分析关键能力 破解情境化试题——以“神经调节”为例

温淑清 张佳会

(黑龙江省哈尔滨市第一中学校)

情境在基于核心素养理念的学科教学中被赋予新的使命,学生核心素养的形成以及评价都离不开情境,因此情境化试题在高考中所占比例逐渐增加。关键能力是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或学习探索问题情境时,高质量地认识问题、分析问题、解决问题所必须具备的能力。《中国高考评价体系》确立了符合考试评价规律的三个方面的关键能力群:知识获取能力群;实践操作能力群;思维认知能力群。神经调节在高中生物学中是重点内容,由于学生对动物生理情境的背景知识不熟悉,无法正确理解出题者意图及所考查的知识。本文利用神经调节中的相关情境,结合关键能力群,整理出三大类题型的解题策略。

1.知识获取类

试题信息大多蕴含在图表中,学生在识图读表过程中要不断提高自身的信息获取能力。对于图表信息类的解题策略主要为读取图形、曲线、表格中信息的内涵,理解其具体的实验操作过程,依据所学的理论知识,结合信息中的变化,找准突破口。

【例1】电表与神经纤维的连接方式如图1所示,图2是在箭头处施加一定的刺激后,根据电表指针的变化做出的曲线图。下列有关叙述不正确的是

( )

图1

图2

A.刺激前,图1中a、b两处膜内K+浓度均比膜外高

B.若减小ab间距离为0,则刺激后电表指针不偏转

C.若将ab中点切断,则刺激后电表指针只发生一次偏转

D.若将a处电极移至膜外,则电表指针变化与图2不同

试题分析：本题以电表指针偏转及相关曲线为背景,考查学生的曲线读取能力、信息整理能力。学生首先要理解电表指针偏转的原因及方向:指针由正电位向负电位偏转。当电表两极均连接膜外时,在箭头处施加刺激,指针将先向左再向右,进行两次方向相反的偏转;当电表两极分别连接膜外和膜内时(如图1),在箭头处施加刺激,指针将向右偏转两次,即两次方向相同的偏转。

参考答案：B

解析：刺激前,图1中a、b两处都为静息电位,而静息电位产生的机理是K+外流,并且其运输方式为协助扩散,因此a、b两处膜内K+浓度均比膜外高,A正确;若减小ab间距离为0,但电表的两极仍分别连接膜外和膜内,则刺激后膜电位从外正内负变为外负内正,电表两极由于电位差的存在,仍会有电荷的移动,因此电表指针也会发生偏转,B错误;若将ab中点切断,在箭头处施加刺激,产生的兴奋只能传导到a点,b点不能兴奋,因此电表指针发生一次偏转,C正确;分析可知,图1中电表指针偏转2次的方向是相同的,而若将a处电极移至膜外,则电表指针将发生两次方向相反的偏转,D正确。

【例2】研究显示气味会导致鼻孔气体吸入量变化,但与声音无关。研究显示在睡眠过程中,多次给予诸如狗叫声—愉悦气味或猫叫声—厌恶气味强化后,所形成的条件反射即使在醒来后依然存在。下表组合中最能证明声音和气体吸入量间建立了条件反射的是

( )

组别①②③④处理方式狗叫声猫叫声狗叫声猫叫声公鸡声母鸡声愉悦气味厌恶气味与无气味时气体吸入量比值1.01.01.50.81.01.01.60.7

A.①③ B.②③ C.①④ D.②④

试题分析：本题结合具体实验操作后的实验现象考查学生科学思维、科学探究素养,考生需要透过实验现象分析实验操作流程,才能从结果反推条件反射是否建立。从反射的建立过程角度分析,需经学习和训练而建立的为条件反射,与生俱来的反射为非条件反射。由题干可知:气味为非条件刺激,引起的反射为非条件反射,如组别④;平常的猫叫声、狗叫声、公鸡声、母鸡声为无关刺激,与鼻孔气体吸入量的变化无关,如组别①和③;而引起气味吸入量改变的猫叫声、狗叫声为条件刺激,已经建立条件反射,如组别②。当某种声音已经建立条件反射后,同时给实验对象两种声音,一种声音会引起气体吸入量变化,另一种声音不会引起气体吸入量变化。

参考答案：B

解析：由题干可知,鼻孔气体吸入量与声音无关,如果人体对狗叫声—愉悦气味或猫叫声—厌恶气味建立了条件反射,则当人体只听到狗叫声而无气味时,气体吸入量会增加,只听到猫叫声而无气味时,气体吸入量会减少;而其他声音,由于人体未对其建立条件反射,因此听到时气体吸入量不变。组别②说明人听到狗叫声时气体吸入量增多,听到猫叫声时气体吸入量减少,组别③证明其他声音对气体吸入量无影响,②③组合同时操作最能证明声音和气体吸入量间建立了条件反射;而组别①说明狗叫声和猫叫声对气体吸入量无影响,组别④所给予的刺激是气味,不能用以证明声音的影响。故B符合题意。

2.实践操作类

实践操作能力是学习者在面对生活实践或学习探索问题情境时,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。对于此类试题的解题要能够理解并想象操作过程,从实验者视角明确实验目的,进行实验操作,观察实验现象,分析形成现象的原因。

【例3】图3表示某动物反射弧的结构示意图,其中②～⑤表示细胞膜外的位点,可作为刺激点或电极的连接点,①⑥表示结构。请用电表等工具,据图进行以下实验。

图3

(1)验证兴奋在神经纤维中可以双向传导。你的实验方案是_____________________________________________________。

预期结果是_____________________________________________________。

(2)验证兴奋在神经元之间只能单向传递。你的实验方案是_____________________________________________________。

预期结果是_____________________________________________________。

试题分析：本题结合兴奋传导与传递的特点进行实验验证,要求学生书写实验方案并预测实验结果,重点考查学生实验设计能力、语言表达能力。兴奋在神经纤维上可以双向传导,条件通常有两个:一是神经纤维离体,二是刺激不位于神经元的两端。在突触部位由于神经递质只能由突触前膜释放,作用于突触后膜上的特异性受体,因此在突触部位兴奋的传递是单向的。若通过实验验证兴奋传导的特点,可以在神经纤维上给予适宜刺激,然后观察刺激点两侧的电位变化;若通过实验验证兴奋传递的特点,可以在突触后神经元上给予适宜刺激,观察突触前神经元是否有电位变化,同时观察突触后神经元控制的效应器是否有反应。

参考答案：(1)将电表的两个电极分别接在②处和④处,刺激③处,观察电表指针的偏转情况 电表指针出现两次偏转(且偏转的方向相反) (2)将电表的两个电极分别接在②处和③处,刺激⑤处,观察电表指针的偏转情况,同时观察⑥结构是否发生反应 电表指针不偏转,而⑥结构发生收缩

解析：(1)验证兴奋在神经纤维上可双向传导,需要选择在一条神经纤维上的某个实验位点进行刺激,观察两侧的电位变化。所以可以选择将电表的两个电极分别接在②处和④处,刺激③处,观察电表指针的偏转情况,由于③距④较近,所以④先产生兴奋,②后产生兴奋,电表指针出现先向右后向左的两次偏转。(2)验证兴奋在神经元之间只能单向传递,可以将电表的两个电极分别接在②处和③处,刺激⑤处(即突触后神经元),观察电表指针的偏转情况,同时观察⑥结构是否发生反应,结果是电表指针不偏转,而⑥结构发生收缩,说明兴奋在神经元之间单向传递。

【例4】分析以脊蛙(去除脑保留脊髓的蛙)为实验对象的相关实验并回答问题:

(1)坐骨神经是混合神经,既有传入神经纤维,又有传出神经纤维。现将含有一定浓度的可使神经麻醉的可卡因棉球放在脊蛙的坐骨神经处,过一会儿用稀硫酸刺激趾尖,无屈腿反射;这时,将蘸有稀硫酸的纸片贴在腹部,将出现搔扒反射,再过一段时间,搔扒反射也消失。推测可卡因对坐骨神经麻醉的顺序为_____________________________________________________。

(2)进行脊蛙屈腿反射实验时,刺激蛙左腿,左腿收缩,右腿也会收缩。说明左右屈腿反射弧的中枢存在某种联系。在一次制作脊蛙的过程中,某研究人员不小心伤到了蛙右侧大腿上的神经,但不知是传入神经还是传出神经,于是设计了如下实验方案进行探究:

①刺激蛙右腿,若右腿不收缩而左腿收缩,说明伤及的是________神经。

②刺激蛙右腿,若________________,则可初步判断伤及的是传入神经。但不知传出神经是否也同时受到伤害,请帮其设计实验加以探究。

实验思路:_____________________________________________________。

预期实验结果和结论:若_____________________________________________________,

则说明传出神经未受损伤;若_____________________________________________________,

则说明传出神经受损伤。

试题分析：本题结合麻醉药作用顺序以及受损后出现的特异性现象,通过实验操作的考查来评价学生的实验分析能力、动手操作能力等。实验类试题通常较为复杂,涉及新操作等众多新信息,但其本质都是对基础知识以及知识架构的考查,学生要读懂题干,准确找到问题的核心所在,运用所学的实验知识来加以解决。解题策略为明确实验目的、梳理实验思路、书写实验思路与步骤、分析实验现象,将相应的题干信息在脑海中形成完整的体系。

本题涉及坐骨神经,学生对该知识较为陌生,无法理解题意。由题干可知,坐骨神经上既有传入神经又有传出神经,则正常情况下刺激趾尖会出现屈腿反射。刺激腹部会出现搔扒反射,说明腹部的感受器会通过坐骨神经中的传出神经支配屈腿反射。

参考答案：(1)先麻醉传入神经,后麻醉传出神经 (2)①传出 ②左右腿均不收缩 刺激左腿,观察右腿是否收缩 右腿收缩 右腿不收缩

解析：(1)将含有一定浓度的可卡因棉球放在脊蛙的坐骨神经处,刺激趾尖无屈腿反射,说明可能是传入神经或传出神经被麻醉;将蘸有稀硫酸的纸片放在腹部,出现搔扒反射,说明传出神经正常,再过一段时间,搔扒反射也消失,说明传出神经被麻醉,据此推测可卡因对坐骨神经麻醉的顺序:先麻醉传入神经,后麻醉传出神经。(2)①刺激蛙右腿,若右腿不收缩而左腿收缩,说明右腿受到刺激产生的兴奋能传递到左腿的效应器,但不能传递到右腿的效应器。因此伤及的是传出神经。②若伤及的是传入神经,则刺激蛙右腿,左、右腿均不收缩。若要继续通过实验探究右腿的传出神经是否也受损,可刺激左腿(传入神经正常),观察右腿是否收缩。如果右腿的传出神经未受损,则右腿收缩;如果右腿的传出神经受损,则右腿不收缩。

3.思维认知类

思维认知能力是学习者在面对生活实践或学习探索问题情境时,进行学科认知加工的过程中表现出的稳定的个性心理特征,是学习者在秉持科学态度,运用严谨的理性思维和丰富的感性思维,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。该类试题的解决要求学生要学会独立思考,通过自己的逻辑思辨,发表有创造性的看法,将所学知识迁移到新情境,解决新问题,得出新结论。

【例5】图4表示受刺激后,某时刻一根轴突上A～H连续8个部位的膜电位,已知静息电位为-70 mV。以下说法错误的是

( )

图4

A.此动作电位沿着轴突由H向A传导

B.此时E部位膜外为负电位,膜内为正电位,Na+内流

C.短时间内G部位对外界刺激无反应

D.此时D部位细胞外钠离子浓度高于细胞内

试题分析：本题结合柱状图考查神经纤维兴奋过程中的电位曲线,突出培养学生的抽象思维能力、演绎推理能力,强化科学思维。本题的突破口为该坐标的X轴,表示轴突位置。与平时的电位曲线趋势类似,题中的A～H连续8个部位的膜电位依次对应图5的A:①—②、B:②—④、C:④、D:⑤、E:⑤—⑥、F:⑥—⑦、G:⑦—⑧、H:⑨。

图5

参考答案：B

解析：据题干以及试题分析可知,A部位还没有兴奋,G部位刚恢复负电位,因此该部位已经兴奋过,所以此动作电位沿着轴突由H向A传导,A正确;此时E部位对应⑤—⑥段,膜外为负电位,膜内为正电位,K+外流,B错误;G部位对应⑦—⑧段,膜电位低于静息电位,短时间内G部位对外界刺激无反应,C正确;无论什么部位神经细胞的细胞外钠离子浓度都高于细胞内,D正确。

【例6】神经细胞外的Ca2+对Na+的内流具有竞争性抑制作用,称为膜屏障效应,该机制能使神经细胞保持正常的兴奋性。某研究小组展开相关研究工作,请回答下列问题:

(1)血钙较低,肌肉易抽搐痉挛,其原因是__________________________________________________________________________________________________________。

(2)为验证膜屏障效应,研究小组首先用含有Ca2+、Na+、K+等离子的培养液培养蛙的坐骨神经—腓肠肌标本,对坐骨神经施加一定刺激,获得膜电位变化的模型(图6)。然后降低培养液中Ca2+的浓度,其他条件不变,重复实验。

图6

①图6曲线的获得,应采取图7中________(填“Ⅰ”或“Ⅱ”)所示的连接方式。若是图7中另一种连接方式,请画出理论上所获得的膜电位变化曲线。

图7

②为达实验目的,实验过程中,研究小组还需要测定_____________________________________________________。

(3)验证膜屏障效应后,研究小组去除培养液中全部的Ca2+,其他条件不变,然后对坐骨神经施加一定刺激,结果虽然神经纤维上能形成动作电位,但是腓肠肌未收缩。对轴突末梢的研究发现,其膜上有Ca2+的运输通道,突触小体中也有一定数量的突触小泡。据此推测Ca2+的作用是__________________________________________________________________________________________________________。

试题分析：本题通过膜屏障效应考查学生信息迁移能力。本题解题关键是理解题意:膜屏障效应是机体正常的现象,即机体神经细胞保持正常的兴奋性依靠Ca2+对Na+内流的竞争性抑制作用。若Ca2+含量较低,对Na+内流的抑制作用减弱,则会导致Na+内流增强,神经细胞过度兴奋,进而引起肌肉痉挛。若验证膜屏障效应,则自变量为细胞外Ca2+的含量或Ca2+的有无。因变量为Na+内流的量,因此需要测量Na+含量的变化。

参考答案：(1)Ca2+较少,对Na+内流的抑制作用减弱,神经细胞的兴奋性过强,很容易产生兴奋而使肌肉收缩 (2)①Ⅱ 如图8所示 ②膜内Na+含量的变化 (3)促进突触小泡和突触前膜融合,以释放神经递质

图8

解析：(1)肌肉抽搐是肌肉细胞持续兴奋导致的,由于Ca2+对Na+内流有抑制作用,所以Ca2+浓度较低时,抑制Na+内流的作用减弱,导致肌肉兴奋性增强。(2)图6曲线中开始为负电位,若为图7中Ⅰ所示的连接方式,曲线开始应为0电位,刺激从左侧开始,左侧先变为负电位,指针偏转一次,兴奋继续向右传导,右侧变为负电位,此时左侧已恢复为正电位,指针再发生一次方向相反的偏转,曲线图见答案。②要验证膜屏障作用,还需测定不同Ca2+浓度下细胞内Na+的含量变化。(3)在去除培养液中的全部Ca2+之后,刺激坐骨神经,有电位变化,但肌肉未收缩,由题意可知,轴突末梢膜上有钙离子通道,突触小体内有突触小泡,说明没有Ca2+,突触小泡和突触前膜就不能融合,不能释放神经递质。