組織專題復(fù)習 提升學科能力

閆新霞 管 旭

（中國人民大學附屬中學 北京 100080）

學科能力是學科核心素養(yǎng)的重要組成部分，是大規(guī)模教育考試重要的評價目標之一［1］。為積極發(fā)揮教學導向功能，從有利于促進學生健康成長、成才和服務(wù)科學選才考慮［2］，2018 版高考北京卷《考試說明》生物學科部分（以下簡稱《考試說明》）對能力要求進行了修訂，構(gòu)建了生物學科能力要求框架，對考生應(yīng)具備的能力給出了更清晰的界定。在高三生物學教學中，可以此為依據(jù)組織專題復(fù)習，有效提升學生的學科能力。

1 高考北京卷生物學科能力要求與備考

1.1 《考試說明》中的能力要求解讀 2018年版高考北京卷《考試說明》中，對生物學科能力要求包括“理解能力、應(yīng)用能力、思辨能力、創(chuàng)新能力”4 個層級，每層能力包含2～3 項具體要求［2］，《考試說明》對每項能力要求的內(nèi)涵進行了準確描述（表1）。

表1 高考北京卷生物學科能力要求及內(nèi)涵描述［3］

此能力框架中4 項學科能力的思維要求是逐級提高的，高層級能力以低層級能力為基礎(chǔ)［1］。“理解能力”中的“辨認”和“比較”是針對生物學知識本身的，要求學生領(lǐng)會知識要點并比較知識間的異同，在此基礎(chǔ)上，學生才能對題目給定的各種形式的信息進行正確“解讀”。“應(yīng)用能力”要求學生能對給定情境中的信息進行分析和解釋，包括由因到果的“推理”和由果到因的“歸因”，思維鏈條一般只包括一個環(huán)節(jié)。“思辨能力”要求學生在面對復(fù)雜情境時，能綜合應(yīng)用所學知識對獲取的信息進行加工和整合，對思維深度和廣度的要求高于“推理”“歸因”。其中，“論證”要求學生能綜合不同知識內(nèi)容分析問題并完整闡述思維過程，“評價”要求學生能從課題完成者的角度對研究方案的合理性、結(jié)果與結(jié)論的一致性進行論述。“創(chuàng)新能力” 要求學生能在解決新情境下的復(fù)雜問題之后，再提出新的問題、作出合理“假設(shè)”并“設(shè)計”實驗進行檢驗。此要求直指創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，用意深遠。

1.2 高考北京卷生物學試題命題導向 高考北京卷生物學試題堅持素養(yǎng)導向，試題情境新，非選擇題的命題素材多來自生物學最新研究成果。命題者對素材進行合理組織，結(jié)合研究過程精心設(shè)問，實現(xiàn)對學生各層級思維能力逐級考查的目的。試題通過簡單的設(shè)問，考查對生物學基本概念的“辨認”；通過圖表等各種信息呈現(xiàn)方式，考查“解讀”和“比較”能力；通過分析數(shù)據(jù)得出結(jié)果或結(jié)論，考查“推理”或“歸因”“論證”與“評價”；根據(jù)已有信息考查提出問題和作出假設(shè)的能力；在“評價”設(shè)計方案的基礎(chǔ)上考查“設(shè)計”研究方案的能力。多層級的能力考查在近年來的北京卷生物學試題中不斷展現(xiàn)，其中第29 題和第31 題體現(xiàn)得非常突出，已成為北京生物學高考試題的特色。

1.3 復(fù)習備考 高三第1 學期進行單元復(fù)習，主要進行知識梳理和基本能力訓練。第2 學期進行專題復(fù)習，重在知識的綜合應(yīng)用和能力提升，可結(jié)合學情從多角度設(shè)計。科學研究中的思維能力是提升學生科學素養(yǎng)的關(guān)鍵能力，在第2 學期組織“能力提升”專題復(fù)習非常必要。

2 能力提升專題復(fù)習的目標和任務(wù)

2.1 學情分析和專題復(fù)習目標 經(jīng)過單元復(fù)習，學生的學科知識水平有了明顯提高，也具備了分析解決生物學問題的基本能力，但面對思維過程復(fù)雜的思辨能力和創(chuàng)新能力類試題時，許多學生無法理清解決問題的思路，高階能力水平偏低。能力提升專題復(fù)習的教學目標，就是使學生明確生物科學研究一般過程中的思維路徑及各思維環(huán)節(jié)的要點，提高解決問題的學科能力（圖1）。

圖1 高考能力要求在研究過程中的體現(xiàn)及思維要點

2.2 專題復(fù)習的任務(wù) 本專題以課內(nèi)、外生物學研究實例為素材，將科學研究的一般過程與考試說明能力要求相結(jié)合，對研究素材進行精細化分析，明確如何通過實驗設(shè)計及分析得出科學結(jié)論。

3 能力提升專題復(fù)習的策略與案例

3.1 課內(nèi)素材的使用 高中生物學教材中有科學史經(jīng)典實驗，也有學生實驗，這些都是培養(yǎng)學生科學思維的好素材。在本專題的復(fù)習中，要重溫這些實驗的研究過程，從問題提出到實驗設(shè)計，再到實驗操作細節(jié)和結(jié)果檢測，最后分析結(jié)果得出結(jié)論。通過理清研究的邏輯，讓能力培養(yǎng)落到實處。

案例1：噬菌體侵染細菌實驗。

本實驗在科學史上具有重要地位，確立了“DNA 是遺傳物質(zhì)”這一重要結(jié)論。在對研究過程做精細化分析時，需要回答以下問題：

1）實驗前已知什么？ 實驗需要解決的問題是什么？ 本實驗的研究價值是什么？

已知：噬菌體能侵染細菌并引起細菌裂解，從噬菌體與細菌混合到細菌裂解釋放子代噬菌體的時間。

待解決問題：噬菌體侵染細菌進行增殖的過程中，哪部分（或哪種物質(zhì)）進入細菌并保留在子代噬菌體中。

研究價值：認清噬菌體增殖過程中哪種物質(zhì)發(fā)揮了重要作用，即可知道什么物質(zhì)是噬菌體的遺傳物質(zhì)。

2）實驗前的假設(shè)是什么？

假設(shè)有3 個：噬菌體的遺傳物質(zhì)是：①DNA；②蛋白質(zhì)；③DNA 和蛋白質(zhì)。

3）如何設(shè)計實驗分別研究DNA 和蛋白質(zhì)的作用？

經(jīng)檢測，噬菌體的P 元素僅存在于DNA，S 元素僅存在于蛋白質(zhì)，可用32P 和35S 分別標記噬菌體的DNA 和蛋白質(zhì)，將標記后的噬菌體與細菌混合適當時間，在細菌未裂解時檢測其放射性，確定哪種物質(zhì)在噬菌體侵染時進入細菌。在細菌裂解后檢測子代噬菌體的放射性，確定哪種物質(zhì)會保留在子代噬菌體中。

4）實驗步驟中混合保溫、攪拌、離心的作用分別是什么？

混合保溫是為噬菌體侵染細菌創(chuàng)造條件；攪拌是為了使噬菌體未侵入細菌的部分與侵入部分分離；離心是為了使未侵入的噬菌體（或其中一部分）與細菌分別位于上清液和沉淀物中，以便通過放射性檢測確定哪種物質(zhì)進入了細菌。

5）實驗結(jié)果和結(jié)論是什么？

實驗結(jié)果：32P 組的放射性主要出現(xiàn)在沉淀物中，子代噬菌體有放射性；35S 組的放射性主要出現(xiàn)在上清液，子代噬菌體無放射性。

實驗結(jié)論：噬菌體的DNA 侵入到細菌細胞中，并控制子代噬菌體的產(chǎn)生，DNA 是噬菌體的遺傳物質(zhì)。

以上問題分析邏輯清晰，學生能理解科學研究各環(huán)節(jié)的思考要點。教師再進一步點明：提出問題和作出假設(shè)都需要已有的研究成果作為依據(jù)；設(shè)計實驗時最關(guān)鍵的問題就是找準實驗控制的自變量和需檢測的因變量，明確結(jié)果與結(jié)論的相關(guān)性；結(jié)果是所記錄的客觀事實，結(jié)論是對結(jié)果進行分析后形成的認識，理清證據(jù)與邏輯是思維要點。

除了回顧單個實驗外，教師可向?qū)W生布置新任務(wù)：對應(yīng)不同實驗的設(shè)計（表2），列出教材中的科學史實驗及學生實驗，分析每個實驗方案的核心內(nèi)容：自變量的控制、因變量（結(jié)果）的檢測、得出的結(jié)論。通過此項任務(wù)，讓學生集中思考實驗研究的邏輯，找到規(guī)律。

表2 高中生物學教材中實驗的要點分析

3.2 課外素材的使用 課外的生物學研究素材來源廣泛，主要來自2 個方面：①各研究領(lǐng)域的科研論文；②用科研論文改編的試題。受專業(yè)背景的限制，學生直接閱讀科研論文會有一定的難度，可根據(jù)學生接受能力對科研論文進行適當改編，以學案的形式呈現(xiàn)，帶領(lǐng)學生分析。為取得理想成績，學生更愿意分析來自題目的研究素材，明確各種類型的設(shè)問該如何作答。因此，在本專題復(fù)習中，可將試題作為課外素材的主要來源，選擇高考題或模擬題，對審題和解題思路進行精細化分析，可讓學生找到試題設(shè)問方向和答題要點，有效提升學科關(guān)鍵能力。

案例2：2017年海淀高三一模理綜第29 題（節(jié)選并改編）。

獨腳金內(nèi)酯是近年新發(fā)現(xiàn)的一類植物激素。研究發(fā)現(xiàn)獨腳金內(nèi)酯能通過促進生長素的作用抑制側(cè)枝生長。請你對可能的機制提出一個合理的假設(shè)：____________。

在科學研究中，假設(shè)必須以已有科學結(jié)論為依據(jù)。在教學中，要利用開放性試題充分調(diào)動學生的思維，引導學生自評或互評假設(shè)的合理性。學生在充分思考和討論后能認識到，提出假設(shè)時需要結(jié)合頂端優(yōu)勢原理及題目信息。獨腳金內(nèi)酯可能通過促進生長素的合成、促進生長素向側(cè)枝運輸或抑制生長素從側(cè)枝運輸，從而抑制側(cè)枝生長，因為這幾個途徑都會使側(cè)枝處生長素濃度過高而產(chǎn)生抑制效應(yīng)。此外，獨腳金內(nèi)酯還可能提高了側(cè)枝對生長素的敏感性，這樣也會對側(cè)枝產(chǎn)生抑制生長的效果。這些回答緊密圍繞植物激素的概念和作用特點進行思考，雖然角度多樣但都邏輯嚴密。

案例3：2017年高考北京卷理綜第29 題（節(jié)選并改編）。

學習、記憶是動物適應(yīng)環(huán)境、使個體得到發(fā)展的重要功能。通過電刺激實驗，發(fā)現(xiàn)學習、記憶功能與高等動物的海馬腦區(qū)（H 區(qū)）密切相關(guān)。

1）在小鼠H 區(qū)的傳入纖維上施加單次強刺激，傳入纖維末梢釋放的________ 作用于突觸后膜的相關(guān)受體，突觸后膜出現(xiàn)一個膜電位變化。

2）如果在H 區(qū)的傳入纖維上施加100 次／s、持續(xù)1 s 的強刺激（HFS），在刺激后幾小時之內(nèi)，只要再施加單次強刺激，突觸后膜的電位變化都會比未受過HFS 處理時高2～3 倍，研究者認為是HFS 使H 區(qū)神經(jīng)細胞產(chǎn)生了“記憶”。圖2為這一現(xiàn)象可能的機制。

圖2

①N 受體和A 受體在突觸傳遞中的功能分別是____________。

②請據(jù)圖推測神經(jīng)細胞產(chǎn)生了“記憶”的機理____________。

3）為驗證A 受體胞內(nèi)肽段T 的磷酸化能增強神經(jīng)細胞對刺激的“記憶”這一假設(shè)，將T 的磷酸化位點發(fā)生突變的一組小鼠，用HFS 處理H 區(qū)傳入纖維，30 min 后檢測H 區(qū)神經(jīng)細胞突觸后膜A受體能否磷酸化。請評價該實驗方案并加以完善____________。

本題的圖文信息量較大，對學生的“解讀”能力要求很高。“解讀”能力是高階能力考查的重要基礎(chǔ)。根據(jù)需要，筆者對本題進行改編，通過增加設(shè)問要求學生全面解讀圖文信息，為高階能力考查搭建臺階，降低思考難度。

由題干可知，題目的研究對象是動物的學習、記憶功能，“學習、記憶功能與高等動物的海馬腦區(qū)（H 區(qū)）密切相關(guān)”是已有研究成果，“電刺激實驗”是研究方法。從前2 個小題可獲知的信息是：1）告知本實驗的操作方法是施加刺激后測定突觸后膜的膜電位變化。2）文字信息介紹了如何利用電刺激實驗誘導并檢測到記憶的產(chǎn)生：誘導產(chǎn)生記憶的操作是在H 區(qū)的傳入纖維上施加100 次／s、持續(xù)1 s的強刺激（簡稱HFS），產(chǎn)生“記憶”的標志是在刺激后幾小時之內(nèi)，只要再施加單次強刺激，突觸后膜的電位變化都會比未受過HFS 處理時高2～3 倍。圖2是一個復(fù)雜的流程圖，解讀難度較大，需要結(jié)合所學知識找到流程的起、止點，再將中間過程解讀到位并理清關(guān)系。

學生在解讀題目信息時容易關(guān)注細節(jié)而忽略整體。例如，學生能比較輕松地認識到突觸后膜上N 受體和A 受體的功能是結(jié)合谷氨酸后通道開放、使Ca2+或Na+進入胞內(nèi)，但是卻難以將二者與“記憶”相聯(lián)系。在教師明確提出“闡述神經(jīng)細胞產(chǎn)生了記憶的機理”這一學習任務(wù)時，學生從圖中解讀信息的目的性加強，有意識尋找記憶產(chǎn)生的起、止點及中間過程，這樣才能快速理清思路。記憶產(chǎn)生的起點是HFS 引起的N 受體的通道開放、Ca2+進入胞內(nèi)，之后是胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導過程，即結(jié)合Ca2+的鈣調(diào)蛋白使C 酶活化，一方面引起帶有A受體的囊泡運輸?shù)酵挥|后膜，另一方面使膜上A受體磷酸化。至此，似乎已將圖中的信息解讀到位了，但只有將圖中信息與2）文字信息相結(jié)合，才知什么是神經(jīng)細胞產(chǎn)生記憶的標志：幾小時內(nèi)再次施加單次強刺激，突觸后膜上大量磷酸化的A受體與谷氨酸結(jié)合，大量Na+進入胞內(nèi)，突觸后膜出現(xiàn)高的電位變化。這樣，才真正解釋清楚“記憶”形成的復(fù)雜機理（HFS 引起的神經(jīng)元變化見圖3，記憶的檢測見圖4）。

圖3 HFS 引起的神經(jīng)元變化

圖4 電刺激檢測神經(jīng)細胞是否產(chǎn)生“記憶”

由此可見，使題干及圖文信息條理化是“解讀”復(fù)雜題目的重點。如此才能把握細節(jié)和整體的關(guān)系，既見樹木又見森林。

圖2的信息是“神經(jīng)細胞形成記憶”的可能機制，如何通過實驗證明？ 因為環(huán)節(jié)多，需要系列實驗提供證據(jù)，高考題對這幾個實驗的設(shè)計和分析進行分別設(shè)問。在此，教師選取最后一個問題：為驗證A 受體胞內(nèi)肽段T 的磷酸化能增強神經(jīng)細胞對刺激的“記憶”機理的假設(shè)，研究者設(shè)計了實驗，讓學生對此方案進行“評價”并修訂。“評價”屬于高階能力要求，需要學生對科學研究的完整流程有清晰的認識。“評價并完善”并不意味原實驗方案一無是處。在教師的引導下，學生意識到，研究者選用T 的磷酸化位點發(fā)生突變小鼠作為實驗組非常恰當，該位點功能喪失后對結(jié)果產(chǎn)生的影響能顯示其重要性。在此基礎(chǔ)上，學生就能認識到，突變鼠只能是實驗組，實驗中必須還有T 磷酸化位點未發(fā)生突變的對照組小鼠，這樣才能確定最終2 組的實驗結(jié)果差異是由此產(chǎn)生的，從而對實驗方案進行完善。實驗方案還有哪些不足？很多學生難以找到第2 處，原因在于不能結(jié)合實驗?zāi)康膶ふ覍嶒灲Y(jié)果的檢測指標。實驗?zāi)康氖谴_定T 的磷酸化能增強神經(jīng)細胞對刺激的“記憶”，結(jié)果一定要檢驗“記憶”是否實現(xiàn)，所以，需要在用HFS 處理H 區(qū)傳入纖維30 min 后檢測突觸后膜是否出現(xiàn)較高的電位變化。

教師最后總結(jié)：設(shè)計實驗時需要考慮的問題較多，對思維的挑戰(zhàn)較大，務(wù)必根據(jù)實驗?zāi)康年P(guān)注如何控制自變量（實驗組和對照組處理的差別）、如何檢測因變量，此外，還需要針對假設(shè)預(yù)期結(jié)果，考慮由結(jié)果推知結(jié)論的邏輯是否嚴密。這是“設(shè)計”和“評價”能力考查試題的答題要點。

4 能力提升專題復(fù)習的經(jīng)驗與效果

4.1 專題復(fù)習的教學著力點和效果 復(fù)雜新情境下的生物學試題需要學生像科研人員一樣思考問題，圍繞研究課題把握問題提出、實驗設(shè)計及結(jié)果分析的各個思維環(huán)節(jié)。學生主要是在應(yīng)對圖文信息量大、思維鏈條長的問題時有困難。教師應(yīng)通過對研究素材的精細化分析，將復(fù)雜問題解構(gòu)為多個簡單問題，讓學生找到思維切入點，再通過引導使學生有目的地尋找相關(guān)信息、將各思維環(huán)節(jié)相聯(lián)系，理清解決問題的思路。進行實例分析后，還需對各能力水平的思維要點進行總結(jié)，可讓學生在面對試題中的各層級能力考查時有章可循。

本專題復(fù)習后，學生分析生物學科研素材的思維清晰度提高，面對實驗探究類試題時有思路、有方法，學科能力得到明顯提升。

4.2 專題復(fù)習效果的鞏固 思維范式形成后，內(nèi)化成思維習慣還需要在平時進行多次鞏固。為學生選用能力要求與高考試題接近的題目進行練習，讓學生通過閱讀科研文獻接觸真實的科研過程，都可讓學生養(yǎng)成良好的思維習慣，提升其學科能力。