依托實驗探究情境,考查創新思維品質
——評2023年全國乙卷理綜生物第29題

苗 茵

(河南省洛陽市第三高級中學)

2023年全國乙卷的第29題創設不同光質對植物氣孔開度影響的實驗探究情境,通過環環相扣的問題引導學生靈活地將光合作用、物質跨膜運輸方式等必備知識與情境信息有機融合,在論證推理的基礎上對紅光、藍光促進氣孔打開的生物學原理作出解釋。試題突出考查了學生在新情境中針對新問題做出新解釋的創新性思維品質。

1.真題呈現

植物的氣孔由葉表皮上兩個具有特定結構的保衛細胞構成。保衛細胞吸水體積膨大時氣孔打開,反之關閉。保衛細胞含葉綠體,在光下可進行光合作用。已知藍光可作為一種信號促進保衛細胞逆濃度梯度吸收K+。有研究發現,用飽和紅光(只用紅光照射時,植物達到最大光合速率所需的紅光強度)照射某植物葉片時,氣孔開度可達最大開度的60%左右?；卮鹣铝袉栴}。

(1)氣孔的開閉會影響植物葉片的蒸騰作用、________________________(答出2點即可)等生理過程。

(2)紅光可通過光合作用促進氣孔開放,其原因是________________________________。

(3)某研究小組發現在飽和紅光的基礎上補加藍光照射葉片,氣孔開度可進一步增大,因此他們認為氣孔開度進一步增大的原因是,藍光促進保衛細胞逆濃度梯度吸收K+。請推測該研究小組得出這一結論的依據是________________________________。

(4)已知某種除草劑能阻斷光合作用的光反應,用該除草劑處理的葉片在陽光照射下氣孔________(填“能”或“不能”)維持一定的開度。

2.答案及解析

參考答案及推測分值分布：(1)光合作用、呼吸作用(2分,其他合理答案可酌情給分) (2)紅光下,光合作用合成有機物使保衛細胞溶質濃度增大,保衛細胞吸水體積膨大,氣孔打開(3分) (3)飽和紅光照射使葉片的光合速率已達到最大,排除了光合作用產物對氣孔開度進一步增大的影響(4分) (4)能(1分)

解析：第(1)問主要考查學生對核心概念的理解能力。氣孔是植物水汽蒸騰的通道,也是植物體與外界進行CO2等氣體交換的門戶。植物的光合作用和呼吸作用都有氣體的產生和消耗。因此,氣孔的開閉不僅會影響植物通過蒸騰作用對水分的散失,也會影響CO2吸收速率進而影響光合速率。高濃度的CO2可促進氣孔的關閉,降低細胞的pH,抑制乙烯的生成或通過對其他代謝過程的影響而間接影響呼吸作用。因此,氣孔的開閉會影響植物葉片的蒸騰作用、光合作用和呼吸作用等生理過程。第(2)問考查學生信息獲取與識別能力、語言表達能力。影響氣孔開閉的環境因素主要是光照、CO2、溫度和濕度等,其中光照是影響氣孔運動的主要環境因素。紅光和藍光都可引起氣孔張開,紅光是通過光合作用間接促進氣孔開放。紅光照射到葉片上,保衛細胞內的葉綠體進行光合作用合成糖類等有機物,使細胞內溶質濃度增大,引起保衛細胞被動吸水,保衛細胞因吸水體積膨大,氣孔打開。第(3)問考查學生邏輯推理論證能力、語言表達能力。根據補光實驗的結果分析,藍光也能促進氣孔開放。飽和的紅光照射時,植物的光合速率已達到最大,即使補充藍光,保衛細胞的光合速率也不會再增大。由此可推理,藍光并不是通過提高保衛細胞光合產物的生成量來間接促進氣孔打開的。結合題干信息可知,藍光是通過促進保衛細胞以主動運輸的方式積累K+,隨著細胞內滲透壓增大,對水的吸引力也變大,從而使保衛細胞吸水膨大,氣孔打開。由此可以看出,藍光是調控氣孔開放最為有效的光質。第(4)問考查學生批判性思維能力。當光反應受阻時,暗反應過程因缺乏ATP和NADPH的供應而不能進行,糖類等有機物的生成就被阻斷。用該種除草劑處理的葉片,保衛細胞本身雖然不能進行光合作用,但陽光中的藍光作為一種信號仍可促進保衛細胞逆濃度梯度吸收K+,以保證其細胞吸水膨脹,所以氣孔仍可維持一定的開度。

3.答題情況及錯因分析

從考后對考生答題情況的調研結果分析,此題無疑是2023年全國乙卷生物試題中正確率最低,區分度最好的一道題,較好地發揮了高考的選拔功能。

在第(1)問的作答中,一些考生錯答為“CO2吸收、O2釋放”等氣孔的功能;還有一些考生將生理過程描述為具體的化學反應過程如“CO2吸收、ATP的合成、光反應”等。

在第(2)問的作答中,由于審題不清,考生會錯誤的表述為“光合作用利用CO2,CO2減少使氣孔打開”;甚至張冠李戴的錯寫成“光反應產生的ATP促進細胞吸收K+”;大量的考生因忽略“與氣孔開度直接有關的是保衛細胞的光合作用,而不是葉肉細胞的”,未能明確寫出“保衛細胞的光合作用”而不能得滿分。

在第(3)問的作答中,由于邏輯論證推理能力不足,考生不能依據題目信息分析推理出“藍光不是通過增加光合產物使氣孔打開的”,而是把“依據”錯寫成“取生理狀況相似的葉片,均分成兩組;一組只用紅光照射,另組用紅光加藍光照射”這樣的實驗設計;甚至還有考生答非所問,錯誤的對藍光的作用機理進行了解釋,如“藍光下,鉀離子逆濃度運輸,細胞滲透壓增大,吸水增多,氣孔導度增大”等。

在第(4)問的作答中,大量考生不能擺脫線性思維的束縛,被題中“某種除草劑能阻斷光合作用的光反應”的信息所迷惑,僅認為該除草劑和紅光一樣會間接影響氣孔的打開,而忽略了陽光中藍光還能使氣孔維持一定的開度,從而造成錯判。此問雖然是選擇性填空題,不考查學生的語言表達能力,但由于對學生的多種創新思維能力進行了評價,正答率為四個問題中最低。

4.試題特點分析

試題以“氣孔開度”這一熟悉的情境為主線,創設新穎的呈現方式和設問方式,考查學生獨立思考能力、發散思維和逆向思維等創新性思維品質。

4.1 以新穎的情境吸引學生主動探究

試題以考生熟知的保衛細胞的結構與氣孔開閉的原理入題,使其初讀時有一種親切感?！肮鈱饪走\動的調節”卻是一個新穎而復雜的科學探究情境,所以考生在作答時有一種既熟悉又新奇的感覺,可激發學生進一步探究的興趣。雖然試題中涉及的情境信息較多且都以文字表述的形式進行呈現,但命題者充分地關注了學生閱讀和答題中的獲得感,將這些復雜的信息依次分解到題干和相關的問題中。例如,第(3)和(4)小題中與設問有關的藍光實驗和除草劑的作用等情境信息都直接放置在設問問題之前。

此外,試題中的兩個實驗設計的思路堪稱絕妙。在用飽和紅光進行實驗的基礎上補加藍光一步研究,這樣在探究出紅光作用的前提下,又以光合速率達到極限的條件來排除藍光是通過提高保衛細胞光合速率來促進氣孔打開的,從而反向證明了藍光的作用機理。這種通過極限條件排除一個因素來反證結論是數學研究思路在生命科學研究領域的巧妙應用,使得實驗操作簡單易行,得出的結論科學嚴謹。答題時,考生沉浸在試題的情景之中,體驗科學研究的奇妙之旅,被科技創新的巨大魅力深深地吸引。

4.2 以嚴謹的設問方式鼓勵學生大膽創新

以氣孔開度與光合作用的相互影響為主線設置的四個問題在邏輯上環環相扣,在設問方式和角度上又各不相同。從“氣孔開度影響什么生理功能”到“紅光促進氣孔打開的原因是什么”,再到“實驗結論得出的依據是什么”,最后到聯系實際“判斷能不能使氣孔維持一定的開度”這四個設問,層層深入的引導學生捕獲信息,進行推測和設想并展開周密的論證與判斷,擺脫思維定式的束縛,大膽創新,積極主動地解決真實情境中的復雜問題。