例談基于生物科學史素材的高三探究試題命制

劉 欣

(北京師范大學附屬中學 100052)

趙京秋

(北京市西城區教育研修學院 100035)

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

高三教師在指導學生復習備考過程中，需要命制高質量的試題以評價學生的實驗探究能力，引導學生注重探究性學習，促進學生相關能力的提升。在生命科學的發展過程中，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，力求在準確評價學生的生物科學素養同時，引導學生“像科學家一樣思考”，構建科學概念，感悟科學精神，理解科學的本質，現試舉幾例如下。

1 基于Ames試驗命制的試題

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

下列相關敘述錯誤的是(D)

A.缺陷型細菌中負責合成組氨酸的酶因基因突變而喪失功能

B.該實驗依據的原理之一是化學致癌物能提高基因突變頻率

C.乙組培養基不加入待測化學物質，其他條件應與甲組相同

D.甲組培養基上的菌落數越少，待測化學物質的致癌性越強

試題評析：本題以Bruce Ames于1975年發明的Ames試驗為背景命制[1]，既考查了學生對基因突變和微生物培養等相關概念的理解和運用，又考查了學生確認變量、設計實驗方案、作出假設和預期的能力。化學致變劑能夠增加細菌的基因突變率，使培養基上更多的細菌由缺陷型回復為全養型，形成可見菌落。致變劑也是致癌物，待測化學物質的致癌性越強，作為實驗組的甲組與作為對照組的乙組之間的菌落數差值越大，因此D選項敘述錯誤。本題要求學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，意在引導學生運用所學知識解決現實生活中的問題，理論聯系實際，關注生命科學技術在人類社會中的應用。

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合后，再檢測抗原抗體復合物的放射性強度。下列相關敘述正確的是(C)

A.本實驗中可以用放射性同位素32P來標記胰島素

B.放射性同位素標記會降低胰島素與相應抗體的結合能力

C.測得的抗原抗體復合物放射性越強，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發明的放射免疫法為背景[2]，考查學生對蛋白質結構、放射性同位素標記追蹤技術和特異性免疫相關概念的理解和應用，還考查了學生獲取信息、直觀想象以及對實驗做出假設和預期的能力。放射性標記胰島素和普通胰島素與抗胰島素抗體結合的能力相同，它們針對一定量的抗體展開競爭，血液中胰島素含量越低，放射性標記胰島素競爭得到的抗體量越多，抗原抗體復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的含量，如各種肽類激素、酶、抗體等，因此是生命科學研究和臨床醫學診斷中的重要技術，Yalow本人也因為發明該技術和應用該技術對糖尿病進行深入研究而獲得1977年諾貝爾生理學或醫學獎。本題在考查學生綜合運用已有知識解決實際問題的同時，還可以引導學生關注科學、技術與社會的關系，理解生命科學研究的社會價值。

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的人體細胞對膽固醇合成速度的調節機制進行了研究，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細胞培養條件低高去除培養液中血清成分高高無血清培養液中加入LDL低高

根據上述實驗結果可知，正常情況下，細胞合成膽固醇的速度受到血液中________含量的調控，這是一種________調節機制，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節能力。

(3) 研究人員檢測體外培養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，得到圖示結果。①由圖可知，當胞外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合后被胞吞，之后受體重新回到膜上；方式二：LDL被隨機內吞入細胞(不需要與受體結合)。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的假設成立，請將預期實驗結果填入表格。

(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液中，發現正常細胞攝取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) 根據上述研究，解釋家族性高膽固醇血癥患者血液內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液加入20μg/mL放射性標記LDL加入20μg/mL放射性標記LDL+高濃度無標記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年諾爾生理學或醫學獎的Michael Stuart Brown和Joseph Leonard Goldstein關于膽固醇代謝的研究為素材命制[3]，既考查了學生對細胞的結構、物質進出細胞的方式、基因控制性狀的方式等重要概念的理解，又考查了學生“從文字和圖表中獲取信息”“解讀實驗數據”“合理預期實驗結果”“分析結果得出結論”和“綜合運用已有知識和新信息來解釋生命現象”等各個方面的能力。

本題中各小題對學生的能力要求逐級提高。第(2)小題要求學生分辨出血清和血清中的LDL是該實驗的自變量，比較各組實驗結果的差異，獲知正常細胞中膽固醇的合成調節屬于負反饋調節。第(3)小題①對學生的數據分析能力有一定要求，學生要運用物質進出細胞的相關知識解讀數據，理解“隨機內吞”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“特異性受體介導的胞吞”與協助擴散相似，因為受到細胞膜上受體數量的限制而具有飽和性，據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“隨機內吞”一種方式。第(3)小題②給出了科學家檢驗假說的實驗過程，要求學生預期實驗結果。學生首先需要從第(2)小題的曲線圖上讀出當胞外放射性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“+”；在此基礎上，學生需要繼續進行數學推理，因為隨機內吞的速率與胞外LDL濃度呈正比，所以溶液中摻入無標記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“+”；學生還需要發揮想象力，想象出對于正常細胞而言，膜上受體數量有限，因此當胞外溶液中摻入高濃度無標記LDL時，細胞膜上的LDL受體幾乎均被無標記LDL占據，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，為學生提供了一個展示思維能力的良好平臺，在清晰區分不同學生能力水平的同時，又激勵學生在日常學習中多進行創新性思考和科學表達。

本題展示了科學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，其中所蘊含的系統論和信息論的思想有助于學生“穩態與平衡”觀念的形成，材料還充分體現了“生物學研究服務于人類健康生活”的理念，對學生增強社會責任感具有積極的教育意義。

新課程改革以來的生物學高考中，以真實的科研情境為背景，考查學生理性思維的試題形式日趨占據主導地位。教師在指導學生復習備考的過程中，應順應這一變化，在教學中積極探索，嘗試命制類似試題。科學史素材作為科學發展歷程中的關鍵性成果，既能呈現核心概念，又能體現高水平的科學思維過程，還蘊含著豐富的情感態度價值觀教育意義，是非常好的命題素材。基于“故事線索”的命題策略是將科學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家研究高膽固醇血癥病因的完整過程，并逐步引導學生代入科學家的角色，以實證為根據，以邏輯為武器，進行連續的因果推理，逐層深入地探索生命現象背后的生理機制，在此過程中體會運用已有知識解決科學問題的樂趣。命題的目的不僅僅是對學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，促進學生建構科學概念、進行科學探究和發展理性思維。