指向生物學科關(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)鍵能力是指即將進入高等學校的學習者在面對與學科相關(guān)的生活實踐情境或?qū)W習探索情境時，高質(zhì)量地認識問題、分析問題、解決問題所必須具備的能力。它是生物學學科核心素養(yǎng)的要求之一，又是《中國高考評價體系》(以下簡稱《評價體系》)“四層”的考查內(nèi)容之一。全國卷高考試題看似簡單、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，處處滲透著對關(guān)鍵能力的考查。光合作用是地球上最重要的生命活動，是高中生物學學習的重點，也是難點，其內(nèi)容多而復雜，各地高考題中都能看到它的身影。基于此，筆者在原創(chuàng)命題研究中，采用真實新穎的情境作為載體，以培養(yǎng)學生歸納與概括、分析與綜合、演繹與推理等綜合應用能力，考查學生的知識獲取能力和思維認知能力等關(guān)鍵能力為落腳點，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下氮素供應形式對植物光合作用的影響，研究人員以武運粳稻為實驗材料，在人工氣候室利用無土栽培技術(shù)進行了相關(guān)實驗，部分結(jié)果如表1所示。請回答有關(guān)問題。

表1

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

(2)表中X處理措施應為___________。

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，鉀離子能促進蔗糖從葉片運至果實。以灌漿期的水稻作為實驗材料，用同位素標記技術(shù)設計實驗驗證鉀離子上述作用。

請完善以下實驗思路并預期結(jié)果：

實驗思路：

①將生長狀況一致的水稻平均分成兩組，編號A、B；

②A組供應較低濃度的鉀離子，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________，一段時間后檢測________________。

預期結(jié)果：___________________________。

1.2 參考答案與評分細則

(1)pH、滲透壓、溫度、溶氧量等(2分，任答出兩點即可)

(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，則可驗證這一觀點(2分)

2.試題命制背景和意圖

2.1 素材來源

真實的情境能調(diào)動學生在解決問題中運用生物學必備知識和關(guān)鍵能力的能力。本題的素材主要來自學術(shù)期刊中的兩篇關(guān)于光合作用的科研論文。筆者在閱讀文獻時發(fā)現(xiàn)，這兩篇論文的內(nèi)容、方法與學生的認知貼近，又高于學生的知識經(jīng)驗，于是選取論文中學生可以理解的內(nèi)容、數(shù)據(jù)等，按照《評價體系》中“四翼”的考查要求，將論文的內(nèi)容進行刪改、拆分和重組。試題情境具有適度的復雜性，信息充分又相對簡明。在題目設問上，力求做到新穎、科學、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)的生物學概念以及研究方法，筆者從中找出蘊含的科學知識和概念，進行分析和研究后繪制出如圖1所示的概念圖。

圖1

學生對植物生命的認識往往是碎片化的，在他們的認知結(jié)構(gòu)中，光合作用、滲透作用、主動運輸往往是一個個孤立的生理過程，通過圖1，學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)鍵能力的命題目標分析

3.1 考查知識獲取能力的問題設置

經(jīng)過素質(zhì)教育的培養(yǎng)，知識獲取能力強的學習者應當能夠閱讀和理解學科的各種主要文本、基本符號，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；能夠準確概括和描述學科所涉及的基本現(xiàn)象特征及其相互關(guān)系，并從中發(fā)現(xiàn)問題；能夠透過現(xiàn)象看到本質(zhì)，發(fā)現(xiàn)隱含的規(guī)律或原理；能夠?qū)W科基本知識進行結(jié)構(gòu)化理解，形成學科知識網(wǎng)絡。本題通過設置第(1)小題、第(2)小題①②問，考查學生知識獲取能力。

第(1)小題，考查學生對植物生存所需環(huán)境條件的認知。無土栽培過程中，水稻通過根系從培養(yǎng)液中吸收水分和無機鹽，細胞滲透吸水，那么培養(yǎng)液的滲透壓要小于細胞液；植物吸收無機鹽的方式主要是主動運輸，充足的O2供應有利于能量的供應。由此學生就能夠根據(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，設問①要求學生能夠根據(jù)表格中的信息對實驗自變量做出判斷，根據(jù)實驗設計的單一變量原則，得出X條件應為大氣CO2濃度和氨態(tài)氮。設問②要求學生能夠從復雜的實驗數(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 考查思維認知能力的問題設置

“思維認知能力”是指學習者在面對生活實踐或問題情境時，發(fā)現(xiàn)新問題、運用新方法、解決新問題、獲得新結(jié)論的過程中表現(xiàn)出來的思維能力，是激發(fā)個體好奇心、想象力、塑造創(chuàng)新人格所必須具備的能力基礎。

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，把光合作用的重要概念融入到問題情境中，要求學生通過敏銳的洞察力，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

本題需要學生有較強的歸納概括能力、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 考查學生實踐操作能力的問題設置

“實踐操作能力”是指學習者在面對生活實踐情境或?qū)W習探索情境時，進行學以致用的學科認知操作和行動操作的過程中表現(xiàn)出的穩(wěn)定的個性心理特征，是理論聯(lián)系實際所必須具備的能力基礎。主要包括：實驗設計能力、數(shù)據(jù)處理能力、信息轉(zhuǎn)化能力、動手操作能力、應用寫作能力、語言表達能力，合作創(chuàng)新能力等。

實驗探究能力是生物學自然科學屬性的鮮明體現(xiàn)，近些年全國卷高考每年都有凸顯生物學的科學課程屬性的試題出現(xiàn)。第(3)小題的問題設置，正是基于此目的，讓學生在新情境中選擇實驗材料，設計并完善相關(guān)方案，考查學生實驗設計能力和語言表達能力。為降低難度，本題以填空題的形式呈現(xiàn)。

同位素標記法是生物科學研究中的重要方法，必修 1教材中有三個經(jīng)典實驗。通過這些實驗的學習，學生已經(jīng)知道這種方法可以追蹤物質(zhì)的運行軌跡。

基本步驟及解題思路：

①選擇標記元素

追蹤光合產(chǎn)物糖類的運行軌跡，可選擇14C標記糖類，因此為水稻提供14CO2。

②檢測放射性物質(zhì)出現(xiàn)的位置及放射性強度

若K+有利于光合作用產(chǎn)物從源器官運往庫器官，則與對照組相比，K+濃度增加組，庫器官的放射性應更強。

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名學生參與測試，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，說明實驗設計確實能檢測學生的科學思維及實驗探究能力。第(2)小題難度系數(shù)在正常范圍內(nèi)。本題問題指向明確，但是區(qū)分度不能達到要求，推測可能原因有兩個：一是理科綜合答題時間緊，學生未能細致準確地審題；二是為追求題目簡潔，試題中引導性的關(guān)鍵語句不夠。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)，實驗數(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____________。”

通過有效引導，激發(fā)學生思維，本題的難度系數(shù)會降低，區(qū)分度會更好。

高考需為高校選拔人才服務，因此高考試題必須保證具有一定的難度及區(qū)分度，強化能力立意。社會發(fā)展變化對人才提出了新要求，高考加大了對學生在信息時代應具有的閱讀能力、獲取信息的能力和思辨能力的考查。“價值引領(lǐng)，素養(yǎng)導向，能力為重，知識為基”，這是新時代高考命題的新理念。基于此，今后在日常教學和復習備考時，筆者認為應做好以下幾點：第一，要以知識為基，重視生物學基本概念的學習，必備知識是提升關(guān)鍵能力的基礎。在基本概念、原理與方法的基礎上構(gòu)建整體知識框架，從而深入理解知識之間的內(nèi)在聯(lián)系，形成完整的知識結(jié)構(gòu)。第二，要充分利用教材，適當拓展教材，特別是要用好教材中的經(jīng)典實驗。例如分泌蛋白的合成和運輸實驗、光合作用發(fā)現(xiàn)歷程中的卡爾文實驗等，這些都是科學事實的最好材料，教學時應在對這些實驗再認識的基礎上，強化科學思維與方法的訓練。第三，要重視科學思維的培養(yǎng)，注意思維嚴謹性和表達準確性的訓練。例如原因闡釋類問題，一般是在題目中找到與問題有關(guān)的條件信息，然后建立問題與條件之間的聯(lián)系，一般要經(jīng)歷具體(題目信息)—抽象(概念原理)—具體(問題結(jié)論)的過程，再用簡潔而準確的語言表達，這樣回答問題就不會犯下空說理論的錯誤。第四，要聚焦問題情境。教師要引領(lǐng)學生運用所學知識在情境中解決問題，實現(xiàn)知識的遷移應用。用聚焦社會問題的情境培養(yǎng)學生的科學探究能力和社會責任意識，用聚焦科技問題的情境提升學生的創(chuàng)新能力，用聚焦生活問題的情境培養(yǎng)學生將對生活世界的感知轉(zhuǎn)化為生物概念。

生物學課程，既以提高學生生物學學科核心素養(yǎng)為宗旨，也是樹立社會主義核心價值觀、落實立德樹人根本任務的重要載體。沒有知識和能力，就沒有學科核心素養(yǎng)的形成。評價作為教育的一個基本環(huán)節(jié)，具有重要的導向作用。在試題命制時，也應堅持以學生的發(fā)展為本，以學科課程內(nèi)容為依據(jù)，聚焦學科核心素養(yǎng)，以提升學生關(guān)鍵能力，尤其應以培養(yǎng)學生的思辨、創(chuàng)新等高階思維能力為目標。