基于读图的生物学专业能力考核改革与实践

马晓焉， 陈振娅， 霍毅欣

(北京理工大学 生命学院 分子医学与生物诊疗工业和信息化部重点实验室， 北京 100081)

生物学是一门理论与实践紧密结合的实验性科学，其一般性技术路线包括生物学现象的观察、科学问题的提炼、理论假设的提出、试验方案的制定、生物指标的检测、试验结果的分析，以及研究结论的凝练。实施这一路线特别强调三个方面的能力：第一是信息提取能力。生物学研究涉及的信息类型众多，除常见的图表类信息外，还包括序列、结构、照片、影像等，这要求从业者能够快速准确地从繁杂的数据中提取关键信息，从而为前提假设的提出，主导原因的判定，实验结论的归纳等提供依据。第二是逻辑思维分析能力。生物学涉及多种法则，各种生命活动都遵循一定的因果规律，但由于生物系统的复杂性和多样性，表观现象往往是多重因果关系的级联或共同作用，并往往伴随多种干扰因素，只有科学应用生物学逻辑思维进行逐层剖析，才能透过现象看清本质。第三是生物学理论的应用能力。当前的生物学早已突破基础研究的范畴，扩展出涵盖农业、化工、食品、环保等多个应用领域的分支学科，旨在解决实际的工程应用问题，这要求从业者能够灵活运用科学理论指导实践，进行知识融合与技术集成。

尽管生物学相关学科对上述能力的要求越发提升，相当一部分生物类专业本科生的能力水平仍与预期存在较大差距，并集中反映在研究生阶段的科研工作中。在信息提取方面，主要存在的问题包括：(1)缺乏观察的条理性。该问题集中反映在数据图的解读过程中，许多学生没有养成由总体到局部，由对照到处理的读图习惯，导致过多关注个别数据而忽略总体趋势，或者因没有参比对照而得出错误结论。(2)认知理解能力不足。该问题主要体现在对生物学抽象概念(如DNA双螺旋结构、分子机器的作用机制)的认知方面，许多学生没有掌握通过类比日常经验来辅助理解抽象事物的技巧，对抽象概念的理解停留于表面，甚至形成错误的认知，阻碍了对专业知识的融会贯通。在逻辑思维方面，主要问题包括：(1)思维条理性不足。存在逻辑跳步、颠倒、错乱等问题，导致在分析实验现象时无法根据生物学原理区分主次因素梳理出完整的因果链条；遇到异常试验结果时，难以根据现象反推原因，只能通过随机试错寻求问题的解决方案。(2)思维零散化、片面化。思考问题不全面、不系统，无法进行有效的归纳，对研究结论的总结往往不全面、不客观、不准确。在理论应用方面，主要短板是对实际问题的剖析不透彻。现实应用中所涉及的因素往往比理论的适用条件更加复杂，对问题的理解程度直接决定理论的应用效果，只有根据实际情况抽提出主要矛盾，才能正确选择理论指导问题的解决。否则就会出现理论与实际的脱离，遇到与书本案例不尽相同的应用问题便会头脑空白。

随着生物学从业者职业标准的不断提高，生物学高级专业人才的选拔亟需开展对上述问题的全面考查。传统的生物科目考试以理论性、概念性、原理性的知识点类考题为主，主要强调内容记忆。虽然能够选拔出知识掌握相对熟练的考生，但也不乏依靠死记硬背取得高分而专业能力存在显著短板的考生，难以全面反映受试者在信息提取、逻辑思维和理论应用方面的真实能力。因此，在强调教学方法改革的同时，也应同步开展课程考核及人才选拔方式的改革探索，针对上述能力开展考题改革与创新迫在眉睫[1-2]。以图示替代文字的读图型问答题为评估上述能力提供了一种理想方式。

1 读图型问答题的特点及设计原则

不同于常见的文字型问答题，读图型问答题以图片为题干，图片内容可以是数据规律的展示、试验方法的说明、机理概念的图解、工程策略的设计等，受试者需要读懂图片内容，并基于所提供的信息回答问题。可要求受试者用文字阐述图示的机理、方法或策略，也可要求受试者根据图示原理设计应用问题的解决方案。在解决问题的过程中，受试者需要：(1)整体浏览，把握图片考查的学科主题；(2)信息转换，将图中元素转化为明确的生物学概念并梳理其逻辑关系；(3)调动知识，解读图示的生物学过程；(4)推理想象，挖掘隐藏的关键线索；(5)信息加工，提炼图示生物过程的规律；(6)剖析问题，认清题目的考查目的及其与题干的关系；(7)思维拓展，将图示规律应用于新问题的解决。由此可见，该题型可同时考查受试者的信息提取、逻辑分析和理论应用能力，避免了单纯的知识记忆对真实专业能力的掩盖，直指受试者的专业素养。相比之下，传统的问答题普遍是对知识点的罗列式考查，即使是实验设计类考题，也无法完全覆盖上述3种专业能力。因此，读图型问答题是一种更适合于当下生物类人才选拔的试题形式。

读图类试题的图片素材可取自学术论文、专业教材、发明专利等具有可信度的科学资料，命题人需要根据考查目标对图片进行调整，最终的考试用图需符合以下标准。首先是科学性，图中生物分子、细胞形态等元素的组成及结构要准确无误，图示信息不能与生物学常识相悖，对假说及缺乏试验证据的图片需谨慎使用；其次是信息的完整性，图片应配备相应的背景说明文字，图中所有元素都应完整标注指代对象，对关键步骤，建议在题干中加注文字补充；最后是图片的可读性，当前的学术资料图多以颜色进行不同元素或实验组的区分，而试卷印刷图片以黑白为主，因此，需要将颜色转化为可分辨的灰度、形状或填充样式。对包含多个图片的组图，还要保证同一元素展示方式的统一。另外，问题的设置也应有据可依，不应超出图示内容和课程大纲所覆盖的知识范围，受试者基于对图片的理解及合理分析即可获得解题的全部信息。

2 案例分析

在此，本文将以3个案例分别说明描述型、推理型和应用型三类读图型问答题对专业知识和能力的考查方式。

案例1：密码子扩展是近年来兴起的一项新技术，它通过人工改造手段将天然的密码子重新分配给20种蛋白质氨基酸之外的其他氨基酸，使这类氨基酸能够参与肽链合成，从而赋予蛋白质新的功能特性。实施密码子扩展需要对菌株及目标蛋白的编码基因进行改造，图1展示了将野生型大肠杆菌改造为可用于密码子扩展的宿主菌株的过程[3]，请参照该图，描述密码子扩展的原理、过程，以及各个改造环节的意义。图中RF指代释放因子(Release Factor)，符号Δ代表基因敲除。

图1 密码子扩展中对宿主菌株和目标序列的改造Figure 1 Engineering of host strain and the sequence of interest in codon expansion

本试题为描述型读图题，属于分子生物学范畴，考查了对翻译过程的理解，涉及遗传密码子、tRNA氨酰化、核糖体工作机制、翻译终止等知识点。题干文字说明了本题的应用背景，图1中3幅图片从左至右依次展示了野生型菌株的终止密码子识别与翻译终止机制、对宿主菌株终止密码子和释放因子的改造、终止密码子的重分配及对编码基因的改造过程。在解题过程中，受试者需要分析每项工程改造的生物学依据，如为何选择终止密码子UAG作为改造对象，为何删除释放因子RF1而非RF2等。在此基础上，需要进行一定的理论推理以填补图中未展示的改造步骤，如通过改造哪些翻译元件可使终止密码子被tRNA识别，并使该tRNA与非蛋白质氨基酸发生氨酰化反应。最后，受试者还需以科学准确的文字，按照清晰的逻辑描述整个密码子扩展过程。具体得分点包括：(1)明确原理。终止密码子UAG是包括大肠杆菌在内的多数细菌中使用频率最低的密码子，因此，对该密码子进行编码功能的重分配可最小化对自身基因表达的干扰。(2)阐述翻译终止机制。图1(a)显示了细菌中mRNA的翻译终止机制，UAG、UAA和UGA均为终止密码子，其中释放因子RF1负责识别UAG和UAA，释放因子RF2识别UGA，同时也能识别UAA，当核糖体移动至终止密码子UAG处时，释放因子RF1识别UAG并与核糖体(A位)结合，促使肽链释放。(3)阐明图示的菌株改造方法及其意义。为实现密码子扩展，需要删除菌株的释放因子RF1，使UAG丧失终止功能以被用于氨基酸编码，同时，删除RF1也防止了携带UAG密码子的目标蛋白编码基因被提前终止；其次，需要将菌株基因组中的所有终止密码子UAG替换为UAA或UGA，使得原本以UAG为终止密码子的基因得以正常终止翻译；最后，为实现UAG编码，还需对相应的翻译元件进行改造，包括将tRNA的反密码子改造为CUA以进行UAG识别，以及构建能够识别目标氨基酸和tRNA的氨酰tRNA合成酶。完成上述改造后，只需在目标蛋白质的编码基因中引入UAG密码子，即可被改造后的翻译系统自动识别并在肽链中加入目标氨基酸。

案例2：基因线路是由不同功能的生物分子和基因元件组成的自动控制装置，通过在活细胞中感受、整合和处理分子信号，行使特定的生物功能[4]。逻辑门是一种基本的基因线路，可执行类似于布尔逻辑中的“与”“或”“非”等运算。图2分别展示了一种“非”门[图2(a)]和“或”门[图2(b)]的基因线路构架方式[5]，A和B代表两种输入信号，启动子的转录(以P表示)表征信号输出，表中“0”代表无信号，“1”代表有信号。请参照“非”门和“或”门的构架方式，设计一种“异或”门[图2(c)]基因线路，实现表中所示运算。

(a)“非”门；(b)“或”门；(c)“异或”门。图2 逻辑门基因线路Figure 2 Logic gate gene circuits

本试题为推理型读图题，以合成生物学中的基因线路为素材，考查分子生物学和微生物学中基因转录的相关内容。测试了受试者对转录元件、RNA聚合酶结构、转录起始、转录激活和转录抑制过程的掌握程度，重点考查了对转录调控中阻遏蛋白和激活因子作用机制的理解。受试者需要以逻辑思维重新理解分子生物学过程。如图2(a)所示，转录负调控本质上是一个“非”门，转录因子A(阻遏蛋白)的出现会阻止RNA聚合酶对启动子的转录，致使下游基因无法表达，即信号A出现时，系统不产生输出信号，反之则产生信号。而作用于同一靶标的多个转录正调控可以理解为“或”运算，如图2(b)所示，转录因子A和B均能与RNA聚合酶的α亚基发生相互作用，从而激活RNA聚合酶的转录，只有当其中的至少一个转录因子出现在启动子上游的结合位点时，下游的转录才能开启，即系统输出信号的产生依赖于信号A、B中的任意一个，A和B的同时出现也能诱导信号输出，只有在A和B都不出现时，信号输出才被终止。

本题将教科书中的转录调控模式图转化为逻辑运算图表，首先考验受试者对转录调控本质的理解，通过对知识的融会贯通，建立转录调控与逻辑运算的联系。其次考验了信息的总结提取能力，即通过分析案例中的两类逻辑门线路，归纳出转录因子结合位点的位置是决定逻辑运算类型的关键。当结合位点处于启动子内部时，转录因子发挥阻遏作用，产生“非”运算，当多个结合位点处于启动子上游时，转录因子发挥激活作用，产生“或”运算。本题重点考验了逻辑分析能力，受试者需要根据“异或”门真值表推断该逻辑门的工作方式，即仅当A和B中有一个输入时，系统才有输出信号，而A和B同时出现时，系统反而不产生输出信号。由此可见，“异或”门可在一定程度上看作“非”门和“或”门的叠加。在理解基因线路原理和各类元件功能的基础上，受试者需要自行设计“异或”门的基因线路，在此特别考查了受试者的图示能力，如何用图画阐明设计思路，达到清晰简明、要素齐全、标注准确、排版美观的目标是评估受试者科研潜力的一项重要指标。本题的参考答案见图2(c)。

案例3：图3所示的是谷氨酸棒杆菌的分支氨基酸生物合成途径[6-7]。其中斜体字表示基因名称，括号中的缩写表示酶的名称。虚线和灰色线条分别表示反馈抑制和转录衰减作用。现要将谷氨酸棒杆菌改造成为一株L-亮氨酸高产菌，请设计至少3种改造方案。图3中缩写分别代表：TDH苏氨酸脱水酶，AHAS乙酰乳酸合酶，AHAIR乙酰乳酸异构还原酶，AK天冬氨酸激酶，ASADH天冬氨酸半醛脱氢酶，BCAT分支氨基酸转氨酶，DHAD二羟酸脱水酶，HDH高丝氨酸脱氢酶，HK高丝氨酸激酶，IPMD异丙基苹果酸脱氢酶，IPMI苹果酸异丙酯异构酶，IPMS异丙基苹果酸合酶，TDH苏氨酸脱水酶，TrAT酪氨酸抑制型转氨酶。

图3 分支氨基酸的生物合成途径Figure 3 Biosynthetic pathway for branched-chain amino acid

本试题为应用型读图题，属于生物化学的范畴。以氨基酸合成途径为例，考查了对生化过程及其调控的理解。该题并不依赖于对分支氨基酸合成途径的记忆，而是考查对合成途径构架的解析，受试者需要以模块化思维拆解这一合成途径。总体上，该途径由前体供应和3条合成途径构成，其中糖酵解途径为3种分支氨基酸的合成提供了共同前体丙酮酸，此后合成途径分为两支：一支与L-苏氨酸的脱氨产物2-酮丁酸共同合成L-异亮氨酸；另一支路产生L-缬氨酸和L-亮氨酸。这一支路在生成酮异戊酸后再次分为两支，其中一支经一步转化生成L-缬氨酸；另一支经三步转化生成L-亮氨酸。由此可见，3种分支氨基酸的合成之间既相互依附又相互竞争，丙酮酸和酮异戊酸均是代谢流的竞争节点。进一步分析合成途径的催化酶可发现，L-异亮氨酸和L-缬氨酸共享ilvCDE编码的3种催化酶，即这3种酶可以识别不同底物，将2-乙酰-2-羟基丁酸或乙酰乳酸分别转化为L-异亮氨酸或L-缬氨酸。除合成步骤外，图3中还显示了调控关系这一关键信息，3种氨基酸均对合成途径中的关键酶产生不同形式的负调控作用。最后，3种氨基酸还可被不同的转运蛋白吸收或外排出细胞。

上述分析重点考查了受试者对生化过程和调控的理解，在读懂、读透题图的基础上，受试者需要活学活用，提出促进L-亮氨酸合成的策略。具有较强专业能力的受试者可以提出如下几类策略：(1)“开源”策略。通过过表达糖酵解合成途径来加快葡萄糖向丙酮酸的转化，为分支氨基酸的合成提供充足前体，以及过表达leuABCD和tyrB，驱动酮异戊酸投入L-亮氨酸的合成。(2)“节流”策略。即削弱竞争分支途径，减少L-亮氨酸前体的额外消耗，如对丙氨酸向L-异亮氨酸的分流途径，可通过敲低或敲除ilvA来减少AHAS酶的催化底物，从而抑制丙酮酸向2-乙酰-2-羟基丁酸的转化，使更多的丙酮酸分配至乙酰乳酸的合成。同时，因L-异亮氨酸的前体供应被阻断，可在此基础上过表达ilvCD，强化乙酰乳酸到酮异戊酸的转化。(3)解除反馈抑制。可通过对AHAS、IPMS、DHAD等受L-亮氨酸调控的催化酶实施蛋白质工程，削弱变构效应，对AHAS和IPMS的转录衰减作用，可直接删除基因上游的衰减子。(4)转运调控。该策略的主要目的是降低产物L-亮氨酸在胞内的累积，促使酶促反应向生成L-亮氨酸的方向进行，可通过过表达brnFE或敲除brnQ实现。

由此可见，本题特别强调受试者的思维条理性和全局观。表面上针对氨基酸合成途径进行考查，实则评估了受试者对生化网络拓扑结构、代谢资源分配、转录衰减、变构调节、酶促反应平衡等方面的理解。因此，单纯记忆合成途径中化合物及酶的组成对解答本题并无直接帮助，信息的提取归纳、因果关系的逻辑梳理、专业理论的灵活运用才是得分制胜的关键，这也正是读图型问答题的优势所在。

3 实施效果

为探究读图型问答题的实际考核效果，在分子生物学的本科课程考试中加入了包括案例一在内的读图型问答题。受试者为双一流大学生物技术专业大三年级本科生，总人数23人，男、女比例15∶8。试卷针对分子生物学中的复制、转录和翻译3大模块，对同类知识点分别设置了名词解释题、基础型问答题和读图型问答题3类题目，其中前两类题型主要考查对基本概念的记忆熟练度，而读图型型问答题更侧重专业能力考查。名词解释题共10小题，每个小题2分，总分20分。两类问答题共8小题，每题10分，总分80分。成绩分析表明，读图型问答题在实际考核中表现出优秀的成绩区分度，实际得分区间为2～9分，平均5.6分，总体近似正态分布[图4(a)]。以满分的90%、80%和60%划分优秀、良好和及格分数线，达到优秀的人数比例为4%，良好为17%，及格为26%，不及格为52%。相比之下，同一试卷中基础型问答题的得分并不符合正态分布[图4(b)]，分数超过良好的人数比例达到43%，满分人数比例达到22%，显然无法有效拉开差距。关联分析表明，读图型问答题与基础型问答题的得分并无强相关性[图4(c)]，与名词解释这类概念记忆题无显著相关性[图4(d)]，而基础型问答题与名词解释题的成绩显著关联[图4(e)]，这表明基础型问答题和名词解释题得分较高的学生，在读图型问答题中并不一定能取得相应的分数层次。具体的，在基础型问答题中取得满分的考生中，仅4%的考生在读图题中取得优秀等级，40%在读图题中未达到及格线；在名词解释中取得优秀等级的考生中，仅10%在读图题中达到优秀等级，30%达到良好等级，超半数考生未达到读图题及格线；而对读图题中达到良好以上分数线的考生，80%在基础型问答题和名词解释题中取得优秀等级。以上试题成绩关系表明，基础型问答题与名词解释题考查的方面基本一致，均针对知识记忆的熟练度，而读图型问答题显著有别于这类传统题型，更侧重于对专业思维能力的考查，可以有效淘汰仅记忆了生物学概念的字面含义，而非真正理解其机制原理的“记忆型”考生。后续问调表明，考生普遍认可读图型问答题的新颖性并表现出较高的接受度。过半考生表示该题型调动了逻辑思维、知识联想、信息归纳等方面的能力，部分考生认为解题过程具有趣味性和灵活性，激发了深入学习生物科学的兴趣，同时，也有少部分考生表示此类问答题不如文字型问答题易懂，答题过程不知从何下手，只能列举已记忆的相关知识点。对答题情况较好的学生进行调查发现，多数学生具有参加科研项目或科研竞赛的经历，已接受过基本的科研训练，养成了一定的科研思维和文献阅读习惯，部分学生的科研项目已取得了丰硕的成果，表现出独立从事科学研究的潜力。由此可见，读图型问答题能够更加真实地反映受试者的专业素养，从而为考核评价及人才选拔提供更具价值的参考。经应用效果的检验，其他生物类课程的授课教师也对该题型给予了高度认可，并表示将在生物化学、细胞生物学、微生物学等学科的教学考核及人才选拔中加入更多的“读图”元素。因此，经过实践、考生与同行教师的多方验证评定，读图型问答题可以有效应对生物学学科对信息提取、逻辑分析和理论应用三个方面的能力要求，有助于推动生物学专业人才选拔方法的升级优化，为生物学高端教育质量提供保障。

(a)读图型问答题分数分布；(b)基础型问答题分数分布；(c)(d)读图型问答题与基础型问答题或名词解释题得分的相关性；(e)基础型问答题与名词解释题得分的相关性。P<0.05表示显著；P<0.01表示极显著。图4 成绩分析Figure 4 Score analysis

4 教学方式思考

读图型问答题的作答情况表明，当前我国的生物学教育在思维训练和专业能力培养方面还存在不足，课程教学仍未完全摆脱灌输为主的教学模式，导致部分学生仍将生物学看作一门记忆型学科，从而忽略了对信息提取、逻辑思维和理论应用能力的培养。当考题忠实于课本内容时，普遍能够取得满意的分数，而一旦考题摆脱原始教学材料，作答情况便急转直下。因此，生物学教学方式的探索仍然任重道远。针对专业能力的培养，笔者建议在日常教学中贯彻从理论本质出发的剖析式、推理式及启发式教学方法，结合本文提出的“读图”思路，可借鉴的措施包括：(1)以图示代替文字进行专业理论教学，启发学生从图中抽提理论知识，引导学生根据自身理解将图示内容转化为文字描述，培养学生的信息提取和归纳总结能力；(2)以经典文献作为教学材料，通过解释研究背景、研究思路、研究方法、实验原理等引导学生读懂其中的关键数据图，并鼓励学生从数据图中进行规律总结和结论推导，培养逻辑思维能力；(3)将读图问答训练引入日常教学检验，巩固学生的专业知识，进一步加强对生物学概念的理解；(4)将读图拓展至作图，引导学生以设计图、流程图、技术路线图等形式给出应用问题的图示解决方案，全面强化归纳总结、逻辑思维，以及理论应用能力。在训练量达到一定程度后，可参照问题导向的教学模式[8]，引领学生基于已掌握的知识和方法，运用科学思维独立设计研究方案，在方案讨论和完善中进一步拔高理论水平和专业能力[9-10]。

5 总结

读图型问答题针对当前我国生物学领域从业者普遍存在的问题，瞄准信息提取、逻辑思维和理论应用方面进行综合考查，为真实专业能力的评估提供了新手段，有助于推动生物学专业人才选拔方式与时俱进和升级优化，为生物学高端教育质量提供保障。该题型设计资料来源广泛，方式灵活多变，适用于任何生物学分支门类。在实际应用中可有效填补传统型试题对综合能力考查的不足，展现出良好的成绩区分度。同时，该题型可真实反映学生对专业知识的掌握程度，对评价教学质量、发现教学不足，以及推动教学改革也具有积极的参考意义。