淺談模型建構方法巧解情境類試題

山東 臧樹理

實行新高考模式、取消《考試大綱》標志我國的高考逐步進入一個無《考綱》的新時代，這給廣大師生帶來了很大的沖擊。《中國高考評價體系》(以下簡稱《評價體系》)與以往的《考試大綱》相比，具有自身鮮明特色：一是全新的評價理念，高考對學生思維的考查遠大于對知識的考查，直接瞄準學生的全面發展、全面培養；二是建立新的學科評價體系，根據學科特色，建立符合自身學科素養培養的評價體系；三是標準化測量，《評價體系》不再簡單框定考試內容，明確界定對考生的能力要求和測量標準。

高考藍皮書《中國高考報告(2021)》明確提出了“三條線”將是高考命題的基本方向，即“核心價值金線”“能力素養銀線”“情境載體串聯線”。2020年高考總體上就是圍繞“三條線”開展，進一步實現從“考知識”“考能力”到“考素養”的轉變，在命題標準建設、命題內容改革、命題形式創新等方面進行了改革，加強了對學科素養與關鍵能力的考核，聚焦于思維過程、思維質量的考查，情境成為考查載體。情境成為高考試題的主要考查載體，這是《評價體系》重要的創新之一。

1.新高考試題特點

分析生物學高考試題，對2015—2020年全國卷Ⅰ和2020年山東卷選擇題題干進行比較可以看出，近6年生物學高考試題情境呈現出兩個顯著的變化：2017年之前的選擇題試題情境簡單或沒有情境，試題較容易，整張試卷的難度在0.72左右；2017年全國卷Ⅰ生物學試題回歸到了學科本質，整卷難度在0.58左右，這是由于2016年10月教育部考試中心重新修訂了《考試大綱》，新《考試大綱》加大了對考生學科素養的考查。自2017年始，選擇題的題干都強調了試題的情境(特別是2021年山東卷的題目，每一道題都有一個情境)，較好地體現了《評價體系》“情境是高考試題的載體”的要求。

生物學科的情境分為生活、學習和實踐情境、科學實驗和探究情境、生命科學史情境。情境類試題往往是情境新穎別致、令人耳目一新，復雜情境試題更是給人一種初看“霧里看花，水中望月”的感覺。這類試題主要考查學生獲取信息并對獲取的信息進行加工和遷移的能力，要求學生能把有效信息遷移到新“情境”中去，抓住信息精髓，將自己所學知識與情境銜接，進行獨立思考，運用所學知識分析并解決實際問題。因此，學生常常感到情境類試題相對比較難，對試題分析不到位，出錯率高，得分率低。現筆者結合建構模型的方法，借助模型，談一談高考情境類試題的解答策略。

2.模型及應用

2.1 模型的定義以及教學意義

人教版生物學必修1《分子與細胞》教師教學用書中提出，模型是人們為了某種特定目的而對認識對象所做的一種簡化的概括性描述，這種描述可以是定性的，也可以是定量的，有的借助于具體的、形象化的實物，有的則以抽象化的形式表現出來。換句話說，基于特定目的，簡化認識對象的過程就是模型，其具有定性、定量的特征，能借助其他形象化手段，對具體實物進行表達的過程，是具體形式向抽象形式轉變的過程，其是在原型基礎上的概括、抽象，能夠反映原型的本質。模型在教育教學中有重要應用，對于一些難點知識的教學，借助模型可以將它們進行簡化，使得知識點更加形象、直觀地呈現在學生面前，幫助學生理解并掌握。

2.2 概念模型解答實例

【例1】(2020年，山東卷，第5題)CDK1是推動細胞由分裂間期進入分裂期的關鍵蛋白。在DNA復制開始后，CDK1發生磷酸化導致其活性被抑制，當細胞中的DNA復制完成且物質準備充分后，磷酸化的CDK1發生去磷酸化而被激活，使細胞進入分裂期。大麥黃矮病毒(BYDV)的M蛋白通過影響細胞中CDK1的磷酸化水平而使農作物患病。正常細胞和感染BYDV的細胞中CDK1的磷酸化水平變化如圖1所示。下列說法錯誤的是( )

圖1 CDK1的磷酸化水平

A.正常細胞中DNA復制未完成時，磷酸化的CDK1的去磷酸化過程受到抑制

B.正常細胞中磷酸化的CDK1發生去磷酸化后，染色質螺旋化形成染色體

C.感染BYDV的細胞中，M蛋白通過促進CDK1的磷酸化而影響細胞周期

D.M蛋白發揮作用后，感染BYDV的細胞被阻滯在分裂間期

【答案】C

(1)情境與考查要求：本題以CDK1蛋白調控細胞周期的實驗結果分析為情境，屬于科學實驗和探究類情境。試題從基礎性和綜合性的維度考查學生對細胞周期概念的理解，試題要求學生綜合運用所學的生物學知識分析、解釋科學探究結果以及感染BYDV的細胞發生病變的原因，體現應用性和創新性。

關鍵能力：試題主要考查學生對CDK1蛋白調節細胞分裂間期轉向分裂期的過程理解，考查考生獲取信息和信息轉化能力、分析推理能力，并將所學知識遷移到新情境中，理解大麥感染BYDV的細胞發生病變的原因。

學科素養：本題側重考查生命觀念、科學思維等素養。CDK1蛋白調節從細胞分裂間期向分裂期轉變，主要體現對生命觀念的考查，滲透了生命的物質與能量觀、結構與功能觀；對大麥黃矮病毒(BYDV)的M蛋白通過影響細胞中CDK1的磷酸化水平使農作物患病的分析，主要體現了對科學思維的考查，滲透了分析與綜合、批判性思維。

(2)構建概念模型解題：為了更加準確地解答試題，可以在試題旁邊先畫出細胞周期直線表示形式流程圖(或圓形圖形形式)，在直線下面標出細胞分裂間期和分裂期。在直線上面標出CDK1與磷酸通過磷酸化酶形成CDK1-P，反方向標出去磷酸化過程，構成CDK1磷酸化水平調節細胞周期模型(圖2)。對照構建的模型，就很容易判斷選項正確與錯誤。

圖2 CDK1的磷酸化水平

CDK1發生磷酸化，形成磷酸化的CDK1(即CDK1-P)，磷酸化的CDK1發生去磷酸化后，形成CDK1和磷酸。CDK1與磷酸化的CDK1相互轉化過程，與教材中ATP與ADP轉化過程非常相似，學生對ATP與ADP轉化過程非常熟悉，在生物體中都有相應酶參與該生理過程，這樣就很容易理解CDK1與磷酸化的CDK1之間的轉化，調控細胞分裂周期的生理作用。再利用細胞分裂周期直線圖的概念模型，更容易分析解答此題。該題采用概念模型的方式解題，找尋課本上的原型，揭開情境題的面紗。對這類概念模型試題，教師在平時指導學生做題時不僅要“圈、點、勾、畫”，還要讓學生學會把文字信息轉化為圖示形式，分析試題中蘊含的生物概念模型，琢磨知識點之間的聯系，煉就一雙“火眼金睛”，整合知識，能從這件描述生活場景和前沿科技的“外衣”下，梳理出考查知識點，構建相應模型，分析解題思路，正確解答試題。

2.3 物理模型解答實例

【例2】(2019年，全國卷Ⅱ，第3題)某種H+-ATPase是一種位于膜上的載體蛋白，具有ATP水解酶活性，能夠利用水解ATP釋放的能量逆濃度梯度跨膜轉運H+。①將某植物氣孔的保衛細胞懸浮在一定pH的溶液中(假設細胞內的pH高于細胞外)，置于暗中一段時間后，溶液的pH不變。②再將含有保衛細胞的該溶液分成兩組，一組照射藍光后溶液的pH明顯降低；另一組先在溶液中加入H+-ATPase 的抑制劑(抑制ATP水解)，再用藍光照射，溶液的pH不變。根據上述實驗結果，下列推測不合理的是( )

A.H+-ATPase位于保衛細胞質膜上，藍光能夠引起細胞內的H+轉運到細胞外

B.藍光通過保衛細胞質膜上的H+-ATPase發揮作用導致H+逆濃度梯度跨膜運輸

C.H+-ATPase逆濃度梯度跨膜轉運H+所需的能量可由藍光直接提供

D.溶液中的H+不能通過自由擴散的方式透過細胞質膜進入保衛細胞

【答案】C

(1)情境與考查要求：本題以H+-ATPase的定義和實驗為情境，屬于科學實驗和探究情境中的復雜情境。試題考查主動運輸和被動運輸的特點及影響因素，要求學生綜合運用所學的生物學知識解釋科學探究情境中的問題，體現應用性和創新性。

必備知識：本題主要考查“物質進入細胞的方式”“ATP在能量代謝中的作用”和“光合作用的基本過程”等知識，突出考查H+的跨膜運輸過程及影響因素。

關鍵能力：理解H+-ATPase的本質及作用是答題的前提，試題考查學生獲取關鍵信息和解釋生物學現象的理解能力。以H+-ATPase相關科學實驗為載體，考查學生利用所學知識對相關生物學問題做出科學解釋的實驗探究能力和解決問題能力。

學科素養：本題側重考查生命觀念、科學思維和科學探究素養。H+-ATPase的功能對H+跨膜運輸的過程及影響因素的分析，主要體現對生命觀念的考查，滲透了生命的物質與能量觀、結構與功能觀；應用植物生理學知識分析藍光照射引起溶液pH變化的原因，主要體現對科學思維的考查，滲透了分析與綜合、批判性思維的科學思維素養；在設計實驗、得出結論及對實驗原理的探究上，主要體現對科學探究素養的考查，滲透了利用新思維在新情境中分析問題和解決問題的素養。

(3)構建物理模型解題：在試題旁邊先畫出帶有載體蛋白的細胞膜結構簡圖，同時在細胞膜內側載體蛋白上畫上ATP的水解過程(圖3)。看到構建的模型簡圖，很多學生立即就會想到課本中主動運輸的結構示意圖。然后根據結構簡圖，對題干中的信息進行分析，①將某植物氣孔的保衛細胞懸浮在一定pH的溶液中(假設細胞內的pH高于細胞外)，置于暗中一段時間后，溶液的pH不變，說明沒有H+通過自由擴散方式進入細胞(注意細胞內的pH高于細胞外，pH越低，說明H+數量或濃度越大，即細胞外H+濃度大)。②再將含有保衛細胞的該溶液分成兩組，一組照射藍光后溶液的pH明顯降低，H+數量或濃度進一步加大，可以得出保衛細胞通過H+-ATPase作用，將細胞內H+轉運到細胞外，使細胞外H+增多，pH降低，能量直接來源是ATP，藍光可以促進細胞內H+轉運到細胞外的過程，并不直接提供能量；另一組先在溶液中加入H+-ATPase的抑制劑(抑制ATP水解)，抑制細胞內H+轉運到細胞外過程，再用藍光照射，沒有發生H+轉運到細胞外的過程，因此，細胞外的溶液的pH不變。

圖3 H+-ATPase模型

通過以上分析可以得出，將題干文字信息轉化為物理模型(結構模型)，能夠更加準確地分析試題，避免其他因素的干擾，如溶液中的H+不能通過自由擴散的方式透過細胞質膜進入保衛細胞的理解以及H+-ATPase逆濃度梯度跨膜轉運H+所需的能量是否可由藍光直接提供，利用構建模型分析，能夠清楚、準確、科學地理解命題人的意圖，進一步提高答題準確率，這也反映出生物學具有理科屬性，需要運用科學思維解答試題。

2.4 數學模型解答實例

【例3】(2019年，全國卷Ⅰ，第6題)某實驗小組用細菌甲(異養生物)作為材料來探究不同條件下種群增長的特點，設計了三個實驗組，每組接種相同數量的細菌甲后進行培養，培養過程中定時更新培養基，三組的更新時間間隔分別為3 h、10 h、23 h，得到a、b、c三條種群增長曲線，如圖4所示。下列敘述錯誤的是( )

圖4 細菌數量圖

A.細菌甲能夠將培養基中的有機物分解成無機物

B.培養基更換頻率的不同，可用來表示環境資源量的不同

C.在培養到23 h之前，a組培養基中的營養和空間條件都是充裕的

D.培養基更新時間間隔為23 h時，種群增長不會出現J型增長階段

【答案】D

(1)情境載體與考查要求：本題以細菌的培養實驗結果繪制的曲線為情境，屬于科學實驗和探究情境。試題考查種群數量的“J”型增長與“S”型增長之間的過渡類型及種群數量的“S”型增長曲線的形成原因，細菌培養過程中定時更新培養基獲得不同的種群增長曲線，可以看作不同條件下種群增長形式的模型。要求學生綜合運用所學的種群數量知識解釋科學探究情境中的問題，屬于基礎性、綜合性和應用性的考查。

必備知識：種群數量的“J”型增長曲線需要理想的條件，種群數量的“S”型增長曲線形成的條件是有環境阻力。

關鍵能力：本題考查理解能力、實驗與探究能力、獲取信息的能力。

學科素養：本題考查生命觀念、科學思維、科學探究素養。細菌培養過程中定時更新培養基獲得不同的種群增長曲線的分析，主要體現對生命觀念的考查，滲透了生命的穩態與平衡觀、物質與能量觀；對a、b、c三條種群增長曲線的具體分析，體現對科學思維的考查，滲透了分析與綜合、批判性思維的科學思維素養，滲透了利用科學思維分析問題和解決問題的科學探究素養。

(2)數學模型解題：先簡單在試題旁邊畫出種群數量的“J”型增長曲線和種群數量的“S”型增長曲線，能夠寫出細菌數量公式最好，并且標出環境資源條件，如圖5所示構建細菌數量的數學模型。細菌數量總數Nt=N02t，其中N0指開始時細菌數量，t指在一定時間內的分裂次數。假如每小時分裂兩次，23 h就是分裂46次，理論上數量Nt=N0246個，實際上由于環境資源量影響，如食物、空間條件、代謝類型、代謝產物作用等因素，常常導致實際數量小于理論值。試題中“定時更新培養基，三組的更新時間間隔分別為3 h、10 h、23 h”，說明提供給不同組細菌生長的營養物質的量是不同的，即表示環境條件(食物資源)的不同。a組更換7次、b組更換2次、c組沒有更換，說明c組表示對照組實驗，a組和b組表示實驗組實驗。其他培養的條件相同，也就是溫度、空間等條件相同，在分析過程中甚至可以認為這些因素不影響實驗，關鍵的區別就是細菌獲得的“食物量”不同。

細菌數量總數：Nt=N02t環境資源量：如食物、空間條件、代謝產物作用等因素圖5 種群數量模型

根據數學模型，分析如下：細菌甲屬于異養生物，在培養基中的生長過程中，可以將有機物(例如葡萄糖等)氧化分解，產生CO2和水，并釋放出能量，選項A正確；在題目所表示的種群增長模型中，培養基更新時間間隔分別為3 h、10 h、23 h，說明提供給不同組細菌生長的營養物質的量是不同的，表示環境資源(食物資源)的不同，選項B正確；a組中培養基更新頻率最高，“食物”充足，細菌增長曲線大致呈“J”型，是c組(對照)兩倍多，說明是在營養和空間等條件都充裕的情況下出現的，選項C正確；比較b組與c組更新培養基的時間間隔，b組更換2次、c組沒有更換，最后b組細菌數量并不是c組的兩倍，只是多了點，說明c組在現有環境資源已經達到或接近環境容納量(最大值)，但在培養初期(如3 h之前)，營養和空間等條件和a組是一樣的，也是相對充裕的，該階段種群是呈“J”型增長的，選項D錯誤。

以上結合數學模型分析的過程，可以看出，數學模型能夠有效改變學生的認識方式，理清解題思路，提高做題準確率。應用數學模型分析試題，能夠使學生更加明白試題的設計思路，如例3，最后影響細菌數量的主要因素就是培養基量，其他因素不需要考慮。讓學生充分利用模型，與教材相關內容建立聯系，并引導學生運用所學知識嘗試分析和解釋情境問題，提高其對復雜情境題型的應變能力。

3.教學啟示

3.1 平常教學中要重視模型構建

模型構建具有直觀性、啟發性，有助于學生理解生物結構、生理過程以及相關生物學概念，特別是高中生物學習，生物模型構建可以幫助學生增加感性認識，克服對微觀結構認識的困難。基于學生學科核心素養發展的需要，深入推進模型建構教學，引導學生自主建構模型，從而在模型建構的過程中，受到思維觸動、體悟生物學習的科學方法、自主建構并內化生物概念、解構生物結構、洞悉生物原理、發現生物學規律等，從而發展學生的綜合能力，感受到生命的復雜、神奇，領悟生物世界的博大精深，由此產生尊重生命、珍惜生命、關愛生命的情感。如DNA雙螺旋結構的模型構建中，學生梳理了科學家們發現DNA雙螺旋結構這一探索歷程，鍛煉了自主閱讀、歸納概括的能力。在討論過程中，不同觀點的爭論更有助于學生認識到科學研究中靈感、直覺、實證、嚴謹與創造性等的重要性。通過小組合作完成“DNA雙螺旋結構”模型，發展了學生的發散性思維，提高了學生的分析推理能力，培養了學生的合作精神、交往能力。同時，完成構建模型的過程也是跟隨科學家完成DNA雙螺旋模型建構的過程，在這個過程中學生了解了模型建構的科學方法。因此，巧用模型構建能夠訓練學生歸納概括、演繹推理等多種科學思維，提升學生嚴謹審慎、求實求真的社會責任意識。

3.2 模型構建中要注重學生科學思維的培養

模型建構本身具有高度的抽象性，如何在抽象和形象之間建立起聯系的通道，這就需要教師調動學生的想象力，使想象力成為抽象和形象之間的橋梁，直指模型建構內核，引領學生借助想象力自主完成模型建構，并使之成為學生科學探究、思維發展的有效手段。教師通過指導學生利用已有知識構建模型，再聯系生產生活實際，建立新舊知識之間的關系，建立模型和知識之間的關聯，促進學生形成生命觀念、發展科學思維，培養學科核心素養。

3.3 借助模型提高對復雜情境題型的應變能力

高考試題中的新信息、新情境題，以“新情境”的形式呈現，情境創設材料貼近生活、生產實踐中的具體事例，體現社會熱點，強調理論聯系實際，突出應用性。教師在備考中要注意梳理與學科相關的科學實驗、突出成就和熱點問題。例如，近幾年的諾貝爾生理與醫學獎、科技前沿最新進展等生物學重大事件。教師要對情境材料進行收集和研究，將這些內容引入課堂討論，與教材相關內容建立聯系，并引導學生運用所學知識嘗試分析和解釋，幫助學生有效分析信息，提高對復雜情境題型的應變能力。講解試題過程中，分析獲取題干信息的方法，借助課本中的模型，明確“情境信息”和“已有知識”之間的邏輯關系，尋找實現整合知識的途徑，提高情境試題解答能力。

總的來說，通過構建模型的方法進行教學或解題，能夠加深學生對生物學基本概念、基本原理的理解，并有助于學生掌握生物學基本技能，幫助學生構建正確的知識體系，培養學生的創新精神，提高觀察分析、實驗探究等綜合能力。