以囊性纖維化為例淺談高中生物學原創題命制策略

云南 從 巖

2022年度邵逸夫生命科學與醫學獎平均頒予保羅·內古列斯庫(Paul A Negulescu)和邁克爾·威爾士(Michael J Welsh)，以表彰他們發現了囊性纖維化是分子、生物化學和功能上出現缺陷所引致，以及鑒別和研發新藥物去修復這些缺陷，因而能夠治療大多數患者。囊性纖維化分別在2019版人教版教材必修1第4章第2節“主動運輸與胞吞、胞吐”及必修2第4章第2節“基因表達與性狀的關系”中出現。本文以《普通高中生物學課程標準(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱《課程標準》)中與其相關教學內容的掌握程度為指導，以不同教學階段的不同考查目的為前提，以建立立體化的學科核心素養為目標，緊跟生物學重大科研進展進行原創題命制的策略研究。

1.從素材中提取高中生物學有關知識點和信息

1.1從教材中提取

根據2019版人教版教材必修1第4章第2節“主動運輸與胞吞、胞吐”中關于囊性纖維化的描述,歸納文中關鍵詞：氯離子、載體蛋白、黏液增多、感染。

根據2019版人教版教材必修2第4章第2節“基因表達與性狀的關系”中關于囊性纖維化的描述，歸納文中關鍵詞：直接控制性狀、CFTR蛋白、堿基缺失、轉運氯離子、遺傳病。

1.2從以囊性纖維化為研究課題的文獻中提取有關知識點和信息

通篇閱讀相關文獻，結合高中階段教學實際，筆者從3篇相關研究的文獻(《囊性纖維化及中國兒童特點》《囊性肺纖維化》《CFTR氯離子通道與囊性纖維化病》)中分別歸納文中關鍵詞如下：

(1)氯離子、水分泌、單基因遺傳病、基因突變、基因檢測、基因治療、家族遺傳傾向。

(2)7號染色體、高NaCl、內環境、抗生素治療。

(3)離子通道、離子濃度、內質網、識別、細胞膜。

1.3 從新聞稿中提取有關知識點和信息

通過查閱2022年邵逸夫獎官網新聞稿的內容，歸納文中關鍵詞：離子通道、蛋白缺陷、基因治療、蛋白矯正。

2.根據提取的知識點和信息結合《課程標準》確定考點

將提取出來的信息關鍵詞進行分類備用。詳細研究《課程標準》對相關知識點的要求和與之相關聯的學科核心素養的建立要求，確定在不同教學階段中的考查范圍。以高中教學進程為區分原則，大致可以分為新授課階段、一輪復習階段和高考模擬階段。

2.1新授課階段(基礎學習階段)

本階段學生處于初學階段，在掌握基礎知識的基礎上應幫助學生建立正確的生命觀念，同時訓練學生的科學思維。結合《課程標準》對物質運輸、基因與性狀等知識點的內容要求與所提取的知識點和信息，可以確定考點為①物質運輸：被動運輸的特點、主動運輸的特點、Cl-和水的運輸方式判斷、影響物質運輸的方式；②基因與性狀：基因突變類型判斷、基因與性狀的關系、遺傳病類型判斷、遺傳病的調查，檢測與治療。

2.2一輪復習階段(能力提升階段)

經過基礎知識的學習，學生將進入全面的一輪復習階段，也被視為能力提升階段。在本階段的學習中，學生應具備動點成線的能力，也就是知識串聯的能力。根據《課程標準》對不同學習階段制定的學業質量水平等級標準，本階段學生應達到一級和二級水平，并且在能力方面應讓學生努力達到三級和四級水平，具體指“解決問題的情境相對復雜，解決問題的程度要求相對較高，涉及的大概念、方法等包括必修課程和選擇性必修課程的全部內容”。結合所提取的知識點和信息，可以確定考點為基因突變特點、基因與性狀的關系、基因表達過程判斷、治療對策。

2.3高考模擬階段(綜合運用階段)

復習階段后期，在基礎知識的框架上，還需對已建立了一定知識串聯能力的學生進行最后的提升。考點要圍繞《課程標準》，并在題目中體現高考模擬題該具備的科學探究能力和社會責任感。結合所提取的知識點和信息，可以確定考點為致病機理判斷、物質運輸與穩態關系、分工協作、藥物研發的思路。

3.整合信息并根據確定的考點編制題目

具體思路：①確定選項內容；②根據選項內容篩選題干信息；③整合信息編制題干；④解析題目。

【例1】(新授課階段：物質運輸)囊性纖維化( Cystic Fibrosis，CF)最早在北美被形象地描述為“如果親吻孩童的前額時感覺汗液很咸，則這個孩童將很快面臨死亡”。它是一種因肺部支氣管上皮細胞表面轉運Cl-的載體蛋白功能異常，導致上皮細胞中Cl-分泌和細胞向外分泌水都減少，最終造成細胞外分泌液含水量減少，含鹽量升高，黏液堆積，阻塞部分呼吸道的管腔，而引起肺部反復感染的疾病。根據以上描述并結合所學知識，下列描述正確的是

( )

A.肺支氣管上皮細胞向外分泌水的方式與該細胞排出CO2的方式完全相同

B.肺支氣管上皮細胞向外分泌Cl-的方式需要消耗能量

C.肺支氣管上皮細胞向外分泌Cl-時是順濃度梯度運輸

D.對肺支氣管上皮細胞使用蛋白抑制劑不會影響Cl-的分泌

【答案】B

【例2】(新授課階段：基因與性狀)囊性纖維化( Cystic Fibrosis，CF)是一種具有家族遺傳性的先天性疾病，在北美洲白人中最常見，而亞洲人種中該疾病少見。由于病例數較少，我國尚無該病發病情況的流行病學統計數據。因患者7號染色體上的CFTR(囊性纖維化跨膜傳導調節因子)基因中3個堿基的缺少，引起Cl-的跨膜蛋白結構和功能異常而導致肺支氣管腔內黏液堆積，造成細菌反復感染，而誘發肺部纖維化，嚴重損害肺功能。根據以上描述并結合所學知識，下列描述正確的是

( )

A.CF是一種單基因遺傳病，CFTR蛋白缺陷說明基因可以通過影響蛋白質的結構間接影響性狀

B.使用抗生素類藥物針對細菌感染能從根本上治療CF

C.若進行該病的發病率和遺傳方式的研究，只在患者家族中進行調查即可

D.患者家族中，妊娠期女性在產前檢查時，使用基因檢測可以在一定程度上預防該病的產生和發展

【答案】D

【例3】(一輪復習階段)囊性纖維化( Cystic Fibrosis，CF)是一種因細胞表面的CFTR(Cl-的跨膜蛋白)基因突變導致的蛋白結構和功能異常引起的肺部纖維化的疾病。研究表明CFTR基因突變主要有6類。第1類突變: 蛋白合成異常；第2類突變: 影響CFTR的翻譯過程，使肽鏈不能正常地折疊，在內質網中發生降解；第3類突變: CFTR的調節區受到破壞，使之不能正常開啟，從而失去離子通道的功能；第4類突變: 影響Cl-通道的傳導性或對離子的選擇性，使Cl-轉運率降低；第5類突變: 影響RNA剪接，產生正常轉錄子的同時也產生異常的轉錄子，致使具有正常功能的 CFTR減少；第6類突變: 造成 CFTR在細胞膜頂部結構不穩，常向羥基端方向斷裂。根據所學知識，下列描述正確的是

( )

A.CFTR幾種突變類型能證明生物性狀只由蛋白質結構控制

B.CFTR的多種突變類型說明基因突變具有普遍性

C.研制一種“通道傳導性增強劑”類藥物，可以緩解第4類突變患者癥狀

D.第2類和第4類突變的影響分別發生在內質網和細胞核內

【答案】C

【例4】(高考模擬階段)2022年度邵逸夫生命科學與醫學獎平均頒予保羅·內古列斯庫和邁克爾·威爾士，以表彰他們在囊性纖維化( Cystic Fibrosis，CF)研究和實踐中的突出貢獻。一對正常夫婦生出一個患病嬰兒，患兒汗液中有高濃度的NaCl，氣管內黏液堆積，引起反復感染威脅生命。由于患兒7號染色體上的CFTR(Cl-的跨膜蛋白)基因中編碼第508位苯丙氨酸的3個堿基缺失(ΔF508-CFTR)，引起蛋白質異常折疊，內質網相關的泛素連接酶復合體可以有效地識別ΔF508-CFTR蛋白，從而將其降解，因此ΔF508-CFTR無法到達細胞膜有效轉運Cl-。根據以上描述并結合所學知識，下列描述正確的是

( )

A.CF為一種因基因突變引起的性染色體隱性遺傳病

B.CF患者分泌到汗液的Cl-提升了內環境的滲透壓

C.如使用放射性同位素標記參與合成ΔF508-CFTR蛋白的氨基酸，與內質網相比，在高爾基體可檢測到更高的放射性

D.建立轉ΔF508-CFTR基因模型和ΔF508-CFTR基因敲除模型可為CF藥物研發提供思路

【答案】D

4.題目反饋與調整

題目編制完畢需要進行調整，可以通過問卷的方式對題目的難易度、題目信息中是否存在錯別字、知識點錯誤、表述是否存在歧義等進行調查。

4.1問卷發布

將問卷分別發給教師和學生進行網絡調查。在向學生發布時，筆者選取了我校生物學成績處于各個層次的共95名高二學生，確保題目面向各個層次學生時能反映出真實難度。

4.2結果分析

4.2.1 教師問卷調查中反饋出的問題

題干文字敘述較長，對于學生而言，沒有足夠的耐心讀完題目，針對基礎學習階段的原創題目可以適當精簡題干。例3中的6種突變類型及其影響可以用表格的方式呈現，一目了然，便于學生審題，選項C和選項D均針對第4類突變進行考查，可以在C或D選項中更換一個考點。

4.2.2 學生問卷調查中反饋的信息

①正確率與難度系數(表1)

表1

②題目中的語言通順與否及是否存在歧義

例1題干中“導致上皮細胞中Cl-分泌和細胞向外分泌水都減少”存在歧義，可以分兩句表述；例4題干中“引起反復感染威脅生命”存在用字不準確的情況，可以改成“引發反復感染從而威脅生命”。

③其他建議

題干較長，需精簡題干內容。

4.3題目調整

根據教師和學生調查反饋中總結的問題對試題進行調整，最終確定原創題目：

【改后例1】(新授課階段：物質運輸)囊性纖維化( Cystic Fibrosis，CF)在北美被描述為“如果親吻孩童的前額時感覺汗液很咸，則這個孩童將很快面臨死亡”。它是一種因肺部支氣管上皮細胞表面轉運Cl-的載體蛋白功能異常，導致該細胞中Cl-的分泌減少、細胞向外分泌水的量減少，最終造成細胞外分泌液含鹽量升高，黏液堆積，阻塞氣管，引起肺部反復感染的疾病。根據以上描述并結合所學知識，下列描述正確的是

( )

A.肺支氣管上皮細胞向外分泌水的方式與該細胞排出CO2的方式完全相同

B.肺支氣管上皮細胞向外分泌Cl-的方式需要消耗能量

C.肺支氣管上皮細胞向外分泌Cl-時是順濃度梯度運輸

D.對肺支氣管上皮細胞使用蛋白抑制劑不會影響Cl-的分泌

【解析】通過題意與所學知識分析，肺支氣管上皮細胞向外分泌水的方式一般為協助擴散，少部分為自由擴散，即大部分水通過水通道蛋白運輸，而CO2的運輸方式為自由擴散，并不與水完全相同，故A錯誤；肺支氣管上皮細胞向外分泌Cl-的方式為主動運輸，是逆濃度梯度運輸，需要消耗能量，故B正確，C錯誤；肺支氣管上皮細胞向外分泌Cl-的過程中需要載體蛋白，使用蛋白抑制劑可能會影響該蛋白的功能而影響Cl-的分泌，故D錯誤。

【說明】A、B選項考查學生對不同物質運輸方式的掌握情況，C、D選項考查學生對不同運輸方式特點的掌握情況。本階段題目以考查基礎知識為目的。

【改后例2】(新授課階段：基因與性狀)囊性纖維化(Cystic Fibrosis，CF)是一種具有家族遺傳性的先天性疾病，在北美洲白人中最常見，我國病例很少。因患者7號染色體上的CFTR(囊性纖維化跨膜傳導調節因子)基因中3個堿基的缺少，引起Cl-的跨膜蛋白結構和功能異常而導致肺支氣管腔內黏液堆積，造成細菌反復感染，而誘發肺部纖維化，嚴重損害肺功能。根據以上描述并結合所學知識，下列描述正確的是

( )

A.CF是一種單基因遺傳病，CFTR蛋白缺陷說明基因可以通過影響蛋白質的結構間接影響性狀

B.使用抗生素類藥物針對細菌感染能從根本上治療CF

C.若進行該病的發病率和遺傳方式的研究，只在患者家族中進行調查即可

D.患者家族中，妊娠期女性在產前檢查時，使用基因檢測可以在一定程度上預防該病的產生和發展

【解析】通過題意與所學知識分析，CF是由于CFTR基因中3個堿基缺失造成的基因突變，CFTR是一個基因，故CF是單基因遺傳病。基因突變直接造成CFTR編碼的蛋白異常，從而引起Cl-的轉運發生異常引發肺纖維化，故A錯誤；使用抗生素只能治療因黏液堆積造成的反復感染，CF屬于基因突變，是可遺傳的變異，采用基因治療才能從根本上治療CF，故B錯誤；發病率的調查要在社會群體中進行，遺傳方式要在患者家族中調查研究，故C錯誤；基因診斷可有效預防該病的產生和發展，故D正確。

【說明】A選項考查學生根據信息判斷遺傳病類型和基因與性狀之間的關系；B選項考查學生判斷病因根本的分析能力，從而培養學生的發散思維；C選項考查學生對遺傳病的調查方式的掌握情況，增強學生對生命觀念的認識；D選項考查學生對基因檢測在預防遺傳病中的作用，幫助學生建立社會責任感。

【改后例3】(一輪復習階段)囊性纖維化(Cystic Fibrosis，CF)是一種因細胞表面的CFTR(Cl-的跨膜蛋白)基因突變導致的蛋白結構和功能異常引起肺部纖維化的疾病。研究表明CFTR基因突變主要有6類。根據表2和所學知識，下列描述正確的是

( )

表2

A.CFTR幾種突變類型能證明生物性狀只由蛋白質結構控制

B.CFTR的多種突變類型說明基因突變具有普遍性

C.研制一種“通道傳導性增強劑”類藥物可以緩解第4類突變患者癥狀

D.第2類和第5類突變的影響分別發生在內質網和細胞核內

【解析】通過題意與所學知識分析，生物的性狀由蛋白質的結構直接控制，同時也受到環境等因素影響，故A錯誤；由題意可知CETR基因有多種突變類型說明基因突變具有不定向性的特點，普遍性指基因突變發生在多種生物中，故B錯誤；第4類突變導致Cl-通道傳導性降低，通道傳導性增強劑類藥物可以緩解癥狀，故C正確；第2類突變影響的是翻譯的過程，發生在核糖體上；第5類突變影響的是轉錄的過程，主要發生在細胞核中，故D錯誤。

【說明】A選項考查學生對基因與性狀之間的關系的掌握情況；B選項考查基因突變的特點；C選項考查學生提取信息并處理信息的能力；D選項考查學生對基因表達過程知識的掌握。整體考查基礎知識點的情況，意在提升學生串聯知識的能力，同時鍛煉其發散思維。

【改后例4】(高考模擬階段)2022年度邵逸夫生命科學與醫學獎平均頒予保羅·內古列斯庫和邁克爾·威爾士，以表彰他們在囊性纖維化(Cystic Fibrosis，CF)研究和實踐中的突出貢獻。一對正常夫婦生出一個患病嬰兒，患兒汗液中有高濃度的NaCl，氣管內黏液堆積，引發反復感染從而威脅生命。由于患兒7號染色體上的CFTR(Cl-的跨膜蛋白)基因中編碼第508位苯丙氨酸的3個堿基缺失(ΔF508-CFTR) ，引起蛋白質異常折疊，內質網相關的泛素連接酶復合體可以有效地識別ΔF508-CFTR蛋白，從而將其降解，因此ΔF508-CFTR無法到達細胞膜有效轉運Cl-。根據以上描述并結合所學知識，下列描述正確的是

( )

A.CF為一種因基因突變引起的性染色體隱性遺傳病

B.CF患者分泌到汗液的Cl-，提升了內環境的滲透壓

C.如使用放射性同位素標記參與合成ΔF508-CFTR蛋白的氨基酸，與內質網相比，在高爾基體可檢測到更高的放射性

D.建立轉ΔF508-CFTR基因模型和ΔF508-CFTR基因敲除模型可為CF藥物研發提供思路

【解析】通過題意與所學知識分析，CF是由于CFTR基因中3個堿基缺失造成的基因突變，CFTR基因位于7號染色體上，應為常染色體隱性遺傳，故A錯誤；汗液不屬于內環境，所以汗液中的Cl-不會影響內環境的滲透壓，故B錯誤；內質網相關的泛素連接酶復合體可以有效地識別ΔF508-CFTR蛋白，從而將其降解，從內質網運向高爾基體的蛋白會進一步減少，放射性低于內質網，故C錯誤：轉基因和基因敲除都可以幫助修復CFTR基因，屬于從根本上解決Cl-轉運蛋白的基因治療手段，可以為藥物研發提供思路，故D正確。

【說明】A選項考查遺傳病的遺傳方式判斷；B選項檢測學生對內環境概念的理解；C選項考查分泌蛋白運輸過程的同時，檢測學生對題干信息的整合和處理能力，培養學生的科學探究能力；D選項探究研制藥物思路在考查學生基礎知識儲備的同時，訓練學生處理信息的能力，同時引導學生發散思維，建立社會責任感。

緊跟生物科研進展是高中生物學試題的一大熱點，關注生物科研進展不僅可以幫助學生學以致用，還可以在這個過程中培養學生生命觀念、科學思維、科學探究、社會責任的學科核心素養。有了命題方向的靈感切入，加上詳細而縝密的命題策略加持，教師不僅能加深對該熱點中相關知識的理解，同時也能在命題的過程中降低題目的枯燥性，提升原創題的命制效率和創新度。