材料學(xué)習(xí)型試題的解題研究

徐培培 蘇曉梅 杜 肖

(1.3.北京市房山區(qū)教師進(jìn)修學(xué)校 2.北京市房山區(qū)良鄉(xiāng)中學(xué))

1.試題展示

學(xué)習(xí)以下材料,回答(1)～(3)題。

水和離子通道蛋白的探索史

20世紀(jì)80年代期間,科學(xué)家阿格雷(Peter Agre)在研究紅細(xì)胞的膜蛋白時(shí),發(fā)現(xiàn)一種新的膜蛋白,該蛋白同時(shí)也存在于具有高滲透能力的腎小管細(xì)胞膜中,將其稱(chēng)為類(lèi)通道整合膜蛋白(CHIP28)。1991年阿格雷和普瑞斯坦成功克隆得到了CHIP28的cDNA。1992年,普瑞斯坦等通過(guò)在非洲爪蟾的卵母細(xì)胞(圖1)中表達(dá)CHIP28,首次證實(shí)它是一種水通道蛋白。

圖1

非洲爪蟾的卵母細(xì)胞對(duì)水具有極低的滲透性,當(dāng)向其中顯微注射體外轉(zhuǎn)錄的CHIP28的RNA后,卵母細(xì)胞在低滲溶液中迅速膨脹,并于5 min內(nèi)破裂。這一現(xiàn)象表明注射CHIP28的RNA后,卵母細(xì)胞膜對(duì)水的通透性有了明顯提高。為進(jìn)一步確定CHIP28的功能,將提純的CHIP28構(gòu)建在人造細(xì)胞(其膜僅雙層磷脂分子)中,構(gòu)建后的人工膜對(duì)水的通透性增長(zhǎng)了50倍。這些結(jié)果最終證實(shí)了CHIP28為水通道蛋白,后來(lái)被命名為水通道蛋白-1(AQP1)。此后,科學(xué)家們從細(xì)菌、酵母菌、植物、動(dòng)物等的細(xì)胞中分離出多種水通道蛋白。

水分子并不是唯一進(jìn)出細(xì)胞的物質(zhì)。1998年,麥金農(nóng)首次成功地展示了離子通道蛋白的結(jié)構(gòu)與功能——這一成就與阿格雷發(fā)現(xiàn)的水通道蛋白一起,為生物化學(xué)和生物學(xué)開(kāi)辟了全新的研究領(lǐng)域。兩人因此獲得2003年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

為了探究膜蛋白在物質(zhì)運(yùn)輸中的作用,科學(xué)家比較了生物膜(圖2)和人工膜(雙層磷脂)對(duì)多種物質(zhì)的通透性,結(jié)果如圖3。

圖2

圖3

膜通道是所有生物存在的前提條件。因此,許多疾病可歸因于人體的水和離子通道功能出現(xiàn)問(wèn)題。這使得水和離子通道成為制藥行業(yè)重要的藥物靶點(diǎn)。

(1)細(xì)胞膜的主要功能:將細(xì)胞與外界環(huán)境分離開(kāi)、____________和____________,后者的功能主要是由細(xì)胞膜上的孔(圖2)完成,兩者運(yùn)輸物質(zhì)種類(lèi)的差異主要是由________________不同導(dǎo)致的。

(2)①在水通道蛋白發(fā)現(xiàn)之前,已經(jīng)證實(shí)水是以________方式進(jìn)出細(xì)胞,與圖3實(shí)驗(yàn)中的________物質(zhì)的運(yùn)輸方式相同。

②圖1與圖3實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明:細(xì)胞膜或生物膜上確實(shí)存在____________,從而使它們對(duì)水和離子的通透性遠(yuǎn)高于人工膜。

(3)先天性肌強(qiáng)直為編碼氯離子通道的CLCN1基因缺陷所致,患者表現(xiàn)為肌肉持續(xù)性的收縮,故稱(chēng)為強(qiáng)直收縮。已知使肌肉收縮的膜電位變化由不同的離子通道共同完成,其中氯離子和鈉離子的作用是相反的:氯離子主要是抑制細(xì)胞膜的興奮,穩(wěn)定靜息電位;鈉離子主要是興奮細(xì)胞膜,使之產(chǎn)生動(dòng)作電位。請(qǐng)根據(jù)以上信息分析患者可能的發(fā)病機(jī)理及治療思路。

【參考答案】(1)進(jìn)行細(xì)胞間的信息交流 控制物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞 離子通道蛋白的種類(lèi)

(2)①自由擴(kuò)散 甘油、CO2、O2②水通道蛋白(AQP1)和離子通道蛋白

(3)編碼氯離子通道的CLCN1基因缺陷,不能合成氯離子通道蛋白,氯離子無(wú)法運(yùn)入細(xì)胞,不能抑制細(xì)胞膜興奮,肌細(xì)胞持續(xù)興奮。治療思路:抑制鈉離子通道或者加入鈉離子通道阻斷劑(合理即可)

【命題意圖】本試題主要測(cè)試“生命觀念”和“科學(xué)探究”的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng),要求學(xué)生能夠從結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的視角,解釋細(xì)胞由多種多樣的分子組成,這些分子是細(xì)胞執(zhí)行各項(xiàng)生命活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)(生命觀念、科學(xué)思維);結(jié)合日常生活中的情境,分析說(shuō)明人體通過(guò)神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)內(nèi)外環(huán)境的變化作出反應(yīng),以維持內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)(生命觀念、科學(xué)思維)。

本題以水和離子通道蛋白的真實(shí)科學(xué)探索歷程為線索,結(jié)合高中生物學(xué)實(shí)際教學(xué)情況,圍繞細(xì)胞膜上蛋白質(zhì)在物質(zhì)運(yùn)輸過(guò)程中的功能展開(kāi),展現(xiàn)研究過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果,創(chuàng)設(shè)了真實(shí)的測(cè)試情境,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)基于教材與文中信息獲取的試題作為測(cè)試任務(wù),有利于培養(yǎng)學(xué)生的結(jié)構(gòu)功能觀和科學(xué)思維。

基于以上測(cè)試宗旨,設(shè)計(jì)三個(gè)方面的實(shí)際問(wèn)題:細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)與功能,細(xì)胞的物質(zhì)輸入和輸出方式,神經(jīng)調(diào)節(jié)過(guò)程。要求學(xué)生在理解細(xì)胞膜上蛋白質(zhì)的功能、離子進(jìn)出對(duì)膜電位影響的基礎(chǔ)上,靈活運(yùn)用生物學(xué)知識(shí)和文本信息進(jìn)行作答,試題充分體現(xiàn)了在真實(shí)情境中設(shè)計(jì)測(cè)試任務(wù)的特點(diǎn)。

本題的作答要求學(xué)生運(yùn)用頭腦中已有的知識(shí)及文本中新提供的信息來(lái)解決真實(shí)情境的問(wèn)題,這些知識(shí)包括:細(xì)胞膜的功能及膜上蛋白質(zhì)的功能[第(1)小題];細(xì)胞的物質(zhì)輸入和輸出方式中自由擴(kuò)散的特點(diǎn)[第(2)小題];氯離子通道的功能缺陷導(dǎo)致肌肉持續(xù)性收縮從而出現(xiàn)先天性肌強(qiáng)直[第(3)小題]。

2.學(xué)生作答情況分析

第(1)小問(wèn)的兩個(gè)空考查的都是細(xì)胞膜的功能,第2個(gè)空的得分情況明顯好于第1個(gè)空,說(shuō)明部分學(xué)生在后面有提示或有限定詞時(shí)能夠推理出答案,這也說(shuō)明這些學(xué)生的思考水平大于記憶水平。

3.備考建議

3.1 依托教材,立足基礎(chǔ),聚焦核心主干知識(shí)和學(xué)科能力

教學(xué)過(guò)程中,要基于教材,依據(jù)學(xué)生水平選擇不同層次的素材。做好“用教材教,而不是教教材”的工作。新教材中更新了很多新的資料和素材,教學(xué)中首先要利用好教材中的素材,在此基礎(chǔ)上做適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充,選擇一些適合學(xué)生認(rèn)知水平的科學(xué)文本素材,創(chuàng)設(shè)適合的情境進(jìn)行生物學(xué)核心主干概念的教學(xué)。加工素材過(guò)程需要去除素材中過(guò)于晦澀的名詞,對(duì)過(guò)于復(fù)雜的關(guān)系進(jìn)行簡(jiǎn)化,對(duì)于新的技術(shù)成果要注重結(jié)果的解讀,同時(shí)略去實(shí)際技術(shù)層面的內(nèi)容,避免給學(xué)生帶來(lái)無(wú)謂的負(fù)擔(dān),利用素材進(jìn)行情境教學(xué)是手段不是目的,不能把“學(xué)習(xí)的過(guò)程”轉(zhuǎn)變成為了“學(xué)會(huì)新的知識(shí)”。

生物學(xué)科知識(shí)點(diǎn)較多且背景復(fù)雜,靈活性強(qiáng),死記硬背學(xué)不好也拿不到高分。復(fù)習(xí)過(guò)程中教師要基于生物學(xué)學(xué)科大概念進(jìn)行復(fù)習(xí)課的整體教學(xué)設(shè)計(jì),明確單元(或?qū)ｎ})教學(xué)目標(biāo)和細(xì)化課時(shí)目標(biāo)。課堂上應(yīng)強(qiáng)化知識(shí)間的內(nèi)在聯(lián)系,幫助學(xué)生理解重要概念,加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的深入理解和遷移應(yīng)用能力,助力生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的達(dá)成,提高復(fù)習(xí)效率,決不能將高三復(fù)習(xí)課變成新授課的壓縮版。復(fù)習(xí)過(guò)程中,可引導(dǎo)學(xué)生利用概念圖的方式將學(xué)科內(nèi)的相關(guān)知識(shí)組織在一個(gè)有序的網(wǎng)絡(luò)圖中,利用文字+箭頭+連接詞的方式,將零散的知識(shí)有效連接,幫助學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)整體把握,以便學(xué)生在面對(duì)新情境、復(fù)雜問(wèn)題時(shí)能夠系統(tǒng)性的思考問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)真實(shí)情境下解決問(wèn)題時(shí)對(duì)大概念能夠用得上、用得好。

3.2 深入領(lǐng)會(huì)學(xué)科本質(zhì),結(jié)合學(xué)科科技前沿,著力提升應(yīng)用實(shí)踐能力和學(xué)習(xí)能力

啟迪考生像科學(xué)家一樣思考,是北京等級(jí)考生物試題的鮮明特色。試題根據(jù)學(xué)科前沿科研成果,提供真實(shí)的科研情境,設(shè)置階梯式任務(wù),對(duì)考生從學(xué)習(xí)理解能力到創(chuàng)新能力進(jìn)行全面的考查。

教師在教學(xué)中要帶領(lǐng)學(xué)生通過(guò)閱讀科學(xué)文章來(lái)逐漸提升對(duì)新素材、新情境的適應(yīng)能力和文本信息的學(xué)習(xí)能力。科學(xué)雜志、科學(xué)紀(jì)錄片都是良好的資料來(lái)源。利用這些資料進(jìn)行生物學(xué)科文本閱讀訓(xùn)練,引導(dǎo)學(xué)生“學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)”,逐步提升學(xué)生的“科學(xué)表述”能力。可適當(dāng)為學(xué)生提供開(kāi)放性的問(wèn)題情境,訓(xùn)練學(xué)生獲取、處理、分析信息的能力,加強(qiáng)將新信息與已學(xué)知識(shí)整合的能力,有意識(shí)地為學(xué)生提供相對(duì)充裕的時(shí)間和空間,給學(xué)生更多的表達(dá)機(jī)會(huì),同時(shí)為他們提供作答開(kāi)放性試題的策略與方法,引導(dǎo)學(xué)生“學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)”,逐步提升學(xué)生的“科學(xué)表述”能力。

3.3 加強(qiáng)情境創(chuàng)設(shè),結(jié)合生產(chǎn)生活實(shí)際,將高階思維能力的訓(xùn)練落到實(shí)處