材料学习型试题的解题研究

徐培培 苏晓梅 杜 肖

(1.3.北京市房山区教师进修学校 2.北京市房山区良乡中学)

1.试题展示

学习以下材料,回答(1)～(3)题。

水和离子通道蛋白的探索史

20世纪80年代期间,科学家阿格雷(Peter Agre)在研究红细胞的膜蛋白时,发现一种新的膜蛋白,该蛋白同时也存在于具有高渗透能力的肾小管细胞膜中,将其称为类通道整合膜蛋白(CHIP28)。1991年阿格雷和普瑞斯坦成功克隆得到了CHIP28的cDNA。1992年,普瑞斯坦等通过在非洲爪蟾的卵母细胞(图1)中表达CHIP28,首次证实它是一种水通道蛋白。

图1

非洲爪蟾的卵母细胞对水具有极低的渗透性,当向其中显微注射体外转录的CHIP28的RNA后,卵母细胞在低渗溶液中迅速膨胀,并于5 min内破裂。这一现象表明注射CHIP28的RNA后,卵母细胞膜对水的通透性有了明显提高。为进一步确定CHIP28的功能,将提纯的CHIP28构建在人造细胞(其膜仅双层磷脂分子)中,构建后的人工膜对水的通透性增长了50倍。这些结果最终证实了CHIP28为水通道蛋白,后来被命名为水通道蛋白-1(AQP1)。此后,科学家们从细菌、酵母菌、植物、动物等的细胞中分离出多种水通道蛋白。

水分子并不是唯一进出细胞的物质。1998年,麦金农首次成功地展示了离子通道蛋白的结构与功能——这一成就与阿格雷发现的水通道蛋白一起,为生物化学和生物学开辟了全新的研究领域。两人因此获得2003年诺贝尔化学奖。

为了探究膜蛋白在物质运输中的作用,科学家比较了生物膜(图2)和人工膜(双层磷脂)对多种物质的通透性,结果如图3。

图2

图3

膜通道是所有生物存在的前提条件。因此,许多疾病可归因于人体的水和离子通道功能出现问题。这使得水和离子通道成为制药行业重要的药物靶点。

(1)细胞膜的主要功能:将细胞与外界环境分离开、____________和____________,后者的功能主要是由细胞膜上的孔(图2)完成,两者运输物质种类的差异主要是由________________不同导致的。

(2)①在水通道蛋白发现之前,已经证实水是以________方式进出细胞,与图3实验中的________物质的运输方式相同。

②图1与图3实验结果均表明:细胞膜或生物膜上确实存在____________,从而使它们对水和离子的通透性远高于人工膜。

(3)先天性肌强直为编码氯离子通道的CLCN1基因缺陷所致,患者表现为肌肉持续性的收缩,故称为强直收缩。已知使肌肉收缩的膜电位变化由不同的离子通道共同完成,其中氯离子和钠离子的作用是相反的:氯离子主要是抑制细胞膜的兴奋,稳定静息电位;钠离子主要是兴奋细胞膜,使之产生动作电位。请根据以上信息分析患者可能的发病机理及治疗思路。

【参考答案】(1)进行细胞间的信息交流 控制物质进出细胞 离子通道蛋白的种类

(2)①自由扩散 甘油、CO2、O2②水通道蛋白(AQP1)和离子通道蛋白

(3)编码氯离子通道的CLCN1基因缺陷,不能合成氯离子通道蛋白,氯离子无法运入细胞,不能抑制细胞膜兴奋,肌细胞持续兴奋。治疗思路:抑制钠离子通道或者加入钠离子通道阻断剂(合理即可)

【命题意图】本试题主要测试“生命观念”和“科学探究”的生物学学科核心素养,要求学生能够从结构与功能相适应的视角,解释细胞由多种多样的分子组成,这些分子是细胞执行各项生命活动的物质基础(生命观念、科学思维);结合日常生活中的情境,分析说明人体通过神经系统对内外环境的变化作出反应,以维持内环境的稳态(生命观念、科学思维)。

本题以水和离子通道蛋白的真实科学探索历程为线索,结合高中生物学实际教学情况,围绕细胞膜上蛋白质在物质运输过程中的功能展开,展现研究过程和实验结果,创设了真实的测试情境,并在此基础上设计基于教材与文中信息获取的试题作为测试任务,有利于培养学生的结构功能观和科学思维。

基于以上测试宗旨,设计三个方面的实际问题:细胞膜的结构与功能,细胞的物质输入和输出方式,神经调节过程。要求学生在理解细胞膜上蛋白质的功能、离子进出对膜电位影响的基础上,灵活运用生物学知识和文本信息进行作答,试题充分体现了在真实情境中设计测试任务的特点。

本题的作答要求学生运用头脑中已有的知识及文本中新提供的信息来解决真实情境的问题,这些知识包括:细胞膜的功能及膜上蛋白质的功能[第(1)小题];细胞的物质输入和输出方式中自由扩散的特点[第(2)小题];氯离子通道的功能缺陷导致肌肉持续性收缩从而出现先天性肌强直[第(3)小题]。

2.学生作答情况分析

第(1)小问的两个空考查的都是细胞膜的功能,第2个空的得分情况明显好于第1个空,说明部分学生在后面有提示或有限定词时能够推理出答案,这也说明这些学生的思考水平大于记忆水平。

3.备考建议

3.1 依托教材,立足基础,聚焦核心主干知识和学科能力

教学过程中,要基于教材,依据学生水平选择不同层次的素材。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资料和素材,教学中首先要利用好教材中的素材,在此基础上做适当的补充,选择一些适合学生认知水平的科学文本素材,创设适合的情境进行生物学核心主干概念的教学。加工素材过程需要去除素材中过于晦涩的名词,对过于复杂的关系进行简化,对于新的技术成果要注重结果的解读,同时略去实际技术层面的内容,避免给学生带来无谓的负担,利用素材进行情境教学是手段不是目的,不能把“学习的过程”转变成为了“学会新的知识”。

生物学科知识点较多且背景复杂,灵活性强,死记硬背学不好也拿不到高分。复习过程中教师要基于生物学学科大概念进行复习课的整体教学设计,明确单元(或专题)教学目标和细化课时目标。课堂上应强化知识间的内在联系,帮助学生理解重要概念,加强学生对知识的深入理解和迁移应用能力,助力生物学学科核心素养的达成,提高复习效率,决不能将高三复习课变成新授课的压缩版。复习过程中,可引导学生利用概念图的方式将学科内的相关知识组织在一个有序的网络图中,利用文字+箭头+连接词的方式,将零散的知识有效连接,帮助学生对知识点整体把握,以便学生在面对新情境、复杂问题时能够系统性的思考问题,实现真实情境下解决问题时对大概念能够用得上、用得好。

3.2 深入领会学科本质,结合学科科技前沿,着力提升应用实践能力和学习能力

启迪考生像科学家一样思考,是北京等级考生物试题的鲜明特色。试题根据学科前沿科研成果,提供真实的科研情境,设置阶梯式任务,对考生从学习理解能力到创新能力进行全面的考查。

教师在教学中要带领学生通过阅读科学文章来逐渐提升对新素材、新情境的适应能力和文本信息的学习能力。科学杂志、科学纪录片都是良好的资料来源。利用这些资料进行生物学科文本阅读训练,引导学生“学会学习”,逐步提升学生的“科学表述”能力。可适当为学生提供开放性的问题情境,训练学生获取、处理、分析信息的能力,加强将新信息与已学知识整合的能力,有意识地为学生提供相对充裕的时间和空间,给学生更多的表达机会,同时为他们提供作答开放性试题的策略与方法,引导学生“学会学习”,逐步提升学生的“科学表述”能力。

3.3 加强情境创设,结合生产生活实际,将高阶思维能力的训练落到实处