创设实验情境命制指向核心素养评价的生物学原创题

摘要：依托实验情境命制指向核心素养评价的生物学原创题，一般需经过确定试题主题与情境、基于学科核心素养构思设问两大步骤。确定试题情境时要通过研读教材挖掘情境线索，结合最新科研成果、生活热点等确定情境素材，根据学情改编素材内容；设问时要围绕必备知识、关键能力及发展学生学科核心素养的目标，设置层层递进、有易有难、有区分度的问题。关键词：实验情境；核心素养；原创题；高中生物学《中国高考评价体系》明确指出试题情境是考查学生能力和素养的载体，通过选取适宜的素材，再现生物学理论产生的场景或呈现现实中的问题情境，让考生在真实的背景下发挥核心价值的引领作用，运用必备知识和关键能力去解决与生物学有关的实际问题［1］。生物学学科核心素养包括生命观念、科学思维、科学探究和社会责任。生物学课程以发展学生的学科核心素养为主要目标，那么，生物学试题则应以评价学生学科核心素养水平为目标。如何选取适合的情境？如何在创设的情境中挖掘考点有效地评价学生的学科核心素养？这是笔者在命制原创题的过程中不断思考的问题。现以命制一道光合作用原创题为例，论述试题命制思路和流程。一、层层递进确定命题主题与情境（一）从教材中找寻命题主题人教版高中生物学教材必修1第5章第4节“光合作用与能量转化”的“问题探讨”提到了植物工厂。植物工厂在人工精密控制条件下生产蔬菜和其他植物。有的植物完全依靠LED灯等人工光源，其中常见的是红色、蓝色和白色光源。其中的讨论题第1小题提问：靠人工光源生产蔬菜有什么好处？而在教材第101页“练习与应用”拓展应用的第2小题又提问：与传统的生产方式相比，植物工厂生产蔬菜等食物有哪些优势？又面临哪些困难？你对植物工厂的发展前景持什么观点？教材这两处内容均涉及植物工厂生产蔬菜。光合作用是生物圈得以维持运转的基础，而厘清光合作用的原理并加以运用将为人类生活带来福音，植物工厂就是一个合理运用光合作用造福人类的生动案例。教材第105页的“探究·实践”栏目要求学生进行探究性实验：探究环境因素对光合作用强度的影响。教材提供的参考案例是探究光照强度对光合作用强度的影响。笔者完成这部分内容授课后，为激发学生的探究精神，进一步提问学生：除了光照强度，你们还想到探究哪些其他的环境因素对光合作用强度的影响？学生想到了ZwFOfWqOEVqNSy/K/cz65A==不同的CO2浓度、温度、湿度等。其中有一名学生提到不同波长的光，比如红光、蓝光、白光对光合作用的影响。有学生进一步补充：不同波光的光按不同比例进行搭配后对光合作用强度有怎样的影响？而这个问题也是教师和学生很少思考到的，在练习题中也较少出现。基于教材的这两个素材及学生提出的问题，笔者决定以探究植物工厂中不同光质配比对植物光合作用的影响命制一道原创题。（二）从科研文献中找寻情境素材探究植物工厂中不同光质配比对植物光合作用的影响的试题，应以真实科研情境为背景。于是笔者在中国知网上进行相关的搜索：在“主题”中输入“植物工厂”“不同光质配比”等关键词后，搜索出34篇相关文献，其中近5年的文献有21篇，而10年前的文献仅有3篇。可见，针对不同光质配比对植物生长的影响的研究近几年研究频率有所提高，而近5年的文献中，有7篇是期刊刊载的文章，其余14篇为硕士和博士论文。硕士和博士论文中的理论较为复杂，要简化、改编成高中生能够理解的一道题目工作量较大，所以笔者优先选择期刊刊载的文章。期刊刊载的文章中研究用到的植物种类有生菜、水芹、樱桃萝卜等，其中以生菜为研究对象的较多，且考虑到学生可能对生菜更为熟悉，所以笔者决定针对研究生菜的文章做进一步筛选。最后，笔者选择了发表时间最近的、符合命题主题的一篇论文——《植物工厂LED光质调控对生菜幼苗生长的影响》作为原创题的素材。文章主要研究不同红蓝光配比的LED光质对生菜幼苗生长的影响，以生菜的叶片数、株高、植株干重、地上部分干重和地下部分干重、壮苗指数、叶片叶绿素含量和氮含量等作为检测指标，结论是红光与蓝光之比为3∶2是适合植物工厂生菜育苗的光质配比［2］。检测的指标中，植株的干重、叶绿素含量以及氮含量与高中生物学学习内容密切相关，与之相关的理论在高中教材中也能找到相匹配的知识点，而其他检测指标对生菜的生长固然重要，但是不容易挖掘与高中生物学相关的考点，所以可以进行适当删减。研究结果以柱形图的形式展示出来，让读者一目了然，图片可以直接引用到题目中，不需要太多改动。可见，这篇论文是一份优质的可用于改编成原创题的素材。二、基于学科核心素养评价构思设问生物学学科核心素养包括生命观念、科学思维、科学探究和社会责任等四个方面，基于学科核心素养评价构思设问时应紧紧围绕这四个方面进行。“光合作用与能量转化”这一课是发展学生结构与功能观、物质和能量观的优质载体，例如，由于类囊体薄膜中有光反应有关的色素和酶，叶绿体的光反应可以在叶绿体的类囊体薄膜中进行；叶绿体基质中有暗反应有关的酶及其他相关物质，因而暗反应在叶绿体基质中进行。这些都体现了叶绿体的结构与功能相适应的特点。此外，光合作用光反应中的光能被光合色素吸收后，可以用于水的光解产生氧和NADPH（还原型辅酶Ⅱ），以及在酶的作用下转化成ATP中的化学能，因此光合作用的光反应需要光，这些知识体现了能力代谢维持生命活动的原理。试题情境是研究LED光质对植物生长的影响，因此，第1问可结合光合作用必备知识设问，主要测评生命观念方面的生物学学科核心素养。《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）指出，学生应能够在给出的多个方案中选取恰当的方案并实施；选用恰当的方法如实记录和分析实验结果；基于给定的条件，设计并实施探究实验方案或工程学实践方案。在《课程标准》的指导下，结合情境素材中探究LED光质对生菜幼苗生长影响的实验，第2问与第3问可以着重测评学生科学思维、科学探究两个方面的素养，如考查实验组与对照组的设计、减小实验误差的方法以及实验结果的分析等。社会责任素养是指基于生物学认识，参与个人与社会事务的讨论，作出理性解释和判断，解决生产生活问题的担当和能力。通过生物学学习，学生应能关注生物学技术在生产生活中的应用；能通过科学实践，尝试解决现实生活中的生物学问题。为测评学生社会责任素养的发展水平，第4问可设计为探讨如何用实验结论优化生产。三、试题呈现与分析（一）试题呈现为探究植物工厂中不同红蓝光配比的光质对生菜育苗的影响，研究人员将一批同种、活性相同的若干生菜种子平均分为6组，其中1组为对照组（CK组），另外5组为实验组，实验组的处理如表1所示，实验过程其他条件相同且适宜。一段时间后，研究人员对生菜的生长结果进行检测，部分实验结果如下页图1、图2所示。回答下列相关问题。1.生菜的叶肉细胞吸收光能可用于进行光反应，光反应的场所位于叶绿体的，光合色素吸收的光能主要有两方面的用途，一是将水分解成氧和H+，H+与NADP+结合形成NADPH；二是________________________。2.本实验中的对照组应选用___________光（填“蓝”“红”或“白”）。实验过程中研究人员进行3次重复实验，并且每次实验中每个组均重复播种3盘种子的原因是________________________。3.图1中，B、C两组的干重均明显高于其他组，意味着B组和C组处理下，生菜植株的光合速率较高（填“总”或“净”）。图1中的C组干重略高于B组，据图2的两个指标的检测结果，分析其原因可能是__________________________。4.基于本实验，植物工厂中生菜育苗的优选光质配比应为_____________。（二）试题分析不同光质配比与生菜光反应直接相关，第1问既考查了学生的必备知识——光反应的场所及色素吸收光能后的用途，又考查了学生的结构与功能观和物质与能量观，难度较小。生物学科学探究素养包括能够发现现实世界中的生物学问题，针对特定的生物学现象，进行观察、提问、实验设计、方案实施以及结果的交流与讨论［4］。试题第2问第1空就考查了实验中对照组的设计，学生要具备以下知识才能准确作答：自然状态下，白光是复合光，所以在本实验中应以白光作为对照。其次，第2题的第2空考查了实验探究要遵循平行重复的原则，这样才能避免偶然因素对实验结果造成影响，减小实验误差，提高实验的可信度。另外，第3问要求学生分析图1和图2中柱形图呈现的实验结果，考查了学生对实验结果的分析能力，并在第4问中设问应选择何种光质配比进行生菜育苗，考查了学生分析实验结果得出实验结论的能力。测评科学思维更多是针对因果关系进行。按照测评因果关系的侧重面和因果关系的逻辑深度，可将因果关系分为由因推果、由果溯因等方式，这些方式体现了逻辑思维的深度，从而可以将测评因果关系分为判断、解释、预测、评估、设计，共五个层次［3］。试题第3问的第1空要求学生根据B、C两组干重较高的现象，判断出B、C两组的净光合速率还是总光合速率高于其他组，测评了科学思维中的“判断”层次，既涉及性质的判断，又涉及关系的判断。学生必须通过干重较高体现了植物有机物质的积累量较高，判断出光合作用合成有机物的速率和呼吸作用消耗有机物的速率差值较大，进而判断出是净光合速率较高。本空既考查了必备知识——干重与净光合速率、总光合速率、呼吸速率三者之间的关系，又测评了学生的科学思维中“判断”层次。试题第3问第2空要求学生据图2分析出图1中C组干重大于B组干重的原因。本空考查了学生是否掌握以下必备知识：叶绿素与光合速率及光合作用产物之间的关系，氮元素与蛋白质、叶绿素等物质的关系；考查了学生是否会依据概念和逻辑对实验结果进行分析和说明，所以该空体现了更深层次的科学思维测评——“解释”层次。试题以探究性实验为背景，最终的目的是将实验结果服务于生产实践，第4问就体现了知识用于指导生产实践的理念，体现了生物学科发展与劳动实践、生产实践的密切关系，有利于学生树立尊重劳动、热爱劳动的意识，内化劳动观念。试题改编于真实科研情境，具有真实性、科学性，将实验流程精简地呈现出来创设实验情境，可以促使学生在沉浸式体验中思考，从而培养学生的科学探究精神。试题情境的信息量较大，对学生的必备知识、关键能力都有较高的要求。试题设问层层递进、由易到难，考点与教材联系紧密，考查了学生思维的深度。而试题最终的落脚点是将实验结果用于指导生产实践，体现了运用学科知识解决实际问题的理念，符合生物学学科核心素养评价的命制要求。四、试题命制建议通过确定试题主题与情境、基于学科核心素养设问两大步骤，笔者命制出了一道与教材联系紧密、情境新颖、设问层层递进、全面考查学生学科核心素养的生物学试题。为提升运用这样的“两步走”方式命制原创试题的效果，笔者提出如下建议。（一）根据学情确定试题主题教师在平时授课以及课后与学生交流的过程中，要密切关注学生的反馈，特别是留意学生有疑惑的知识点，根据学生的疑问去挖掘命题的主题，有利于提升学生的知识水平。但是试题的内容和主题不应脱离教材，应基于教材主体内容，最好在试题的选择和命制过程中明确考点内容的双向细目表，避免命题出现内容重复或遗漏的现象。（二）重视情境的选择无情境不成题，脱离情境的考查不足以全面考查学生的能力和素养，所以试题命制过程中情境的确定尤其重要，只有确定了情境之后，才能进行之后的命题步骤。而情境素材的来源既可以是教材中的实验、科学史、问题改编及延伸拓展，还可以是科研论文、社会热点、新闻等。教师在选择的过程中需善于甄别，尽可能保证素材的科学性、严谨性。确定素材后，需要对素材进行适当删减，尤其是对来自硕士、博士学位论文的素材，还需要将文中高中生难以理解的文字叙述转化成他们容易理解的文字或流程图；对于较复杂的图表，教师需要将其转化成学生易懂的图表，但值得注意的是，改编素材切不可改变原文的观点。在试题命制过程中，教师选择的情境不应拘泥于一种，而应尽可能让学生在平时的测评中体验多种情境，让学生在丰富的情境中进行深度的思维训练，这更有利于学生迅速成长，使其在不同的情境中体验到生物学科的博大精深和生物学知识的魅力，从而提升学生的能力，提高学生的学习乐趣。（三）精心构思设问确定试题情境和考点后，要根据考查的意图和学生的情况而设问。问题应围绕必备知识、关键能力及发展学生学科核心素养的目标设置。问题层层递进、有易有难、有区分度。设置的问题不应以难倒学生为目的，而是让学生在思考过程中提升能力、发展素养。在包含实验情境的试题中，可以对实验设计的原理、选材、过程、结果、实验遵循的原则进行设问，还可以转换思路，从评价实验的科学性、可行性等角度设问。考查学生社会责任素养的设问，不应敷衍了事，如命制依托生产实践情境的试题，可以针对实践的方法、过程、步骤设问；命制依托社会热点情境的