促進認知發展的生物學試題設計與分析
——以“ATP”為例

張登華 李 美

(山東省東營市墾利第一中學)

本文以“ATP”為例,在生物學復習過程深入挖掘知識的認知價值,嘗試編制兩道與學生認知發展功能相匹配的試題,以期讓試題成為學生運用學科知識分析和解決實際問題的載體,與課堂教學相結合,幫助學生遷移運用所學知識,促進認知發展,提升生物學學科核心素養。

1.基于認知發展的生物學習題設計

ATP被稱為細胞的能量“貨幣”,除了承擔著細胞內眾多耗能反應的能量供應外,還承擔著諸如作為嘌呤能信號分子、神經遞質、RNA合成的原料等其他重要功能。借助對ATP功能的認知發展進程分析來命題,突破必修和選擇性必修模塊之間的界限,創新試題的情境和設問角度,讓學生在分析和解決生物學問題中提升綜合運用知識的能力水平,突破認知局限。

試題1.細胞內耗能反應多數來源于ATP水解釋放的能量。例如,保衛細胞膜上的質子泵通常為ATP酶,利用催化ATP水解釋放的能量,將H+分泌到細胞外,使保衛細胞內pH增大,驅動細胞膜上鉀離子通道將K+運入保衛細胞,導致滲透壓升高,吸收水分,氣孔張開。回答以下問題:

(1)細胞中的ATP在酶的作用下,被脫去兩個磷酸基團后的化合物名稱是________,據此推測細胞中ATP在RNA等物質的合成過程中的作用有________(答出兩點即可)。

(2)研究發現,利用低濃度藥物將保衛細胞的光反應阻斷后,其細胞膜上的質子泵轉運質子的能力大大降低,而對其他離子和分子的運輸能力影響不大。據此推測可能的原因是________。

(3)保衛細胞膜上質子泵的作用是________,ATP水解釋放的磷酸基團能夠使這些蛋白質發生磷酸化,引起其________的變化,活性也被改變,因而參與各種化學反應。

(4)(根據2018年江蘇卷改編)圖1為某植物葉肉細胞中甲、乙兩種細胞器的部分物質及能量代謝途徑示意圖。

圖1

①據圖推測NADPH中的能量最終可在乙的________(填場所)轉移到ATP中。

②乙產生大量ATP的場所是________,分析這些ATP在被甲利用時,可參與的代謝過程可能有________(答出三點即可)。

參考答案(1)腺嘌呤核糖核苷酸 作為RNA合成的原料、作為RNA合成過程中的能源物質 (2)光反應產生的ATP為保衛細胞膜上的質子泵分泌H+提供能量 (3)催化和運輸作用 空間結構 (4)①內膜上 ②(乙的)內膜上 C3還原、酶的合成、物質運輸

試題2.研究表明,ATP可作為神經細胞間傳遞信息的信號分子。ATP在不同組織上所產生的生理效應主要與受體類型有關。圖2為嘌呤能神經—肌肉接點ATP的合成、儲存、釋放、失活以及發揮作用的過程示意圖。回答下列問題:

圖2

(1)研究發現,與P2Y、P1受體不同,P2X受體屬于離子通道型受體。胞外ATP與靶細胞膜上P2X受體結合引發后者膜電位發生的主要變化是________,這種變化主要與________等離子的跨膜運輸有關。

(2)神經細胞釋放ATP的方式為________,胞外ATP在系列酶的作用下可以被分解為腺苷,據圖2分析腺苷的去向是________。

(3)一些神經細胞不僅能釋放典型神經遞質,還能釋放ATP,兩者均能引起受體細胞的膜電位變化。結合圖2分析,科學家當初推測ATP可作為細胞間傳遞信息的信號分子的實驗思路是________。

(4)研究發現,胞外ATP作為一種嘌呤能信號物質卻能夠產生不同的生物學效應,原因是________。

(5)ATP在人體生命活動中的作用有________(答出3種作用即可)。

參考答案(1)由外正內負變為外負內正 Na+(2)胞吐 被神經細胞吸收重新合成ATP;作用于突觸前膜上的P1受體,調節遞質的釋放;被腺苷脫氨酶進一步分解為肌苷,進入血液循環加以清除;與突觸后膜上P1受體結合,發揮生理效應 (3)利用化學物質阻斷突觸內其他典型神經遞質與相應受體的結合后,發現靶細胞仍能接受到部分神經信號,隨后在靶細胞膜上尋找到與ATP結合的受體 (4)ATP與靶細胞膜上不同類型的受體結合,進而產生了不同的生物學效應 (5)作為細胞生命活動的直接能源物質、作為神經遞質傳遞信息、作為RNA合成的原料和能源物質

2.基于認知發展的試題設計分析

2.1 問題情境應植入新知識,促進突破學習局限

“圖文信息的有效獲取和分析處理能力”是近年來高考的首要考查目標,而問題情境是實現考查目標的有效載體,也是體現試題素養導向的重要途徑。它要求學生具備能夠從多種情境中捕獲關鍵信息,并與已有知識整合、重組新知識的能力。在情境中植入新知識已成為近年來試題命制的新常態,一方面可以考查學生的信息素養,另一方面又可以測試學生的學習能力。

對學生來說,ATP的功能是細胞的能量“貨幣”,驅動細胞生命活動的直接能源物質。除此之外,ATP具有嘌呤能神經遞質、作為RNA合成的原料、細胞內信號調節分子等功能屬于全新的知識。試題1和試題2圍繞ATP作為RNA合成的原料、作為嘌呤能信號分子創設情境,要求學生分析ATP作為細胞間的一種信號物質產生不同生理效應的原因。從學習的角度看,此類試題不但可以幫助學生突破學習局限,還能通過解答問題開拓新視野。從這個意義上講,問題的解決過程不再是溫故,而是新的學習的延續,對促進學生突破單一知識的學習局限、激發科學探究的創新意識具有重要意義。

2.2 設問角度應創新知識考查視角,促進突破認知局限

“穩定、變化、創新”是高考試題的永恒主題。其中的變化主要包括考點的變化和知識考查視角的變化。后者不但能夠實現命題思想的創新,還能夠將學生的思維深度通過應答活動加以展現。因此,在平常試題練習中應該注重相同考點不同視角的問題設計,從而引導學生從新的角度審視和思考問題,提升思維深度。

同樣是考查ATP的利用,試題1第(2)小題給出用藥物阻斷保衛細胞的光反應,細胞膜上質子泵轉運質子的能力降低的信息,據此推測可能的原因;第(4)小題給出某植物葉肉細胞中葉綠體和線粒體兩種細胞器的部分物質及能量代謝途徑示意圖的信息,要求學生分析細胞呼吸產生的ATP可參與光合作用的哪些代謝過程。這種創新問題視角的設計完全突破了教材束縛,要求學生突破對ATP利用等知識的認知局限,準確把握試題信息的含義,在新情境中解決問題。可以說,這樣設計問題的角度是對教材知識的另一種深度挖掘。這啟示我們在平時的教學中,圍繞一個知識主題須從不同的視角進行研判,通過創新設計同一知識不同視角的問題,引導學生注重生物學概念研習和深度理解,引導教學回歸學科基礎,避免盲目刷題,促進學生突破認知局限。

2.3 促進學生認知發展的試題應具有一定的開放度

具有一定開放度的試題能夠開拓學生思維,促進認知發展。試題1的第(1)小題第2空、第(4)小題第3空,這些問題都具有較高的開放度,可以更好地檢驗學生運用概念體系和發散性思維進行知識的遷移應用能力。又如,試題2的第(2)小題第2空、第(3)小題,這些問題能夠引導學生從不同角度尋找解決問題的方法,同時也能夠培養學生的發散性思維和創新性思維。缺乏說明論證、系統設計、推斷預測等開放度較大的能力訓練,對促進學生的認知發展不無弊端。

此外,通過具有一定開放度的試題訓練可以暴露學生學習過程中存在的問題,有利于教師作出診斷,制訂或調整后續教學內容和教學目標,還能夠為學生提供更為廣闊的學習空間,促進其認知發展。

綜上所述,促進學生認知發展的生物學試題設計應深入挖掘知識的認知價值。試題情境、設問角度、能力水平等應基于課堂知識的同時又高于課堂;情境設置與設問角度應盡量突破傳統模式,拓展學生知識認知層面,引導學生學會從“解題”到“解決問題”的方向發展,提高其發散思維和知識遷移能力。