指向生物学科关键能力的“光合作用”原创试题命制

安徽 孙影芝 禹 萍

关键能力是指即将进入高等学校的学习者在面对与学科相关的生活实践情境或学习探索情境时，高质量地认识问题、分析问题、解决问题所必须具备的能力。它是生物学学科核心素养的要求之一，又是《中国高考评价体系》(以下简称《评价体系》)“四层”的考查内容之一。全国卷高考试题看似简单、平稳、温和，考查的内容多源于教材，但考查方式却高于教材，处处渗透着对关键能力的考查。光合作用是地球上最重要的生命活动，是高中生物学学习的重点，也是难点，其内容多而复杂，各地高考题中都能看到它的身影。基于此，笔者在原创命题研究中，采用真实新颖的情境作为载体，以培养学生归纳与概括、分析与综合、演绎与推理等综合应用能力，考查学生的知识获取能力和思维认知能力等关键能力为落脚点，编制了一道关于光合作用的高三模考试题。

1.原创试题展示

1.1 原创试题

光合作用受多种因素影响，为探究高浓度CO2下氮素供应形式对植物光合作用的影响，研究人员以武运粳稻为实验材料，在人工气候室利用无土栽培技术进行了相关实验，部分结果如表1所示。请回答有关问题。

表1

(1)无土栽培在配制培养液时，除了考虑各种矿质元素的种类和比例外，为保证植物正常生长，还需要考虑_______________等理化指标。(答出两点即可)

(2)表中X处理措施应为___________。

据表分析，能够显著提高该水稻净光合速率的氮素形态是________。据表中数据，从光合作用的角度分析，该种形式的氮素使净光合速率提高的原因可能是____________。

(3)光合作用的产物有一部分可转化成蔗糖，钾离子能促进蔗糖从叶片运至果实。以灌浆期的水稻作为实验材料，用同位素标记技术设计实验验证钾离子上述作用。

请完善以下实验思路并预期结果：

实验思路：

①将生长状况一致的水稻平均分成两组，编号A、B；

②A组供应较低浓度的钾离子，B组提供适宜浓度的钾离子；

③将A、B两组水稻置于同一人工气候室中培养，通入________，一段时间后检测________________。

预期结果：___________________________。

1.2 参考答案与评分细则

(1)pH、渗透压、温度、溶氧量等(2分，任答出两点即可)

(2)大气CO2浓度+氨态氮(1分) 氨态氮(1分) 有利于光合作用有关酶的合成(或者提高光合作用有关酶的活性或有利于光合产物的运输)(2分)

(3)14CO2(1分) A、B两组植株叶片和籽粒的放射性(2分)

若叶片放射性A大于B，籽粒放射性A小于B，则可验证这一观点(2分)

2.试题命制背景和意图

2.1 素材来源

真实的情境能调动学生在解决问题中运用生物学必备知识和关键能力的能力。本题的素材主要来自学术期刊中的两篇关于光合作用的科研论文。笔者在阅读文献时发现，这两篇论文的内容、方法与学生的认知贴近，又高于学生的知识经验，于是选取论文中学生可以理解的内容、数据等，按照《评价体系》中“四翼”的考查要求，将论文的内容进行删改、拆分和重组。试题情境具有适度的复杂性，信息充分又相对简明。在题目设问上，力求做到新颖、科学、规范，指向关键能力的不同方向和水平。

2.2 素材分析

两篇科研论文中涉及很多与光合作用有关的生物学概念以及研究方法，笔者从中找出蕴含的科学知识和概念，进行分析和研究后绘制出如图1所示的概念图。

图1

学生对植物生命的认识往往是碎片化的，在他们的认知结构中，光合作用、渗透作用、主动运输往往是一个个孤立的生理过程，通过图1，学生能清楚地了解绿色植物各器官之间的分工与联系，直观地了解绿色植物与外界环境之间的关系，深入理解生命系统是一个统一的整体，有利于建立生命的系统观。

3.指向关键能力的命题目标分析

3.1 考查知识获取能力的问题设置

经过素质教育的培养，知识获取能力强的学习者应当能够阅读和理解学科的各种主要文本、基本符号，能够客观、全面地获取相关信息，能够从情境中提取有效信息；能够准确概括和描述学科所涉及的基本现象特征及其相互关系，并从中发现问题；能够透过现象看到本质，发现隐含的规律或原理；能够对学科基本知识进行结构化理解，形成学科知识网络。本题通过设置第(1)小题、第(2)小题①②问，考查学生知识获取能力。

第(1)小题，考查学生对植物生存所需环境条件的认知。无土栽培过程中，水稻通过根系从培养液中吸收水分和无机盐，细胞渗透吸水，那么培养液的渗透压要小于细胞液；植物吸收无机盐的方式主要是主动运输，充足的O2供应有利于能量的供应。由此学生就能够根据题目中的有效信息，提炼出隐含的概念和原理，归纳得出正确结论。

第(2)小题，设问①要求学生能够根据表格中的信息对实验自变量做出判断，根据实验设计的单一变量原则，得出X条件应为大气CO2浓度和氨态氮。设问②要求学生能够从复杂的实验数据中找到关键因素，相同大气CO2浓度下，氨态氮组比硝态氮组净光合速率更高，从而做出正确判断。

3.2 考查思维认知能力的问题设置

“思维认知能力”是指学习者在面对生活实践或问题情境时，发现新问题、运用新方法、解决新问题、获得新结论的过程中表现出来的思维能力，是激发个体好奇心、想象力、塑造创新人格所必须具备的能力基础。

发散思维、逆向思维、批判思维是创新思维的重要特征。第(2)小题的第③问，把光合作用的重要概念融入到问题情境中，要求学生通过敏锐的洞察力，从图表中获取硝态氮条件下叶绿素含量高于氨态氮组，但净光合速率却低于氨态氮组这一关键信息，从而发现新问题，激发新的思考，摆脱叶绿素含量高，光合速率就高的思维定式的束缚，得出新结论。解题思路如图2所示。

图2

本题需要学生有较强的归纳概括能力、演绎推理能力、批判性思维能力、辩证思维能力，才能够独立思考，逻辑思辨，大胆地提出有创造性的看法，得出正确结论。

3.3 考查学生实践操作能力的问题设置

“实践操作能力”是指学习者在面对生活实践情境或学习探索情境时，进行学以致用的学科认知操作和行动操作的过程中表现出的稳定的个性心理特征，是理论联系实际所必须具备的能力基础。主要包括：实验设计能力、数据处理能力、信息转化能力、动手操作能力、应用写作能力、语言表达能力，合作创新能力等。

实验探究能力是生物学自然科学属性的鲜明体现，近些年全国卷高考每年都有凸显生物学的科学课程属性的试题出现。第(3)小题的问题设置，正是基于此目的，让学生在新情境中选择实验材料，设计并完善相关方案，考查学生实验设计能力和语言表达能力。为降低难度，本题以填空题的形式呈现。

同位素标记法是生物科学研究中的重要方法，必修 1教材中有三个经典实验。通过这些实验的学习，学生已经知道这种方法可以追踪物质的运行轨迹。

基本步骤及解题思路：

①选择标记元素

追踪光合产物糖类的运行轨迹，可选择14C标记糖类，因此为水稻提供14CO2。

②检测放射性物质出现的位置及放射性强度

若K+有利于光合作用产物从源器官运往库器官，则与对照组相比，K+浓度增加组，库器官的放射性应更强。

4.答题情况分析

4.1 试题得分情况

本题作为安徽省马鞍山市理科综合模拟考试第29题，10 378名学生参与测试，获得数据如表2所示。

表2

4.2 答题情况分析及教学建议

从考试结果看，整题区分度为0.27，区分效果一般。第(3)小题均分较低，但区分效果较好，说明实验设计确实能检测学生的科学思维及实验探究能力。第(2)小题难度系数在正常范围内。本题问题指向明确，但是区分度不能达到要求，推测可能原因有两个：一是理科综合答题时间紧，学生未能细致准确地审题；二是为追求题目简洁，试题中引导性的关键语句不够。如果修改为“氮素可用于合成与光合作用有关的多种物质，实验数据表明，高浓度CO2下氨态氮组比硝态氮组叶绿素含量低，但是净光合速率却比较高，从光合作用的角度分析，原因可能是____________。”

通过有效引导，激发学生思维，本题的难度系数会降低，区分度会更好。

高考需为高校选拔人才服务，因此高考试题必须保证具有一定的难度及区分度，强化能力立意。社会发展变化对人才提出了新要求，高考加大了对学生在信息时代应具有的阅读能力、获取信息的能力和思辨能力的考查。“价值引领，素养导向，能力为重，知识为基”，这是新时代高考命题的新理念。基于此，今后在日常教学和复习备考时，笔者认为应做好以下几点：第一，要以知识为基，重视生物学基本概念的学习，必备知识是提升关键能力的基础。在基本概念、原理与方法的基础上构建整体知识框架，从而深入理解知识之间的内在联系，形成完整的知识结构。第二，要充分利用教材，适当拓展教材，特别是要用好教材中的经典实验。例如分泌蛋白的合成和运输实验、光合作用发现历程中的卡尔文实验等，这些都是科学事实的最好材料，教学时应在对这些实验再认识的基础上，强化科学思维与方法的训练。第三，要重视科学思维的培养，注意思维严谨性和表达准确性的训练。例如原因阐释类问题，一般是在题目中找到与问题有关的条件信息，然后建立问题与条件之间的联系，一般要经历具体(题目信息)—抽象(概念原理)—具体(问题结论)的过程，再用简洁而准确的语言表达，这样回答问题就不会犯下空说理论的错误。第四，要聚焦问题情境。教师要引领学生运用所学知识在情境中解决问题，实现知识的迁移应用。用聚焦社会问题的情境培养学生的科学探究能力和社会责任意识，用聚焦科技问题的情境提升学生的创新能力，用聚焦生活问题的情境培养学生将对生活世界的感知转化为生物概念。

生物学课程，既以提高学生生物学学科核心素养为宗旨，也是树立社会主义核心价值观、落实立德树人根本任务的重要载体。没有知识和能力，就没有学科核心素养的形成。评价作为教育的一个基本环节，具有重要的导向作用。在试题命制时，也应坚持以学生的发展为本，以学科课程内容为依据，聚焦学科核心素养，以提升学生关键能力，尤其应以培养学生的思辨、创新等高阶思维能力为目标。