材料學習型試題的解題研究

徐培培 蘇曉梅 杜 肖

(1.3.北京市房山區(qū)教師進修學校 2.北京市房山區(qū)良鄉(xiāng)中學)

1.試題展示

學習以下材料,回答(1)～(3)題。

水和離子通道蛋白的探索史

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

圖1

非洲爪蟾的卵母細胞對水具有極低的滲透性,當向其中顯微注射體外轉(zhuǎn)錄的CHIP28的RNA后,卵母細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,卵母細胞膜對水的通透性有了明顯提高。為進一步確定CHIP28的功能,將提純的CHIP28構(gòu)建在人造細胞(其膜僅雙層磷脂分子)中,構(gòu)建后的人工膜對水的通透性增長了50倍。這些結(jié)果最終證實了CHIP28為水通道蛋白,后來被命名為水通道蛋白-1(AQP1)。此后,科學家們從細菌、酵母菌、植物、動物等的細胞中分離出多種水通道蛋白。

水分子并不是唯一進出細胞的物質(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,為生物化學和生物學開辟了全新的研究領域。兩人因此獲得2003年諾貝爾化學獎。

為了探究膜蛋白在物質(zhì)運輸中的作用,科學家比較了生物膜(圖2)和人工膜(雙層磷脂)對多種物質(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)問題。這使得水和離子通道成為制藥行業(yè)重要的藥物靶點。

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

(2)①在水通道蛋白發(fā)現(xiàn)之前,已經(jīng)證實水是以________方式進出細胞,與圖3實驗中的________物質(zhì)的運輸方式相同。

②圖1與圖3實驗結(jié)果均表明:細胞膜或生物膜上確實存在____________,從而使它們對水和離子的通透性遠高于人工膜。

(3)先天性肌強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,故稱為強直收縮。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胞膜的興奮,穩(wěn)定靜息電位;鈉離子主要是興奮細胞膜,使之產(chǎn)生動作電位。請根據(jù)以上信息分析患者可能的發(fā)病機理及治療思路。

【參考答案】(1)進行細胞間的信息交流 控制物質(zhì)進出細胞 離子通道蛋白的種類

(2)①自由擴散 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,氯離子無法運入細胞,不能抑制細胞膜興奮,肌細胞持續(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】本試題主要測試“生命觀念”和“科學探究”的生物學學科核心素養(yǎng),要求學生能夠從結(jié)構(gòu)與功能相適應的視角,解釋細胞由多種多樣的分子組成,這些分子是細胞執(zhí)行各項生命活動的物質(zhì)基礎(生命觀念、科學思維);結(jié)合日常生活中的情境,分析說明人體通過神經(jīng)系統(tǒng)對內(nèi)外環(huán)境的變化作出反應,以維持內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)(生命觀念、科學思維)。

本題以水和離子通道蛋白的真實科學探索歷程為線索,結(jié)合高中生物學實際教學情況,圍繞細胞膜上蛋白質(zhì)在物質(zhì)運輸過程中的功能展開,展現(xiàn)研究過程和實驗結(jié)果,創(chuàng)設了真實的測試情境,并在此基礎上設計基于教材與文中信息獲取的試題作為測試任務,有利于培養(yǎng)學生的結(jié)構(gòu)功能觀和科學思維。

基于以上測試宗旨,設計三個方面的實際問題:細胞膜的結(jié)構(gòu)與功能,細胞的物質(zhì)輸入和輸出方式,神經(jīng)調(diào)節(jié)過程。要求學生在理解細胞膜上蛋白質(zhì)的功能、離子進出對膜電位影響的基礎上,靈活運用生物學知識和文本信息進行作答,試題充分體現(xiàn)了在真實情境中設計測試任務的特點。

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

2.學生作答情況分析

第(1)小問的兩個空考查的都是細胞膜的功能,第2個空的得分情況明顯好于第1個空,說明部分學生在后面有提示或有限定詞時能夠推理出答案,這也說明這些學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,聚焦核心主干知識和學科能力

教學過程中,要基于教材,依據(jù)學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,教學中首先要利用好教材中的素材,在此基礎上做適當?shù)难a充,選擇一些適合學生認知水平的科學文本素材,創(chuàng)設適合的情境進行生物學核心主干概念的教學。加工素材過程需要去除素材中過于晦澀的名詞,對過于復雜的關系進行簡化,對于新的技術(shù)成果要注重結(jié)果的解讀,同時略去實際技術(shù)層面的內(nèi)容,避免給學生帶來無謂的負擔,利用素材進行情境教學是手段不是目的,不能把“學習的過程”轉(zhuǎn)變成為了“學會新的知識”。

生物學科知識點較多且背景復雜,靈活性強,死記硬背學不好也拿不到高分。復習過程中教師要基于生物學學科大概念進行復習課的整體教學設計,明確單元(或?qū)ｎ})教學目標和細化課時目標。課堂上應強化知識間的內(nèi)在聯(lián)系,幫助學生理解重要概念,加強學生對知識的深入理解和遷移應用能力,助力生物學學科核心素養(yǎng)的達成,提高復習效率,決不能將高三復習課變成新授課的壓縮版。復習過程中,可引導學生利用概念圖的方式將學科內(nèi)的相關知識組織在一個有序的網(wǎng)絡圖中,利用文字+箭頭+連接詞的方式,將零散的知識有效連接,幫助學生對知識點整體把握,以便學生在面對新情境、復雜問題時能夠系統(tǒng)性的思考問題,實現(xiàn)真實情境下解決問題時對大概念能夠用得上、用得好。

3.2 深入領會學科本質(zhì),結(jié)合學科科技前沿,著力提升應用實踐能力和學習能力

啟迪考生像科學家一樣思考,是北京等級考生物試題的鮮明特色。試題根據(jù)學科前沿科研成果,提供真實的科研情境,設置階梯式任務,對考生從學習理解能力到創(chuàng)新能力進行全面的考查。

教師在教學中要帶領學生通過閱讀科學文章來逐漸提升對新素材、新情境的適應能力和文本信息的學習能力。科學雜志、科學紀錄片都是良好的資料來源。利用這些資料進行生物學科文本閱讀訓練,引導學生“學會學習”,逐步提升學生的“科學表述”能力。可適當為學生提供開放性的問題情境,訓練學生獲取、處理、分析信息的能力,加強將新信息與已學知識整合的能力,有意識地為學生提供相對充裕的時間和空間,給學生更多的表達機會,同時為他們提供作答開放性試題的策略與方法,引導學生“學會學習”,逐步提升學生的“科學表述”能力。

3.3 加強情境創(chuàng)設,結(jié)合生產(chǎn)生活實際,將高階思維能力的訓練落到實處