以科学探究为核心，落实生物学核心素养

张雄　陈兴华

生物学是一门实验科学，科学探究是高中生物学四大核心素养之一，实验与探究能力也是高考生物学的重要考查目标。高考生物学在实验与探究的具体情境中，基于所学知识的理解、综合运用和生物学学科思维进行命题，以考查实验与探究能力[1]。本文以2021年高考生物广东卷19题为例，着重分析以科学探究为核心的生物学核心素养的考查方式，启发学生在高考备考中要逐渐培养自己的信息提取和分析能力、实验与探究能力等。

原题：人体缺乏尿酸氧化酶，导致体内嘌呤分解代谢的终产物是尿酸（存在形式为尿酸盐）。尿酸盐经肾小球滤过后，部分被肾小管细胞膜上具有尿酸盐转运功能的蛋白URAT1和GLUT9重吸收，最终回到血液。尿酸盐重吸收过量会导致高尿酸血症或痛风。目前，E是针对上述蛋白治疗高尿酸血症或痛风的常用临床药物。为研发新的药物，研究人员对天然化合物F的降尿酸作用进行了研究。给正常实验大鼠（有尿酸氧化酶）灌服尿酸氧化酶抑制剂，获得了若干只高尿酸血症大鼠，并将其随机分成数量相等的两组，一组设为模型组，另一组灌服F设为治疗组，一段时间后检测相关指标，结果见图1。

回答下列问题：

（1）与分泌蛋白相似，URAT1和GLUT9在细胞内的合成、加工和转运过程需要___________及線粒体等细胞器（答出两种即可）共同参与。肾小管细胞通过上述蛋白重吸收尿酸盐，体现了细胞膜具有___________的功能特性。原尿中还有许多物质也需借助载体蛋白通过肾小管的细胞膜，这类跨膜运输的具体方式有___________。

（2）URAT1分布于肾小管细胞刷状缘（图2，示意图），该结构有利于尿酸盐的重吸收，原因是___________。

（3）与空白对照组（灌服生理盐水的正常实验大鼠）相比，模型组的自变量是_________。与其它两组比较，设置模型组的目的是___________。

（4）根据尿酸盐转运蛋白检测结果，推测F降低治疗组大鼠血清尿酸盐含量的原因可能是___________，减少尿酸盐重吸收。为进一步评价F的作用效果，本实验需要增设对照组，具体为___________。

参考答案：（1）核糖体、内质网、高尔基体   选择透过性    协助扩散、主动运输

（2）肾小管细胞刷状缘可以增加膜面积，分布更多的转运蛋白URAT1，从而有利于重吸收更多的尿酸盐

（3）尿酸氧化酶抑制剂 分析是否获得了高尿酸血症大鼠，确保血清尿酸盐含量的变化是药物F作用的结果

（4）F抑制转运蛋白URAT1和GLUT9基因的表达，从而降低这些转运蛋白的含量 给高尿酸血症大鼠灌服E

一、科学探究素养的考查

科学探究的流程主要包括提出问题、作出假设、设计实验、实施实验、得出结论五个环节。以本题为例，提出的问题是：天然化合物F是否具有降尿酸作用。作出的假设是化合物F具有降尿酸作用（或化合物F不具有降尿酸作用）。设计实验环节的关键，在于运用对照原则、单一变量原则等实验原则进行自变量的处理和因变量的检测。本题的对照包括空白对照、阴性对照和阳性对照，其中模型组属于阴性对照，灌服药物E的组别属于阳性对照。这里的模型指的是疾病模型，因此高尿酸血症大鼠作为模型组，该组别的设置对治疗组（实验组）有重要的参考意义。本实验的自变量为尿酸氧化酶抑制剂的有无以及药物的种类，因变量是降尿酸的效果（或程度）。而该因变量比较抽象，需要具体的观测指标来反映，即血清尿酸盐的含量、肾组织中尿酸盐转运蛋白URAT1和GLUT9的含量。因此本题的实验思路是：给正常实验大鼠灌服生理盐水，设置空白对照组;然后将高尿酸血症大鼠分为三组，分别灌服生理盐水（模型组/阴性对照组）、药物E（阳性对照组）和化合物F（治疗组/实验组），饲养一段时间后，检测并比较各组小鼠的血清尿酸盐含量、转运蛋白URAT1和GLUT9的含量。最后将实施实验过程中获得的实验数据转化为直观的统计图，分析得出结论：天然化合物F具有降尿酸作用。

本题以真实医学领域的科研成果为蓝本，创设了探究治疗高尿酸血症或痛风的药物效果的真实实验情境，考查学生在陌生情境中分析与解决问题的能力。本题主要突出了科学探究素养的考查，第（3）、（4）问主要考查了实验设计和实验结果分析的能力，同时也可以激发学生科学探究的热情，有助于培养严谨的科学态度和勇于探索的科学精神。本题主要体现了《中国高考评价体系》“四翼”中的应用性和创新性。

第（3）问从设置阴性对照组的目的、自变量分析的角度进行设问，学生首先需要提取题干的有效信息，即正常实验大鼠含有尿酸氧化酶，可以降低血清尿酸盐的含量;而模型组小鼠中尿酸氧化酶的活性受到抑制，不能通过自身正常的代谢途径来降低血清尿酸盐的含量。比较模型组与空白对照组的差异以及与治疗组的差异来分析模型组设置的意义。学生在平时的练习中，几乎没有见过类似模型组的这种实验设计，因此对于模型组意义的准确理解成为了本题的主要难点。

第（4）问从实验结果分析、对照组设计的角度进行设问，第一空学生需要运用尿酸盐转运蛋白的功能以及基因表达等必备知识，结合图1左图的血清尿酸盐含量的实验结果，比较分析图1右图的尿酸盐转运蛋白检测的实验结果，推理出化合物F降低血清尿酸盐含量的分子机理。第二空学生需要提取并利用题干的有效信息“E是针对上述蛋白治疗高尿酸血症或痛风的常用临床药物”，来分析阳性对照组自变量该如何设计。值得注意的是，第二空的呈现形式是实验思路的部分补充，而整道题并不需要学生写出完整的实验设计思路或步骤。该做法可以适当降低试题的综合难度，同时也有利于降低评卷的难度。

二、其它核心素养的渗透

本题主要的考查目标是科学探究素养，除此之外也渗透了社会责任的教育和生命观念的简单考查。

由于人们不良的饮食习惯等原因，当今社会尿酸血症或痛风的发病率较高。本题联系生活实际，以嘌呤代谢途径作为知识背景，以治疗高尿酸血症或痛风的药物筛选的实验作为核心内容，引导学生关注自身的饮食习惯，即日常生活中不要过量摄入嘌呤含量丰富的食物。因此本题很好地渗透了健康生活、珍爱生命的社会责任，体现了生命至上的时代强音。

本题前两问渗透了“结构与功能相适应”的生命观念，第（1）问以尿酸盐转运蛋白作为切入点，考查细胞膜的功能特点和物质跨膜运输等一般概念，体现了细胞膜控制物质运输的功能是以细胞膜上的载体蛋白作為物质和结构基础。第（2）问以形象的肾小管细胞刷状缘图片作为切入点，考查学生分析细胞膜的这种特殊结构对于重吸收尿酸盐的功能有何意义，学生可以联系小肠绒毛上皮细胞的结构与功能等相关内容，并运用结构与功能观进行分析和作答。

三、对高考复习备考的建议

学生在高考复习备考中应加强自身关键能力的培养，主要建议包括以下两个方面。

第一，重视信息的提取和分析。本题的题干信息形式多样，内容丰富。既有文字又有图表;既有嘌呤代谢过程的简单介绍，又有实验过程和结果的具体呈现。在文字阅读量较大并且具有丰富的图表信息的背景下，理解、提取和分析其有效信息的能力成为了正确答题的重要影响因素之一。在平时的练习和考试中遇到信息量较大的试题时，学生可以通过圈出题目中的关键词来提取有效信息，然后根据这些关键词将题目信息与已有知识进行合理的联系。若试题信息仅以大量文字形式呈现，学生有时还需要根据关键词画出简单的流程图或示意图，来直观地表示重要信息之间的关系。这样便于后续的思考分析，从而提高作答的正确率。

第二，重视实验与探究。实验探究类试题往往源于教材又高于教材，学生只有具有扎实的实验设计分析的知识技能，才能灵活地解决陌生实验情境中的实际问题。实验探究类试题可以承载科学探究与科学思维的考查，往往具有一定的难度和较高的区分度。因此许多学生对这类题目具有畏惧感，解决该困难的有效方法是学生要落实教材中的基础实验，并且总结归纳实验探究类试题的做题方法。

对于教材中的基础实验，可以从实验目的与原理、实验材料与试剂、实验思路与步骤、实验结果与结论这四个部分进行总结归纳。在这个过程中不仅可以落实教材实验中的基础知识，还可以逐渐提高实验设计的能力。平时在做实验探究类试题时或做题后，也可以根据实验探究的一般流程来深入地分析新实验情境中的实验目的、实验假设、实验思路或步骤、实验结果和结论等，这些深度思考的经历有助于提高在陌生实验情境中迁移与应用的能力。通过以上两方面的不断训练，学生可以潜移默化地提高实验与探究能力，从而在考试中能更加从容地应对实验探究类试题。

责任编辑 李平安