促進(jìn)認(rèn)知發(fā)展的生物學(xué)試題設(shè)計(jì)與分析
——以“ATP”為例

張登華 李 美

(山東省東營市墾利第一中學(xué))

本文以“ATP”為例,在生物學(xué)復(fù)習(xí)過程深入挖掘知識的認(rèn)知價(jià)值,嘗試編制兩道與學(xué)生認(rèn)知發(fā)展功能相匹配的試題,以期讓試題成為學(xué)生運(yùn)用學(xué)科知識分析和解決實(shí)際問題的載體,與課堂教學(xué)相結(jié)合,幫助學(xué)生遷移運(yùn)用所學(xué)知識,促進(jìn)認(rèn)知發(fā)展,提升生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

1.基于認(rèn)知發(fā)展的生物學(xué)習(xí)題設(shè)計(jì)

ATP被稱為細(xì)胞的能量“貨幣”,除了承擔(dān)著細(xì)胞內(nèi)眾多耗能反應(yīng)的能量供應(yīng)外,還承擔(dān)著諸如作為嘌呤能信號分子、神經(jīng)遞質(zhì)、RNA合成的原料等其他重要功能。借助對ATP功能的認(rèn)知發(fā)展進(jìn)程分析來命題,突破必修和選擇性必修模塊之間的界限,創(chuàng)新試題的情境和設(shè)問角度,讓學(xué)生在分析和解決生物學(xué)問題中提升綜合運(yùn)用知識的能力水平,突破認(rèn)知局限。

試題1.細(xì)胞內(nèi)耗能反應(yīng)多數(shù)來源于ATP水解釋放的能量。例如,保衛(wèi)細(xì)胞膜上的質(zhì)子泵通常為ATP酶,利用催化ATP水解釋放的能量,將H+分泌到細(xì)胞外,使保衛(wèi)細(xì)胞內(nèi)pH增大,驅(qū)動細(xì)胞膜上鉀離子通道將K+運(yùn)入保衛(wèi)細(xì)胞,導(dǎo)致滲透壓升高,吸收水分,氣孔張開?；卮鹨韵聠栴}:

(1)細(xì)胞中的ATP在酶的作用下,被脫去兩個(gè)磷酸基團(tuán)后的化合物名稱是________,據(jù)此推測細(xì)胞中ATP在RNA等物質(zhì)的合成過程中的作用有________(答出兩點(diǎn)即可)。

(2)研究發(fā)現(xiàn),利用低濃度藥物將保衛(wèi)細(xì)胞的光反應(yīng)阻斷后,其細(xì)胞膜上的質(zhì)子泵轉(zhuǎn)運(yùn)質(zhì)子的能力大大降低,而對其他離子和分子的運(yùn)輸能力影響不大。據(jù)此推測可能的原因是________。

(3)保衛(wèi)細(xì)胞膜上質(zhì)子泵的作用是________,ATP水解釋放的磷酸基團(tuán)能夠使這些蛋白質(zhì)發(fā)生磷酸化,引起其________的變化,活性也被改變,因而參與各種化學(xué)反應(yīng)。

(4)(根據(jù)2018年江蘇卷改編)圖1為某植物葉肉細(xì)胞中甲、乙兩種細(xì)胞器的部分物質(zhì)及能量代謝途徑示意圖。

圖1

①據(jù)圖推測NADPH中的能量最終可在乙的________(填場所)轉(zhuǎn)移到ATP中。

②乙產(chǎn)生大量ATP的場所是________,分析這些ATP在被甲利用時(shí),可參與的代謝過程可能有________(答出三點(diǎn)即可)。

參考答案(1)腺嘌呤核糖核苷酸 作為RNA合成的原料、作為RNA合成過程中的能源物質(zhì) (2)光反應(yīng)產(chǎn)生的ATP為保衛(wèi)細(xì)胞膜上的質(zhì)子泵分泌H+提供能量 (3)催化和運(yùn)輸作用 空間結(jié)構(gòu) (4)①內(nèi)膜上 ②(乙的)內(nèi)膜上 C3還原、酶的合成、物質(zhì)運(yùn)輸

試題2.研究表明,ATP可作為神經(jīng)細(xì)胞間傳遞信息的信號分子。ATP在不同組織上所產(chǎn)生的生理效應(yīng)主要與受體類型有關(guān)。圖2為嘌呤能神經(jīng)—肌肉接點(diǎn)ATP的合成、儲存、釋放、失活以及發(fā)揮作用的過程示意圖?；卮鹣铝袉栴}:

圖2

(1)研究發(fā)現(xiàn),與P2Y、P1受體不同,P2X受體屬于離子通道型受體。胞外ATP與靶細(xì)胞膜上P2X受體結(jié)合引發(fā)后者膜電位發(fā)生的主要變化是________,這種變化主要與________等離子的跨膜運(yùn)輸有關(guān)。

(2)神經(jīng)細(xì)胞釋放ATP的方式為________,胞外ATP在系列酶的作用下可以被分解為腺苷,據(jù)圖2分析腺苷的去向是________。

(3)一些神經(jīng)細(xì)胞不僅能釋放典型神經(jīng)遞質(zhì),還能釋放ATP,兩者均能引起受體細(xì)胞的膜電位變化。結(jié)合圖2分析,科學(xué)家當(dāng)初推測ATP可作為細(xì)胞間傳遞信息的信號分子的實(shí)驗(yàn)思路是________。

(4)研究發(fā)現(xiàn),胞外ATP作為一種嘌呤能信號物質(zhì)卻能夠產(chǎn)生不同的生物學(xué)效應(yīng),原因是________。

(5)ATP在人體生命活動中的作用有________(答出3種作用即可)。

參考答案(1)由外正內(nèi)負(fù)變?yōu)橥庳?fù)內(nèi)正 Na+(2)胞吐 被神經(jīng)細(xì)胞吸收重新合成ATP;作用于突觸前膜上的P1受體,調(diào)節(jié)遞質(zhì)的釋放;被腺苷脫氨酶進(jìn)一步分解為肌苷,進(jìn)入血液循環(huán)加以清除;與突觸后膜上P1受體結(jié)合,發(fā)揮生理效應(yīng) (3)利用化學(xué)物質(zhì)阻斷突觸內(nèi)其他典型神經(jīng)遞質(zhì)與相應(yīng)受體的結(jié)合后,發(fā)現(xiàn)靶細(xì)胞仍能接受到部分神經(jīng)信號,隨后在靶細(xì)胞膜上尋找到與ATP結(jié)合的受體 (4)ATP與靶細(xì)胞膜上不同類型的受體結(jié)合,進(jìn)而產(chǎn)生了不同的生物學(xué)效應(yīng) (5)作為細(xì)胞生命活動的直接能源物質(zhì)、作為神經(jīng)遞質(zhì)傳遞信息、作為RNA合成的原料和能源物質(zhì)

2.基于認(rèn)知發(fā)展的試題設(shè)計(jì)分析

2.1 問題情境應(yīng)植入新知識,促進(jìn)突破學(xué)習(xí)局限

“圖文信息的有效獲取和分析處理能力”是近年來高考的首要考查目標(biāo),而問題情境是實(shí)現(xiàn)考查目標(biāo)的有效載體,也是體現(xiàn)試題素養(yǎng)導(dǎo)向的重要途徑。它要求學(xué)生具備能夠從多種情境中捕獲關(guān)鍵信息,并與已有知識整合、重組新知識的能力。在情境中植入新知識已成為近年來試題命制的新常態(tài),一方面可以考查學(xué)生的信息素養(yǎng),另一方面又可以測試學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。

對學(xué)生來說,ATP的功能是細(xì)胞的能量“貨幣”,驅(qū)動細(xì)胞生命活動的直接能源物質(zhì)。除此之外,ATP具有嘌呤能神經(jīng)遞質(zhì)、作為RNA合成的原料、細(xì)胞內(nèi)信號調(diào)節(jié)分子等功能屬于全新的知識。試題1和試題2圍繞ATP作為RNA合成的原料、作為嘌呤能信號分子創(chuàng)設(shè)情境,要求學(xué)生分析ATP作為細(xì)胞間的一種信號物質(zhì)產(chǎn)生不同生理效應(yīng)的原因。從學(xué)習(xí)的角度看,此類試題不但可以幫助學(xué)生突破學(xué)習(xí)局限,還能通過解答問題開拓新視野。從這個(gè)意義上講,問題的解決過程不再是溫故,而是新的學(xué)習(xí)的延續(xù),對促進(jìn)學(xué)生突破單一知識的學(xué)習(xí)局限、激發(fā)科學(xué)探究的創(chuàng)新意識具有重要意義。

2.2 設(shè)問角度應(yīng)創(chuàng)新知識考查視角,促進(jìn)突破認(rèn)知局限

“穩(wěn)定、變化、創(chuàng)新”是高考試題的永恒主題。其中的變化主要包括考點(diǎn)的變化和知識考查視角的變化。后者不但能夠?qū)崿F(xiàn)命題思想的創(chuàng)新,還能夠?qū)W(xué)生的思維深度通過應(yīng)答活動加以展現(xiàn)。因此,在平常試題練習(xí)中應(yīng)該注重相同考點(diǎn)不同視角的問題設(shè)計(jì),從而引導(dǎo)學(xué)生從新的角度審視和思考問題,提升思維深度。

同樣是考查ATP的利用,試題1第(2)小題給出用藥物阻斷保衛(wèi)細(xì)胞的光反應(yīng),細(xì)胞膜上質(zhì)子泵轉(zhuǎn)運(yùn)質(zhì)子的能力降低的信息,據(jù)此推測可能的原因;第(4)小題給出某植物葉肉細(xì)胞中葉綠體和線粒體兩種細(xì)胞器的部分物質(zhì)及能量代謝途徑示意圖的信息,要求學(xué)生分析細(xì)胞呼吸產(chǎn)生的ATP可參與光合作用的哪些代謝過程。這種創(chuàng)新問題視角的設(shè)計(jì)完全突破了教材束縛,要求學(xué)生突破對ATP利用等知識的認(rèn)知局限,準(zhǔn)確把握試題信息的含義,在新情境中解決問題?？梢哉f,這樣設(shè)計(jì)問題的角度是對教材知識的另一種深度挖掘。這啟示我們在平時(shí)的教學(xué)中,圍繞一個(gè)知識主題須從不同的視角進(jìn)行研判,通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)同一知識不同視角的問題,引導(dǎo)學(xué)生注重生物學(xué)概念研習(xí)和深度理解,引導(dǎo)教學(xué)回歸學(xué)科基礎(chǔ),避免盲目刷題,促進(jìn)學(xué)生突破認(rèn)知局限。

2.3 促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的試題應(yīng)具有一定的開放度

具有一定開放度的試題能夠開拓學(xué)生思維,促進(jìn)認(rèn)知發(fā)展。試題1的第(1)小題第2空、第(4)小題第3空,這些問題都具有較高的開放度,可以更好地檢驗(yàn)學(xué)生運(yùn)用概念體系和發(fā)散性思維進(jìn)行知識的遷移應(yīng)用能力。又如,試題2的第(2)小題第2空、第(3)小題,這些問題能夠引導(dǎo)學(xué)生從不同角度尋找解決問題的方法,同時(shí)也能夠培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維和創(chuàng)新性思維。缺乏說明論證、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、推斷預(yù)測等開放度較大的能力訓(xùn)練,對促進(jìn)學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展不無弊端。

此外,通過具有一定開放度的試題訓(xùn)練可以暴露學(xué)生學(xué)習(xí)過程中存在的問題,有利于教師作出診斷,制訂或調(diào)整后續(xù)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo),還能夠?yàn)閷W(xué)生提供更為廣闊的學(xué)習(xí)空間,促進(jìn)其認(rèn)知發(fā)展。

綜上所述,促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的生物學(xué)試題設(shè)計(jì)應(yīng)深入挖掘知識的認(rèn)知價(jià)值。試題情境、設(shè)問角度、能力水平等應(yīng)基于課堂知識的同時(shí)又高于課堂;情境設(shè)置與設(shè)問角度應(yīng)盡量突破傳統(tǒng)模式,拓展學(xué)生知識認(rèn)知層面,引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會從“解題”到“解決問題”的方向發(fā)展,提高其發(fā)散思維和知識遷移能力。