促进认知发展的生物学试题设计与分析——以“ATP”为例

张登华 李 美

(山东省东营市垦利第一中学)

本文以“ATP”为例,在生物学复习过程深入挖掘知识的认知价值,尝试编制两道与学生认知发展功能相匹配的试题,以期让试题成为学生运用学科知识分析和解决实际问题的载体,与课堂教学相结合,帮助学生迁移运用所学知识,促进认知发展,提升生物学学科核心素养。

1.基于认知发展的生物学习题设计

ATP被称为细胞的能量“货币”,除了承担着细胞内众多耗能反应的能量供应外,还承担着诸如作为嘌呤能信号分子、神经递质、RNA合成的原料等其他重要功能。借助对ATP功能的认知发展进程分析来命题,突破必修和选择性必修模块之间的界限,创新试题的情境和设问角度,让学生在分析和解决生物学问题中提升综合运用知识的能力水平,突破认知局限。

试题1.细胞内耗能反应多数来源于ATP水解释放的能量。例如,保卫细胞膜上的质子泵通常为ATP酶,利用催化ATP水解释放的能量,将H+分泌到细胞外,使保卫细胞内pH增大,驱动细胞膜上钾离子通道将K+运入保卫细胞,导致渗透压升高,吸收水分,气孔张开。回答以下问题:

(1)细胞中的ATP在酶的作用下,被脱去两个磷酸基团后的化合物名称是________,据此推测细胞中ATP在RNA等物质的合成过程中的作用有________(答出两点即可)。

(2)研究发现,利用低浓度药物将保卫细胞的光反应阻断后,其细胞膜上的质子泵转运质子的能力大大降低,而对其他离子和分子的运输能力影响不大。据此推测可能的原因是________。

(3)保卫细胞膜上质子泵的作用是________,ATP水解释放的磷酸基团能够使这些蛋白质发生磷酸化,引起其________的变化,活性也被改变,因而参与各种化学反应。

(4)(根据2018年江苏卷改编)图1为某植物叶肉细胞中甲、乙两种细胞器的部分物质及能量代谢途径示意图。

图1

①据图推测NADPH中的能量最终可在乙的________(填场所)转移到ATP中。

②乙产生大量ATP的场所是________,分析这些ATP在被甲利用时,可参与的代谢过程可能有________(答出三点即可)。

参考答案(1)腺嘌呤核糖核苷酸 作为RNA合成的原料、作为RNA合成过程中的能源物质 (2)光反应产生的ATP为保卫细胞膜上的质子泵分泌H+提供能量 (3)催化和运输作用 空间结构 (4)①内膜上 ②(乙的)内膜上 C3还原、酶的合成、物质运输

试题2.研究表明,ATP可作为神经细胞间传递信息的信号分子。ATP在不同组织上所产生的生理效应主要与受体类型有关。图2为嘌呤能神经—肌肉接点ATP的合成、储存、释放、失活以及发挥作用的过程示意图。回答下列问题:

图2

(1)研究发现,与P2Y、P1受体不同,P2X受体属于离子通道型受体。胞外ATP与靶细胞膜上P2X受体结合引发后者膜电位发生的主要变化是________,这种变化主要与________等离子的跨膜运输有关。

(2)神经细胞释放ATP的方式为________,胞外ATP在系列酶的作用下可以被分解为腺苷,据图2分析腺苷的去向是________。

(3)一些神经细胞不仅能释放典型神经递质,还能释放ATP,两者均能引起受体细胞的膜电位变化。结合图2分析,科学家当初推测ATP可作为细胞间传递信息的信号分子的实验思路是________。

(4)研究发现,胞外ATP作为一种嘌呤能信号物质却能够产生不同的生物学效应,原因是________。

(5)ATP在人体生命活动中的作用有________(答出3种作用即可)。

参考答案(1)由外正内负变为外负内正 Na+(2)胞吐 被神经细胞吸收重新合成ATP;作用于突触前膜上的P1受体,调节递质的释放;被腺苷脱氨酶进一步分解为肌苷,进入血液循环加以清除;与突触后膜上P1受体结合,发挥生理效应 (3)利用化学物质阻断突触内其他典型神经递质与相应受体的结合后,发现靶细胞仍能接受到部分神经信号,随后在靶细胞膜上寻找到与ATP结合的受体 (4)ATP与靶细胞膜上不同类型的受体结合,进而产生了不同的生物学效应 (5)作为细胞生命活动的直接能源物质、作为神经递质传递信息、作为RNA合成的原料和能源物质

2.基于认知发展的试题设计分析

2.1 问题情境应植入新知识,促进突破学习局限

“图文信息的有效获取和分析处理能力”是近年来高考的首要考查目标,而问题情境是实现考查目标的有效载体,也是体现试题素养导向的重要途径。它要求学生具备能够从多种情境中捕获关键信息,并与已有知识整合、重组新知识的能力。在情境中植入新知识已成为近年来试题命制的新常态,一方面可以考查学生的信息素养,另一方面又可以测试学生的学习能力。

对学生来说,ATP的功能是细胞的能量“货币”,驱动细胞生命活动的直接能源物质。除此之外,ATP具有嘌呤能神经递质、作为RNA合成的原料、细胞内信号调节分子等功能属于全新的知识。试题1和试题2围绕ATP作为RNA合成的原料、作为嘌呤能信号分子创设情境,要求学生分析ATP作为细胞间的一种信号物质产生不同生理效应的原因。从学习的角度看,此类试题不但可以帮助学生突破学习局限,还能通过解答问题开拓新视野。从这个意义上讲,问题的解决过程不再是温故,而是新的学习的延续,对促进学生突破单一知识的学习局限、激发科学探究的创新意识具有重要意义。

2.2 设问角度应创新知识考查视角,促进突破认知局限

“稳定、变化、创新”是高考试题的永恒主题。其中的变化主要包括考点的变化和知识考查视角的变化。后者不但能够实现命题思想的创新,还能够将学生的思维深度通过应答活动加以展现。因此,在平常试题练习中应该注重相同考点不同视角的问题设计,从而引导学生从新的角度审视和思考问题,提升思维深度。

同样是考查ATP的利用,试题1第(2)小题给出用药物阻断保卫细胞的光反应,细胞膜上质子泵转运质子的能力降低的信息,据此推测可能的原因;第(4)小题给出某植物叶肉细胞中叶绿体和线粒体两种细胞器的部分物质及能量代谢途径示意图的信息,要求学生分析细胞呼吸产生的ATP可参与光合作用的哪些代谢过程。这种创新问题视角的设计完全突破了教材束缚,要求学生突破对ATP利用等知识的认知局限,准确把握试题信息的含义,在新情境中解决问题。可以说,这样设计问题的角度是对教材知识的另一种深度挖掘。这启示我们在平时的教学中,围绕一个知识主题须从不同的视角进行研判,通过创新设计同一知识不同视角的问题,引导学生注重生物学概念研习和深度理解,引导教学回归学科基础,避免盲目刷题,促进学生突破认知局限。

2.3 促进学生认知发展的试题应具有一定的开放度

具有一定开放度的试题能够开拓学生思维,促进认知发展。试题1的第(1)小题第2空、第(4)小题第3空,这些问题都具有较高的开放度,可以更好地检验学生运用概念体系和发散性思维进行知识的迁移应用能力。又如,试题2的第(2)小题第2空、第(3)小题,这些问题能够引导学生从不同角度寻找解决问题的方法,同时也能够培养学生的发散性思维和创新性思维。缺乏说明论证、系统设计、推断预测等开放度较大的能力训练,对促进学生的认知发展不无弊端。

此外,通过具有一定开放度的试题训练可以暴露学生学习过程中存在的问题,有利于教师作出诊断,制订或调整后续教学内容和教学目标,还能够为学生提供更为广阔的学习空间,促进其认知发展。

综上所述,促进学生认知发展的生物学试题设计应深入挖掘知识的认知价值。试题情境、设问角度、能力水平等应基于课堂知识的同时又高于课堂;情境设置与设问角度应尽量突破传统模式,拓展学生知识认知层面,引导学生学会从“解题”到“解决问题”的方向发展,提高其发散思维和知识迁移能力。