浅谈模型建构方法巧解情境类试题

山东 臧树理

实行新高考模式、取消《考试大纲》标志我国的高考逐步进入一个无《考纲》的新时代，这给广大师生带来了很大的冲击。《中国高考评价体系》(以下简称《评价体系》)与以往的《考试大纲》相比，具有自身鲜明特色：一是全新的评价理念，高考对学生思维的考查远大于对知识的考查，直接瞄准学生的全面发展、全面培养；二是建立新的学科评价体系，根据学科特色，建立符合自身学科素养培养的评价体系；三是标准化测量，《评价体系》不再简单框定考试内容，明确界定对考生的能力要求和测量标准。

高考蓝皮书《中国高考报告(2021)》明确提出了“三条线”将是高考命题的基本方向，即“核心价值金线”“能力素养银线”“情境载体串联线”。2020年高考总体上就是围绕“三条线”开展，进一步实现从“考知识”“考能力”到“考素养”的转变，在命题标准建设、命题内容改革、命题形式创新等方面进行了改革，加强了对学科素养与关键能力的考核，聚焦于思维过程、思维质量的考查，情境成为考查载体。情境成为高考试题的主要考查载体，这是《评价体系》重要的创新之一。

1.新高考试题特点

分析生物学高考试题，对2015—2020年全国卷Ⅰ和2020年山东卷选择题题干进行比较可以看出，近6年生物学高考试题情境呈现出两个显著的变化：2017年之前的选择题试题情境简单或没有情境，试题较容易，整张试卷的难度在0.72左右；2017年全国卷Ⅰ生物学试题回归到了学科本质，整卷难度在0.58左右，这是由于2016年10月教育部考试中心重新修订了《考试大纲》，新《考试大纲》加大了对考生学科素养的考查。自2017年始，选择题的题干都强调了试题的情境(特别是2021年山东卷的题目，每一道题都有一个情境)，较好地体现了《评价体系》“情境是高考试题的载体”的要求。

生物学科的情境分为生活、学习和实践情境、科学实验和探究情境、生命科学史情境。情境类试题往往是情境新颖别致、令人耳目一新，复杂情境试题更是给人一种初看“雾里看花，水中望月”的感觉。这类试题主要考查学生获取信息并对获取的信息进行加工和迁移的能力，要求学生能把有效信息迁移到新“情境”中去，抓住信息精髓，将自己所学知识与情境衔接，进行独立思考，运用所学知识分析并解决实际问题。因此，学生常常感到情境类试题相对比较难，对试题分析不到位，出错率高，得分率低。现笔者结合建构模型的方法，借助模型，谈一谈高考情境类试题的解答策略。

2.模型及应用

2.1 模型的定义以及教学意义

人教版生物学必修1《分子与细胞》教师教学用书中提出，模型是人们为了某种特定目的而对认识对象所做的一种简化的概括性描述，这种描述可以是定性的，也可以是定量的，有的借助于具体的、形象化的实物，有的则以抽象化的形式表现出来。换句话说，基于特定目的，简化认识对象的过程就是模型，其具有定性、定量的特征，能借助其他形象化手段，对具体实物进行表达的过程，是具体形式向抽象形式转变的过程，其是在原型基础上的概括、抽象，能够反映原型的本质。模型在教育教学中有重要应用，对于一些难点知识的教学，借助模型可以将它们进行简化，使得知识点更加形象、直观地呈现在学生面前，帮助学生理解并掌握。

2.2 概念模型解答实例

【例1】(2020年，山东卷，第5题)CDK1是推动细胞由分裂间期进入分裂期的关键蛋白。在DNA复制开始后，CDK1发生磷酸化导致其活性被抑制，当细胞中的DNA复制完成且物质准备充分后，磷酸化的CDK1发生去磷酸化而被激活，使细胞进入分裂期。大麦黄矮病毒(BYDV)的M蛋白通过影响细胞中CDK1的磷酸化水平而使农作物患病。正常细胞和感染BYDV的细胞中CDK1的磷酸化水平变化如图1所示。下列说法错误的是( )

图1 CDK1的磷酸化水平

A.正常细胞中DNA复制未完成时，磷酸化的CDK1的去磷酸化过程受到抑制

B.正常细胞中磷酸化的CDK1发生去磷酸化后，染色质螺旋化形成染色体

C.感染BYDV的细胞中，M蛋白通过促进CDK1的磷酸化而影响细胞周期

D.M蛋白发挥作用后，感染BYDV的细胞被阻滞在分裂间期

【答案】C

(1)情境与考查要求：本题以CDK1蛋白调控细胞周期的实验结果分析为情境，属于科学实验和探究类情境。试题从基础性和综合性的维度考查学生对细胞周期概念的理解，试题要求学生综合运用所学的生物学知识分析、解释科学探究结果以及感染BYDV的细胞发生病变的原因，体现应用性和创新性。

关键能力：试题主要考查学生对CDK1蛋白调节细胞分裂间期转向分裂期的过程理解，考查考生获取信息和信息转化能力、分析推理能力，并将所学知识迁移到新情境中，理解大麦感染BYDV的细胞发生病变的原因。

学科素养：本题侧重考查生命观念、科学思维等素养。CDK1蛋白调节从细胞分裂间期向分裂期转变，主要体现对生命观念的考查，渗透了生命的物质与能量观、结构与功能观；对大麦黄矮病毒(BYDV)的M蛋白通过影响细胞中CDK1的磷酸化水平使农作物患病的分析，主要体现了对科学思维的考查，渗透了分析与综合、批判性思维。

(2)构建概念模型解题：为了更加准确地解答试题，可以在试题旁边先画出细胞周期直线表示形式流程图(或圆形图形形式)，在直线下面标出细胞分裂间期和分裂期。在直线上面标出CDK1与磷酸通过磷酸化酶形成CDK1-P，反方向标出去磷酸化过程，构成CDK1磷酸化水平调节细胞周期模型(图2)。对照构建的模型，就很容易判断选项正确与错误。

图2 CDK1的磷酸化水平

CDK1发生磷酸化，形成磷酸化的CDK1(即CDK1-P)，磷酸化的CDK1发生去磷酸化后，形成CDK1和磷酸。CDK1与磷酸化的CDK1相互转化过程，与教材中ATP与ADP转化过程非常相似，学生对ATP与ADP转化过程非常熟悉，在生物体中都有相应酶参与该生理过程，这样就很容易理解CDK1与磷酸化的CDK1之间的转化，调控细胞分裂周期的生理作用。再利用细胞分裂周期直线图的概念模型，更容易分析解答此题。该题采用概念模型的方式解题，找寻课本上的原型，揭开情境题的面纱。对这类概念模型试题，教师在平时指导学生做题时不仅要“圈、点、勾、画”，还要让学生学会把文字信息转化为图示形式，分析试题中蕴含的生物概念模型，琢磨知识点之间的联系，炼就一双“火眼金睛”，整合知识，能从这件描述生活场景和前沿科技的“外衣”下，梳理出考查知识点，构建相应模型，分析解题思路，正确解答试题。

2.3 物理模型解答实例

【例2】(2019年，全国卷Ⅱ，第3题)某种H+-ATPase是一种位于膜上的载体蛋白，具有ATP水解酶活性，能够利用水解ATP释放的能量逆浓度梯度跨膜转运H+。①将某植物气孔的保卫细胞悬浮在一定pH的溶液中(假设细胞内的pH高于细胞外)，置于暗中一段时间后，溶液的pH不变。②再将含有保卫细胞的该溶液分成两组，一组照射蓝光后溶液的pH明显降低；另一组先在溶液中加入H+-ATPase 的抑制剂(抑制ATP水解)，再用蓝光照射，溶液的pH不变。根据上述实验结果，下列推测不合理的是( )

A.H+-ATPase位于保卫细胞质膜上，蓝光能够引起细胞内的H+转运到细胞外

B.蓝光通过保卫细胞质膜上的H+-ATPase发挥作用导致H+逆浓度梯度跨膜运输

C.H+-ATPase逆浓度梯度跨膜转运H+所需的能量可由蓝光直接提供

D.溶液中的H+不能通过自由扩散的方式透过细胞质膜进入保卫细胞

【答案】C

(1)情境与考查要求：本题以H+-ATPase的定义和实验为情境，属于科学实验和探究情境中的复杂情境。试题考查主动运输和被动运输的特点及影响因素，要求学生综合运用所学的生物学知识解释科学探究情境中的问题，体现应用性和创新性。

必备知识：本题主要考查“物质进入细胞的方式”“ATP在能量代谢中的作用”和“光合作用的基本过程”等知识，突出考查H+的跨膜运输过程及影响因素。

关键能力：理解H+-ATPase的本质及作用是答题的前提，试题考查学生获取关键信息和解释生物学现象的理解能力。以H+-ATPase相关科学实验为载体，考查学生利用所学知识对相关生物学问题做出科学解释的实验探究能力和解决问题能力。

学科素养：本题侧重考查生命观念、科学思维和科学探究素养。H+-ATPase的功能对H+跨膜运输的过程及影响因素的分析，主要体现对生命观念的考查，渗透了生命的物质与能量观、结构与功能观；应用植物生理学知识分析蓝光照射引起溶液pH变化的原因，主要体现对科学思维的考查，渗透了分析与综合、批判性思维的科学思维素养；在设计实验、得出结论及对实验原理的探究上，主要体现对科学探究素养的考查，渗透了利用新思维在新情境中分析问题和解决问题的素养。

(3)构建物理模型解题：在试题旁边先画出带有载体蛋白的细胞膜结构简图，同时在细胞膜内侧载体蛋白上画上ATP的水解过程(图3)。看到构建的模型简图，很多学生立即就会想到课本中主动运输的结构示意图。然后根据结构简图，对题干中的信息进行分析，①将某植物气孔的保卫细胞悬浮在一定pH的溶液中(假设细胞内的pH高于细胞外)，置于暗中一段时间后，溶液的pH不变，说明没有H+通过自由扩散方式进入细胞(注意细胞内的pH高于细胞外，pH越低，说明H+数量或浓度越大，即细胞外H+浓度大)。②再将含有保卫细胞的该溶液分成两组，一组照射蓝光后溶液的pH明显降低，H+数量或浓度进一步加大，可以得出保卫细胞通过H+-ATPase作用，将细胞内H+转运到细胞外，使细胞外H+增多，pH降低，能量直接来源是ATP，蓝光可以促进细胞内H+转运到细胞外的过程，并不直接提供能量；另一组先在溶液中加入H+-ATPase的抑制剂(抑制ATP水解)，抑制细胞内H+转运到细胞外过程，再用蓝光照射，没有发生H+转运到细胞外的过程，因此，细胞外的溶液的pH不变。

图3 H+-ATPase模型

通过以上分析可以得出，将题干文字信息转化为物理模型(结构模型)，能够更加准确地分析试题，避免其他因素的干扰，如溶液中的H+不能通过自由扩散的方式透过细胞质膜进入保卫细胞的理解以及H+-ATPase逆浓度梯度跨膜转运H+所需的能量是否可由蓝光直接提供，利用构建模型分析，能够清楚、准确、科学地理解命题人的意图，进一步提高答题准确率，这也反映出生物学具有理科属性，需要运用科学思维解答试题。

2.4 数学模型解答实例

【例3】(2019年，全国卷Ⅰ，第6题)某实验小组用细菌甲(异养生物)作为材料来探究不同条件下种群增长的特点，设计了三个实验组，每组接种相同数量的细菌甲后进行培养，培养过程中定时更新培养基，三组的更新时间间隔分别为3 h、10 h、23 h，得到a、b、c三条种群增长曲线，如图4所示。下列叙述错误的是( )

图4 细菌数量图

A.细菌甲能够将培养基中的有机物分解成无机物

B.培养基更换频率的不同，可用来表示环境资源量的不同

C.在培养到23 h之前，a组培养基中的营养和空间条件都是充裕的

D.培养基更新时间间隔为23 h时，种群增长不会出现J型增长阶段

【答案】D

(1)情境载体与考查要求：本题以细菌的培养实验结果绘制的曲线为情境，属于科学实验和探究情境。试题考查种群数量的“J”型增长与“S”型增长之间的过渡类型及种群数量的“S”型增长曲线的形成原因，细菌培养过程中定时更新培养基获得不同的种群增长曲线，可以看作不同条件下种群增长形式的模型。要求学生综合运用所学的种群数量知识解释科学探究情境中的问题，属于基础性、综合性和应用性的考查。

必备知识：种群数量的“J”型增长曲线需要理想的条件，种群数量的“S”型增长曲线形成的条件是有环境阻力。

关键能力：本题考查理解能力、实验与探究能力、获取信息的能力。

学科素养：本题考查生命观念、科学思维、科学探究素养。细菌培养过程中定时更新培养基获得不同的种群增长曲线的分析，主要体现对生命观念的考查，渗透了生命的稳态与平衡观、物质与能量观；对a、b、c三条种群增长曲线的具体分析，体现对科学思维的考查，渗透了分析与综合、批判性思维的科学思维素养，渗透了利用科学思维分析问题和解决问题的科学探究素养。

(2)数学模型解题：先简单在试题旁边画出种群数量的“J”型增长曲线和种群数量的“S”型增长曲线，能够写出细菌数量公式最好，并且标出环境资源条件，如图5所示构建细菌数量的数学模型。细菌数量总数Nt=N02t，其中N0指开始时细菌数量，t指在一定时间内的分裂次数。假如每小时分裂两次，23 h就是分裂46次，理论上数量Nt=N0246个，实际上由于环境资源量影响，如食物、空间条件、代谢类型、代谢产物作用等因素，常常导致实际数量小于理论值。试题中“定时更新培养基，三组的更新时间间隔分别为3 h、10 h、23 h”，说明提供给不同组细菌生长的营养物质的量是不同的，即表示环境条件(食物资源)的不同。a组更换7次、b组更换2次、c组没有更换，说明c组表示对照组实验，a组和b组表示实验组实验。其他培养的条件相同，也就是温度、空间等条件相同，在分析过程中甚至可以认为这些因素不影响实验，关键的区别就是细菌获得的“食物量”不同。

细菌数量总数：Nt=N02t环境资源量：如食物、空间条件、代谢产物作用等因素图5 种群数量模型

根据数学模型，分析如下：细菌甲属于异养生物，在培养基中的生长过程中，可以将有机物(例如葡萄糖等)氧化分解，产生CO2和水，并释放出能量，选项A正确；在题目所表示的种群增长模型中，培养基更新时间间隔分别为3 h、10 h、23 h，说明提供给不同组细菌生长的营养物质的量是不同的，表示环境资源(食物资源)的不同，选项B正确；a组中培养基更新频率最高，“食物”充足，细菌增长曲线大致呈“J”型，是c组(对照)两倍多，说明是在营养和空间等条件都充裕的情况下出现的，选项C正确；比较b组与c组更新培养基的时间间隔，b组更换2次、c组没有更换，最后b组细菌数量并不是c组的两倍，只是多了点，说明c组在现有环境资源已经达到或接近环境容纳量(最大值)，但在培养初期(如3 h之前)，营养和空间等条件和a组是一样的，也是相对充裕的，该阶段种群是呈“J”型增长的，选项D错误。

以上结合数学模型分析的过程，可以看出，数学模型能够有效改变学生的认识方式，理清解题思路，提高做题准确率。应用数学模型分析试题，能够使学生更加明白试题的设计思路，如例3，最后影响细菌数量的主要因素就是培养基量，其他因素不需要考虑。让学生充分利用模型，与教材相关内容建立联系，并引导学生运用所学知识尝试分析和解释情境问题，提高其对复杂情境题型的应变能力。

3.教学启示

3.1 平常教学中要重视模型构建

模型构建具有直观性、启发性，有助于学生理解生物结构、生理过程以及相关生物学概念，特别是高中生物学习，生物模型构建可以帮助学生增加感性认识，克服对微观结构认识的困难。基于学生学科核心素养发展的需要，深入推进模型建构教学，引导学生自主建构模型，从而在模型建构的过程中，受到思维触动、体悟生物学习的科学方法、自主建构并内化生物概念、解构生物结构、洞悉生物原理、发现生物学规律等，从而发展学生的综合能力，感受到生命的复杂、神奇，领悟生物世界的博大精深，由此产生尊重生命、珍惜生命、关爱生命的情感。如DNA双螺旋结构的模型构建中，学生梳理了科学家们发现DNA双螺旋结构这一探索历程，锻炼了自主阅读、归纳概括的能力。在讨论过程中，不同观点的争论更有助于学生认识到科学研究中灵感、直觉、实证、严谨与创造性等的重要性。通过小组合作完成“DNA双螺旋结构”模型，发展了学生的发散性思维，提高了学生的分析推理能力，培养了学生的合作精神、交往能力。同时，完成构建模型的过程也是跟随科学家完成DNA双螺旋模型建构的过程，在这个过程中学生了解了模型建构的科学方法。因此，巧用模型构建能够训练学生归纳概括、演绎推理等多种科学思维，提升学生严谨审慎、求实求真的社会责任意识。

3.2 模型构建中要注重学生科学思维的培养

模型建构本身具有高度的抽象性，如何在抽象和形象之间建立起联系的通道，这就需要教师调动学生的想象力，使想象力成为抽象和形象之间的桥梁，直指模型建构内核，引领学生借助想象力自主完成模型建构，并使之成为学生科学探究、思维发展的有效手段。教师通过指导学生利用已有知识构建模型，再联系生产生活实际，建立新旧知识之间的关系，建立模型和知识之间的关联，促进学生形成生命观念、发展科学思维，培养学科核心素养。

3.3 借助模型提高对复杂情境题型的应变能力

高考试题中的新信息、新情境题，以“新情境”的形式呈现，情境创设材料贴近生活、生产实践中的具体事例，体现社会热点，强调理论联系实际，突出应用性。教师在备考中要注意梳理与学科相关的科学实验、突出成就和热点问题。例如，近几年的诺贝尔生理与医学奖、科技前沿最新进展等生物学重大事件。教师要对情境材料进行收集和研究，将这些内容引入课堂讨论，与教材相关内容建立联系，并引导学生运用所学知识尝试分析和解释，帮助学生有效分析信息，提高对复杂情境题型的应变能力。讲解试题过程中，分析获取题干信息的方法，借助课本中的模型，明确“情境信息”和“已有知识”之间的逻辑关系，寻找实现整合知识的途径，提高情境试题解答能力。

总的来说，通过构建模型的方法进行教学或解题，能够加深学生对生物学基本概念、基本原理的理解，并有助于学生掌握生物学基本技能，帮助学生构建正确的知识体系，培养学生的创新精神，提高观察分析、实验探究等综合能力。