，才能靈活地解決陌生實(shí)驗(yàn)情境中的實(shí)際問題。實(shí)驗(yàn)探究類試題可以承載科學(xué)探究與科學(xué)思維的考查，往往具有一定的難度和較高的區(qū)分度。因此許多學(xué)生對這類題目具有畏懼感，解決該困難的有效方法是學(xué)生要落實(shí)教材中的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，并且總結(jié)歸納實(shí)驗(yàn)探究類試題的做題方法。

對于教材中的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，可以從實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c原理、實(shí)驗(yàn)材料與試劑、實(shí)驗(yàn)思路與步驟、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論這四個(gè)部分進(jìn)行總結(jié)歸納。在這個(gè)過程中不僅可以落實(shí)教材實(shí)驗(yàn)中的基礎(chǔ)知識，還可以逐漸提高實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的能力。平時(shí)在做實(shí)驗(yàn)探究類試題時(shí)或做題后，也可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)探究的一般流程來深入地分析新實(shí)驗(yàn)情境中的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)假設(shè)、實(shí)驗(yàn)思路或步驟、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論等，這些深度思考的經(jīng)歷有助于提高在陌生實(shí)驗(yàn)情境中遷移與應(yīng)用的能力。通過以上兩方面的不斷訓(xùn)練，學(xué)生可以潛移默化地提高實(shí)驗(yàn)與探究能力，從而在考試中能更加從容地應(yīng)對實(shí)驗(yàn)探究類試題。

責(zé)任編輯 李平安