培養學生高階思維的單元教學試題分析

摘要：本文分析了2023年山東省高考生物卷第17題，探討了試題特點，教學疑惑及解題策略，指出正確理解原理和高階思維的培養對解題的重要性。通過加輔助線等方法，簡化比較不同時間點植物細胞呼吸消耗葡萄糖量的問題，培養科學思維和創造性、批判性思維，強調教師在培養學生生物學學科素養中的關鍵作用。

關鍵詞：山東卷；解決問題；高階思維

文章編號：1003-7586（2024）02-0064-03 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

優秀高考試題是《中國高考評價體系》的踐行模板，更是服務選才和引導教學的重要評價基礎。現行新高考改革模式中，很多省份獨立命制生物單科試題，在不公布高考試題和參考答案的背景下，很多流人市面的生物高考試題引發了一線教師激烈的探討和爭論。在不同認知下，一些生物高考試題甚至出現完全不同的答案，孰是孰非似乎難以定論。若教師不進行分析和斟酌，極易出現理解偏差和教學失誤，這對培養學生形成生物學核心素養十分不利。本文以2023年山東省高考生物卷第17題（以下簡稱為“試題”）為例，討論試題的命制特點、學生及部分教師的困惑原因、正確的解題方法和感悟命題道理等方面，通過培養學生高階思維思考和解決問題，同時與各位同仁交流商榷。

原題呈現 （2023年山東卷第17題）某種植株的非綠色器官在不同O2濃度下，單位時間內O2吸收量和CO2釋放量的變化如圖所示。若細胞呼吸分解的有機物全部為葡萄糖，下列說法正確的是（ ）。

A.甲曲線表示O2吸收量

B.O2濃度為b時，該器官不進行無氧呼吸

C.O2濃度由O到b的過程中，有氧呼吸消耗葡萄糖的速率逐漸增加

D.O2濃度為a時最適合保存該器官，該濃度下葡萄糖消耗速率最小

[市面資料參考答案]BC或BCD

1論題

這是一道看似平常，甚至平淡的不定項選擇題，但是細究起來尤有深意。試題以植物非綠色器官在不同02濃度下有氧呼吸和無氧呼吸的速率變化為情境，重點考查細胞呼吸類型、過程和原理應用等知識。結合試題圖示，分析環境因素對細胞呼吸的影響，能檢測學生的理解能力、獲取信息能力、實驗與探究能力和綜合運用能力。試題滲透了檢測學生的結構與功能觀、物質與能量觀等生命觀念，也對科學思維和科學探究等學科素養進行多角度考查。

試題命制注重考查細胞呼吸類型和過程等基礎知識，又結合圖示信息讓學生比較不同條件下植物器官兩種細胞呼吸速率的變化及耗糖關系，這是綜合性的體現。試題將實驗結果用于指導農業科學存儲果實，這是在踐行應用性。試題在圖示中標出了縱坐標關鍵點的氣體數值，這是常見圖示不具備的重要信息，既體現高考試題素材的嚴謹和科學，也體現本題命題角度的創新性。看似很常規的一道試題，經過命題專家的精雕細琢，顯然已對生物教學產生了“一石激起千層浪”的教研效應，完美體現了高考試題引導教學的重要功能。

2論惑

試題中A項、B項和C項很容易判斷，對于D項表述，很多學生及教師有不同看法。一種觀點認為D項是正確選項，持有此種觀點的師生的主要依據是市面教輔資料。結合試題圖示中O2濃度增大后，植物器官無氧呼吸強度逐漸減弱而有氧呼吸逐漸增強，得出兩種細胞呼吸強度之和應是先減小后增大的趨勢，即某點時植物器官細胞呼吸消耗葡萄糖最少，此點就是儲存植物器官的最適O2濃度。根據CO2釋放量，理所當然得出圖中a時葡萄糖消耗速率最小，此種思維模式下試題答案就選BCD。

另一種觀點認為試題中兩種細胞呼吸均以葡萄糖為底物，無氧呼吸中消耗葡萄糖量與產生CO2量之比為1：2；有氧呼吸中消耗葡萄糖量與產生CO2量之比為1：6。在試題曲線中，a時CO2產生量雖最少，但這僅代表總細胞呼吸產生CO2量。由于兩種細胞呼吸有著不同的消耗葡萄糖量與釋放CO2量之比，a時CO2量最少一定是植物器官消耗葡萄糖量最少的點嗎？針對這個疑問，筆者也試著以每種細胞呼吸的產生CO2量與消耗葡萄糖量建立數學函數模型，試圖再建立總細胞呼吸釋放CO2量與消耗葡萄糖量的函數式，苒根據函數式找出消耗葡萄糖量最少時對應的O2濃度，但幾經嘗試，未能如愿。眾所周知，任何生命現象只有一個真理，試題曲線中a時究竟是不是植物器官消耗葡萄糖量最少的點？若不是，哪點時葡萄糖消耗量最少呢？如何比較不同點葡萄糖消耗量的多少呢？此問題已成為很多學生乃至一線教師困惑的焦點。

3論法

作為一道高考試題，一定有著科學命題依據和正確解決問題的思路。基于這個認識，筆者打破傳統思維定式，結合試題圖示特點，利用縱坐標明確標出氣體的相對數值，引導學生通過獲取數據和處理數據得以證明a時消耗葡萄糖量并非最少。

3.1定量分析數據完成解題

由于試題提供了a時和b時植物器官細胞呼吸消耗的O2量和釋放的CO2總量，筆者引導學生先分析a時情況，學生很快得出有氧呼吸產生CO2量為0.3個單位，無氧呼吸產生CO2量也為0.3個單位。結合兩種細胞呼吸反應式，學生很快計算出a時植物器官細胞呼吸共消耗葡萄糖量為0.2個單位。對于圖中b時情況，學生得出有氧呼吸產生CO2量為0.7個單位，無氧呼吸產生CO2量為0個單位，學生很快計算出b時植物器官細胞呼吸消耗葡萄糖量約為0.117個單位。在事實面前，學生很快得出試題圖中a時消耗葡萄糖量不是最少的結論。基于證據和事實，學生很快接受了試題正確答案為BC，這里學生運用定量分析數據顯然可以解題。

很快有學生提出疑問，此題圖中只是比較出b時消耗葡萄糖量少于a時，那么究竟哪點時消耗葡萄糖量最少？如遇到試題情境中縱坐標無具體數值，又該如何解決問題呢？學生提出的問題很有價值，如何理性解題并形成科學解決問題的模式，這又引發了筆者的深度思考。分析解決此類問題實際困惑點后，筆者對圖示巧加一道輔助線，實現由定量解題到定性解決問題的突破，受到學生和同仁的認可與稱贊。

3.2巧加輔助線定性解決問題

其實師生都明白圖中O時植物器官只進行無氧呼吸，O時（不包括此點）到b時（不包括此點）器官進行無氧呼吸和有氧呼吸，b時及以后只進行有氧呼吸。而解決問題的難點就是圖中O時到b時存在兩種細胞呼吸，兩種細胞呼吸均消耗葡萄糖和釋放CO2，且消耗葡萄糖量與釋放CO2量之比還不同，混在一起著實難以處理。該如何避繁就簡比較不同點時細胞呼吸消耗葡萄糖量的關系呢？深入思考后，筆者認為在比較不同點釋放CO2時，若能把不同點有氧呼吸中等量產生的CO2標出來，簡化成只比較一點無氧呼吸釋放CO2量與另一點有氧呼吸多釋放CO2量的多少關系，即可完成解題。聯系細胞呼吸反應式可知消耗等量葡萄糖時，有氧呼吸產生CO2量是無氧呼吸產生CO2量的3倍，即加輔助線簡化后，若有氧呼吸多產生的CO2量是無氧呼吸產生CO2量的3倍（無具體數值時，學生可以通過目測定性比較），即兩點消耗葡萄糖量相等；若有氧呼吸多產生的CO2量不及無氧呼吸產生CO2量的3倍，則有氧呼吸消耗葡萄糖量不及無氧呼吸，反之可推有氧呼吸消耗葡萄糖量多于無氧呼吸。

以試題圖示為例，筆者在圖1中a時有氧呼吸吸收O2量向b時作出一條輔助線，因為a時有氧呼吸消耗O2量等于有氧呼吸產生CO2量，這樣把兩點有氧呼吸等量產生的CO2量先減去，則圖1中A段數值則表示a時無氧呼吸產生CO2量，而B段就表示b時有氧呼吸比a時有氧呼吸多產生的CO2量，這樣通過畫橫線減去等量有氧呼吸產生的CO2量，問題就簡化成比較B段和A段的數值比例關系。分析圖1可見，B段數值顯然達不到A段數值的3倍，即b時有氧呼吸消耗葡萄糖量比a時總細胞呼吸消耗葡萄糖量少。通過加輔助線分析，學生可以在無數據情況下解決問題，會對處理此類問題有更理性的認識，也會對于運用科學思維解決實際生產問題有更多的審視和論證，這有利于形成創造性思維和批判性思維。為進一步討論此種方法的應用范圍，筆者繼續利用圖1進行引導和啟發，拋出問題：如何比較圖2中c時和b時植物器官細胞呼吸消耗葡萄糖量的關系？學生很快結合c時O2消耗量向b時作出輔助線，而后比較c時無氧呼吸產生CO2量（圖2中A段）與b時有氧呼吸多釋放出的CO2量（圖2中B段）的比值關系，學生很快得出B段數值不是A段數值的3倍，即c時消耗葡萄糖量也比b時消耗葡萄糖量多。

基于這種思路，很多學生再選多點與b時比較，也大膽歸納出此試題中b時可能就是消耗葡萄糖量最少的點。針對此題，究竟b時是不是消耗葡萄糖量最少的點，筆者并未輕易給學生下定論，而是引導學生從繼續設計實驗加以驗證的角度解決問題，告訴學生提出問題和作出假設后，進一步設計實驗驗證假設的重要性和必要性，這對厚培學生分析、評價、創造等高階思維和建立科學探究等學科素養尤為關鍵。

4論道

教師是科學在課堂中的代表，生物學教師則是培養學生生物學學科素養的重要指導者，也是學生通過學習逐步形成必備品格和關鍵能力的引路人。針對2023年山東省高考生物卷第17題，命題者就是在引導學生不能迷信教輔資料而簡單得出結論，而是要尊重事實和證據，運用科學思維方式認識事物，增加解決實際問題的思維習慣和能力，能用創造性思維和批判性思維等高階思維闡釋生物現象及規律，審視或論證生物學生產議題。同時也讓學生體會學以致用，針對特定生物學現象，能進行觀察、提問、實驗設計和實施方案等，逐步增強對自然現象的求知欲，提高科學探究的基本思路和實踐能力。在實際教學中，一線教師不能對復雜生物學問題聽之任之，也不能毫無甄別套用市面教輔資料的一家之言，以免失去繼續探究真理的契機。教學中，教師若對學生提出的困惑不能給予科學引導，顯然不利于培養和發展學生高階思維。教學中，當學生遇到難題而教師又一時不能解決時，這就意味著教師提升專業素養的機會已經到來，同時也是培養學生高階思維的契機，大家積極思考與探索，這正是教學相長之道。