指向生物學(xué)科關(guān)鍵能力的“光合作用”原創(chuàng)試題命制

安徽 孫影芝 禹 萍

關(guān)鍵能力是指即將進(jìn)入高等學(xué)校的學(xué)習(xí)者在面對(duì)與學(xué)科相關(guān)的生活實(shí)踐情境或?qū)W習(xí)探索情境時(shí)，高質(zhì)量地認(rèn)識(shí)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題所必須具備的能力。它是生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的要求之一，又是《中國(guó)高考評(píng)價(jià)體系》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《評(píng)價(jià)體系》)“四層”的考查內(nèi)容之一。全國(guó)卷高考試題看似簡(jiǎn)單、平穩(wěn)、溫和，考查的內(nèi)容多源于教材，但考查方式卻高于教材，處處滲透著對(duì)關(guān)鍵能力的考查。光合作用是地球上最重要的生命活動(dòng)，是高中生物學(xué)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)，其內(nèi)容多而復(fù)雜，各地高考題中都能看到它的身影?；诖?，筆者在原創(chuàng)命題研究中，采用真實(shí)新穎的情境作為載體，以培養(yǎng)學(xué)生歸納與概括、分析與綜合、演繹與推理等綜合應(yīng)用能力，考查學(xué)生的知識(shí)獲取能力和思維認(rèn)知能力等關(guān)鍵能力為落腳點(diǎn)，編制了一道關(guān)于光合作用的高三模考試題。

1.原創(chuàng)試題展示

1.1 原創(chuàng)試題

光合作用受多種因素影響，為探究高濃度CO2下氮素供應(yīng)形式對(duì)植物光合作用的影響，研究人員以武運(yùn)粳稻為實(shí)驗(yàn)材料，在人工氣候室利用無(wú)土栽培技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，部分結(jié)果如表1所示。請(qǐng)回答有關(guān)問(wèn)題。

表1

(1)無(wú)土栽培在配制培養(yǎng)液時(shí)，除了考慮各種礦質(zhì)元素的種類(lèi)和比例外，為保證植物正常生長(zhǎng)，還需要考慮_______________等理化指標(biāo)。(答出兩點(diǎn)即可)

(2)表中X處理措施應(yīng)為_(kāi)__________。

據(jù)表分析，能夠顯著提高該水稻凈光合速率的氮素形態(tài)是________。據(jù)表中數(shù)據(jù)，從光合作用的角度分析，該種形式的氮素使凈光合速率提高的原因可能是____________。

(3)光合作用的產(chǎn)物有一部分可轉(zhuǎn)化成蔗糖，鉀離子能促進(jìn)蔗糖從葉片運(yùn)至果實(shí)。以灌漿期的水稻作為實(shí)驗(yàn)材料，用同位素標(biāo)記技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證鉀離子上述作用。

請(qǐng)完善以下實(shí)驗(yàn)思路并預(yù)期結(jié)果：

實(shí)驗(yàn)思路：

①將生長(zhǎng)狀況一致的水稻平均分成兩組，編號(hào)A、B；

②A組供應(yīng)較低濃度的鉀離子，B組提供適宜濃度的鉀離子；

③將A、B兩組水稻置于同一人工氣候室中培養(yǎng)，通入________，一段時(shí)間后檢測(cè)________________。

預(yù)期結(jié)果：___________________________。

1.2 參考答案與評(píng)分細(xì)則

(1)pH、滲透壓、溫度、溶氧量等(2分，任答出兩點(diǎn)即可)

(2)大氣CO2濃度+氨態(tài)氮(1分) 氨態(tài)氮(1分) 有利于光合作用有關(guān)酶的合成(或者提高光合作用有關(guān)酶的活性或有利于光合產(chǎn)物的運(yùn)輸)(2分)

(3)14CO2(1分) A、B兩組植株葉片和籽粒的放射性(2分)

若葉片放射性A大于B，籽粒放射性A小于B，則可驗(yàn)證這一觀點(diǎn)(2分)

2.試題命制背景和意圖

2.1 素材來(lái)源

真實(shí)的情境能調(diào)動(dòng)學(xué)生在解決問(wèn)題中運(yùn)用生物學(xué)必備知識(shí)和關(guān)鍵能力的能力。本題的素材主要來(lái)自學(xué)術(shù)期刊中的兩篇關(guān)于光合作用的科研論文。筆者在閱讀文獻(xiàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，這兩篇論文的內(nèi)容、方法與學(xué)生的認(rèn)知貼近，又高于學(xué)生的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，于是選取論文中學(xué)生可以理解的內(nèi)容、數(shù)據(jù)等，按照《評(píng)價(jià)體系》中“四翼”的考查要求，將論文的內(nèi)容進(jìn)行刪改、拆分和重組。試題情境具有適度的復(fù)雜性，信息充分又相對(duì)簡(jiǎn)明。在題目設(shè)問(wèn)上，力求做到新穎、科學(xué)、規(guī)范，指向關(guān)鍵能力的不同方向和水平。

2.2 素材分析

兩篇科研論文中涉及很多與光合作用有關(guān)的生物學(xué)概念以及研究方法，筆者從中找出蘊(yùn)含的科學(xué)知識(shí)和概念，進(jìn)行分析和研究后繪制出如圖1所示的概念圖。

圖1

學(xué)生對(duì)植物生命的認(rèn)識(shí)往往是碎片化的，在他們的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中，光合作用、滲透作用、主動(dòng)運(yùn)輸往往是一個(gè)個(gè)孤立的生理過(guò)程，通過(guò)圖1，學(xué)生能清楚地了解綠色植物各器官之間的分工與聯(lián)系，直觀地了解綠色植物與外界環(huán)境之間的關(guān)系，深入理解生命系統(tǒng)是一個(gè)統(tǒng)一的整體，有利于建立生命的系統(tǒng)觀。

3.指向關(guān)鍵能力的命題目標(biāo)分析

3.1 考查知識(shí)獲取能力的問(wèn)題設(shè)置

經(jīng)過(guò)素質(zhì)教育的培養(yǎng)，知識(shí)獲取能力強(qiáng)的學(xué)習(xí)者應(yīng)當(dāng)能夠閱讀和理解學(xué)科的各種主要文本、基本符號(hào)，能夠客觀、全面地獲取相關(guān)信息，能夠從情境中提取有效信息；能夠準(zhǔn)確概括和描述學(xué)科所涉及的基本現(xiàn)象特征及其相互關(guān)系，并從中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題；能夠透過(guò)現(xiàn)象看到本質(zhì)，發(fā)現(xiàn)隱含的規(guī)律或原理；能夠?qū)W(xué)科基本知識(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化理解，形成學(xué)科知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。本題通過(guò)設(shè)置第(1)小題、第(2)小題①②問(wèn)，考查學(xué)生知識(shí)獲取能力。

第(1)小題，考查學(xué)生對(duì)植物生存所需環(huán)境條件的認(rèn)知。無(wú)土栽培過(guò)程中，水稻通過(guò)根系從培養(yǎng)液中吸收水分和無(wú)機(jī)鹽，細(xì)胞滲透吸水，那么培養(yǎng)液的滲透壓要小于細(xì)胞液；植物吸收無(wú)機(jī)鹽的方式主要是主動(dòng)運(yùn)輸，充足的O2供應(yīng)有利于能量的供應(yīng)。由此學(xué)生就能夠根據(jù)題目中的有效信息，提煉出隱含的概念和原理，歸納得出正確結(jié)論。

第(2)小題，設(shè)問(wèn)①要求學(xué)生能夠根據(jù)表格中的信息對(duì)實(shí)驗(yàn)自變量做出判斷，根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的單一變量原則，得出X條件應(yīng)為大氣CO2濃度和氨態(tài)氮。設(shè)問(wèn)②要求學(xué)生能夠從復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中找到關(guān)鍵因素，相同大氣CO2濃度下，氨態(tài)氮組比硝態(tài)氮組凈光合速率更高，從而做出正確判斷。

3.2 考查思維認(rèn)知能力的問(wèn)題設(shè)置

“思維認(rèn)知能力”是指學(xué)習(xí)者在面對(duì)生活實(shí)踐或問(wèn)題情境時(shí)，發(fā)現(xiàn)新問(wèn)題、運(yùn)用新方法、解決新問(wèn)題、獲得新結(jié)論的過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的思維能力，是激發(fā)個(gè)體好奇心、想象力、塑造創(chuàng)新人格所必須具備的能力基礎(chǔ)。

發(fā)散思維、逆向思維、批判思維是創(chuàng)新思維的重要特征。第(2)小題的第③問(wèn)，把光合作用的重要概念融入到問(wèn)題情境中，要求學(xué)生通過(guò)敏銳的洞察力，從圖表中獲取硝態(tài)氮條件下葉綠素含量高于氨態(tài)氮組，但凈光合速率卻低于氨態(tài)氮組這一關(guān)鍵信息，從而發(fā)現(xiàn)新問(wèn)題，激發(fā)新的思考，擺脫葉綠素含量高，光合速率就高的思維定式的束縛，得出新結(jié)論。解題思路如圖2所示。

圖2

本題需要學(xué)生有較強(qiáng)的歸納概括能力、演繹推理能力、批判性思維能力、辯證思維能力，才能夠獨(dú)立思考，邏輯思辨，大膽地提出有創(chuàng)造性的看法，得出正確結(jié)論。

3.3 考查學(xué)生實(shí)踐操作能力的問(wèn)題設(shè)置

“實(shí)踐操作能力”是指學(xué)習(xí)者在面對(duì)生活實(shí)踐情境或?qū)W習(xí)探索情境時(shí)，進(jìn)行學(xué)以致用的學(xué)科認(rèn)知操作和行動(dòng)操作的過(guò)程中表現(xiàn)出的穩(wěn)定的個(gè)性心理特征，是理論聯(lián)系實(shí)際所必須具備的能力基礎(chǔ)。主要包括：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、數(shù)據(jù)處理能力、信息轉(zhuǎn)化能力、動(dòng)手操作能力、應(yīng)用寫(xiě)作能力、語(yǔ)言表達(dá)能力，合作創(chuàng)新能力等。

實(shí)驗(yàn)探究能力是生物學(xué)自然科學(xué)屬性的鮮明體現(xiàn)，近些年全國(guó)卷高考每年都有凸顯生物學(xué)的科學(xué)課程屬性的試題出現(xiàn)。第(3)小題的問(wèn)題設(shè)置，正是基于此目的，讓學(xué)生在新情境中選擇實(shí)驗(yàn)材料，設(shè)計(jì)并完善相關(guān)方案，考查學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力和語(yǔ)言表達(dá)能力。為降低難度，本題以填空題的形式呈現(xiàn)。

同位素標(biāo)記法是生物科學(xué)研究中的重要方法，必修 1教材中有三個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)知道這種方法可以追蹤物質(zhì)的運(yùn)行軌跡。

基本步驟及解題思路：

①選擇標(biāo)記元素

追蹤光合產(chǎn)物糖類(lèi)的運(yùn)行軌跡，可選擇14C標(biāo)記糖類(lèi)，因此為水稻提供14CO2。

②檢測(cè)放射性物質(zhì)出現(xiàn)的位置及放射性強(qiáng)度

若K+有利于光合作用產(chǎn)物從源器官運(yùn)往庫(kù)器官，則與對(duì)照組相比，K+濃度增加組，庫(kù)器官的放射性應(yīng)更強(qiáng)。

4.答題情況分析

4.1 試題得分情況

本題作為安徽省馬鞍山市理科綜合模擬考試第29題，10 378名學(xué)生參與測(cè)試，獲得數(shù)據(jù)如表2所示。

表2

4.2 答題情況分析及教學(xué)建議

從考試結(jié)果看，整題區(qū)分度為0.27，區(qū)分效果一般。第(3)小題均分較低，但區(qū)分效果較好，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)確實(shí)能檢測(cè)學(xué)生的科學(xué)思維及實(shí)驗(yàn)探究能力。第(2)小題難度系數(shù)在正常范圍內(nèi)。本題問(wèn)題指向明確，但是區(qū)分度不能達(dá)到要求，推測(cè)可能原因有兩個(gè)：一是理科綜合答題時(shí)間緊，學(xué)生未能細(xì)致準(zhǔn)確地審題；二是為追求題目簡(jiǎn)潔，試題中引導(dǎo)性的關(guān)鍵語(yǔ)句不夠。如果修改為“氮素可用于合成與光合作用有關(guān)的多種物質(zhì)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，高濃度CO2下氨態(tài)氮組比硝態(tài)氮組葉綠素含量低，但是凈光合速率卻比較高，從光合作用的角度分析，原因可能是____________。”

通過(guò)有效引導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生思維，本題的難度系數(shù)會(huì)降低，區(qū)分度會(huì)更好。

高考需為高校選拔人才服務(wù)，因此高考試題必須保證具有一定的難度及區(qū)分度，強(qiáng)化能力立意。社會(huì)發(fā)展變化對(duì)人才提出了新要求，高考加大了對(duì)學(xué)生在信息時(shí)代應(yīng)具有的閱讀能力、獲取信息的能力和思辨能力的考查。“價(jià)值引領(lǐng)，素養(yǎng)導(dǎo)向，能力為重，知識(shí)為基”，這是新時(shí)代高考命題的新理念?；诖耍窈笤谌粘＝虒W(xué)和復(fù)習(xí)備考時(shí)，筆者認(rèn)為應(yīng)做好以下幾點(diǎn)：第一，要以知識(shí)為基，重視生物學(xué)基本概念的學(xué)習(xí)，必備知識(shí)是提升關(guān)鍵能力的基礎(chǔ)。在基本概念、原理與方法的基礎(chǔ)上構(gòu)建整體知識(shí)框架，從而深入理解知識(shí)之間的內(nèi)在聯(lián)系，形成完整的知識(shí)結(jié)構(gòu)。第二，要充分利用教材，適當(dāng)拓展教材，特別是要用好教材中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。例如分泌蛋白的合成和運(yùn)輸實(shí)驗(yàn)、光合作用發(fā)現(xiàn)歷程中的卡爾文實(shí)驗(yàn)等，這些都是科學(xué)事實(shí)的最好材料，教學(xué)時(shí)應(yīng)在對(duì)這些實(shí)驗(yàn)再認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化科學(xué)思維與方法的訓(xùn)練。第三，要重視科學(xué)思維的培養(yǎng)，注意思維嚴(yán)謹(jǐn)性和表達(dá)準(zhǔn)確性的訓(xùn)練。例如原因闡釋類(lèi)問(wèn)題，一般是在題目中找到與問(wèn)題有關(guān)的條件信息，然后建立問(wèn)題與條件之間的聯(lián)系，一般要經(jīng)歷具體(題目信息)—抽象(概念原理)—具體(問(wèn)題結(jié)論)的過(guò)程，再用簡(jiǎn)潔而準(zhǔn)確的語(yǔ)言表達(dá)，這樣回答問(wèn)題就不會(huì)犯下空說(shuō)理論的錯(cuò)誤。第四，要聚焦問(wèn)題情境。教師要引領(lǐng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)在情境中解決問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的遷移應(yīng)用。用聚焦社會(huì)問(wèn)題的情境培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和社會(huì)責(zé)任意識(shí)，用聚焦科技問(wèn)題的情境提升學(xué)生的創(chuàng)新能力，用聚焦生活問(wèn)題的情境培養(yǎng)學(xué)生將對(duì)生活世界的感知轉(zhuǎn)化為生物概念。

生物學(xué)課程，既以提高學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為宗旨，也是樹(shù)立社會(huì)主義核心價(jià)值觀、落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)的重要載體。沒(méi)有知識(shí)和能力，就沒(méi)有學(xué)科核心素養(yǎng)的形成。評(píng)價(jià)作為教育的一個(gè)基本環(huán)節(jié)，具有重要的導(dǎo)向作用。在試題命制時(shí)，也應(yīng)堅(jiān)持以學(xué)生的發(fā)展為本，以學(xué)科課程內(nèi)容為依據(jù)，聚焦學(xué)科核心素養(yǎng)，以提升學(xué)生關(guān)鍵能力，尤其應(yīng)以培養(yǎng)學(xué)生的思辨、創(chuàng)新等高階思維能力為目標(biāo)。