楊一敏
摘要:2017年高考新課標(biāo)全國(guó)I卷第30題,看似只是一個(gè)常規(guī)的光合呼吸的實(shí)驗(yàn)分析題,實(shí)驗(yàn)情境也不復(fù)雜,但卻要求學(xué)生能結(jié)合已知信息對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所呈現(xiàn)的具體現(xiàn)象進(jìn)行成因分析并表述。要求學(xué)生在表述時(shí)呈現(xiàn)出完整的思維過(guò)程和邏輯關(guān)系,對(duì)學(xué)生的理解能力提出了更高的要求。本文將以此題和有關(guān)變式引入,給出此類(lèi)問(wèn)題的應(yīng)對(duì)策略和審題答題的建議。
關(guān)鍵詞:理解能力;光合作用;呼吸作用;結(jié)果成因分析;生理活動(dòng)強(qiáng)度;物質(zhì)含量;環(huán)境條件;平衡;穩(wěn)態(tài)
根據(jù)我校2017年高考的數(shù)據(jù)顯示,85以上的高分學(xué)生在第30題的扣分均在兩分以上。并非這些學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備不足,相互聯(lián)系不到位,而是在表述過(guò)程中的邏輯關(guān)系和思維過(guò)程呈現(xiàn)不完整?,F(xiàn)在如何使好學(xué)生在這類(lèi)問(wèn)題上不扣分,使一般的學(xué)生能快速確定答題的方向少扣分就是我們所要突破的。
1 考綱相關(guān)內(nèi)容的感悟
與2017相比,2018年的生物考綱在“考試目標(biāo)和要求”上沒(méi)有任何變化。也就是說(shuō)2018年的高考命題依舊會(huì)延續(xù)2017方式,以中學(xué)生物核心知識(shí)為基礎(chǔ)深度考查學(xué)生的理解能力、實(shí)驗(yàn)與探究能力、獲取信息能力和綜合運(yùn)用能力。相較于16年,17年對(duì)每一項(xiàng)能力要求都給出了具體的解釋?zhuān)挂笞兊酶泳唧w化,更加具有指導(dǎo)性意義。
各項(xiàng)能力要求均以理解能力為基礎(chǔ),理解能力的缺失將直接影響學(xué)生對(duì)考題的理解、對(duì)關(guān)鍵信息的把握和最后的表述作答。理解是對(duì)事件邏輯關(guān)系的贊同,是運(yùn)用過(guò)去已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)不斷聯(lián)系形成新的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的過(guò)程,需要學(xué)生能將新獲取的信息與已學(xué)過(guò)生物學(xué)核心知識(shí)、概念及過(guò)程相互聯(lián)系并進(jìn)行整合[1]?!犊荚囌f(shuō)明》的具體解釋中最后提出“可能要求考生對(duì)某一現(xiàn)象進(jìn)行解釋和分析”[2],要求學(xué)生能在理解的基礎(chǔ)上運(yùn)用知識(shí)原理解決具體問(wèn)題,同時(shí)呈現(xiàn)出完整的思維過(guò)程和相關(guān)事件間的邏輯關(guān)系。而生物是一門(mén)實(shí)驗(yàn)性的學(xué)科,常需要學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所呈現(xiàn)出的某種現(xiàn)象或結(jié)果做出解釋和分析。
細(xì)胞代謝即光合作用和呼吸作用,是高中生物的最核心內(nèi)容,是生命觀念中物質(zhì)與能量觀、結(jié)構(gòu)與功能觀、生物與環(huán)境觀的集中體現(xiàn)。光合作用與呼吸作用通過(guò)CO2、O2和有機(jī)物聯(lián)系成一個(gè)整體,共同維持著生物圈中C、O等元素的平衡。同時(shí),它也是將科學(xué)探究與農(nóng)林生產(chǎn)實(shí)踐緊密相聯(lián)的一個(gè)模塊,通過(guò)科學(xué)探究指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐,能夠很好的體現(xiàn)科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任的生物學(xué)核心素養(yǎng)。因此,代謝可以說(shuō)是高考必考部分,也是“兵家必爭(zhēng)之地”。
2 真題及變式解析
2.1真題回放
(17年全國(guó)I T30)植物的CO2補(bǔ)償點(diǎn)是指由于CO2的限制,光合速率與呼吸速率相等時(shí)環(huán)境中的CO2濃度,已知甲種植物的CO2補(bǔ)償點(diǎn)大于乙種植物的?;卮鹣铝袉?wèn)題:
(1)將正常生長(zhǎng)的甲、乙兩種植物放置在同一密閉小室中,適宜條件下光照培養(yǎng)。培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn)兩種植物的光合速率都降低,原因是_____________________________________,甲種植物凈光合速率為0時(shí),乙種植物凈光合速率__________(填“大于0”“等于0”或“小于0”)。
(2)若將甲種植物密閉在無(wú)O2,但其他條件適宜的小室中,光照培養(yǎng)一段時(shí)間后,發(fā)現(xiàn)植物的有氧呼吸增加,原因是_____________________________________________________。
答案:
(1)植物在光下光合作用吸收CO2的量大于呼吸作用釋放CO2的量,使密閉小室中CO2濃度降低,光合速率也隨之降低; ? 大于0
(2)甲種植物在光下光合作用釋放的O2使密閉小室中O2增加,而O2與有機(jī)物分解產(chǎn)生的NADH發(fā)生作用形成水是有氧呼吸的一個(gè)環(huán)節(jié),所以當(dāng)O2增多時(shí),有氧呼吸會(huì)增加。
解析
在周?chē)鳝h(huán)境條件相對(duì)穩(wěn)定的情況下,生理活動(dòng)的強(qiáng)度幾乎不會(huì)有明顯改變。只有當(dāng)這種平衡被打破即某種環(huán)境因素發(fā)生明顯改變時(shí)才可能會(huì)引起生理活動(dòng)強(qiáng)度的改變。影響光合速率的主要因素有光照強(qiáng)度、CO2濃度和溫度,影響呼吸作用的主要因素有O2濃度和溫度。由于當(dāng)前實(shí)驗(yàn)在“密閉裝置”中、“適宜條件”下進(jìn)行,所以在無(wú)人為干擾時(shí)可被改變的因素僅有裝置內(nèi)的CO2和O2濃度。密閉裝置或容器中的CO2和O2濃度受光合速率與呼吸速率的大小關(guān)系影響。光合作用消耗CO2生成O2,是CO2的“去路”O(jiān)2的“來(lái)源”,呼吸作用產(chǎn)生CO2消耗O2,是CO2的“來(lái)源”O(jiān)2的“去路”。當(dāng)光合速率等于呼吸速率時(shí),CO2和O2濃度不變;當(dāng)光合速率大于呼吸速率時(shí),O2濃度升高CO2濃度降低;當(dāng)光合作用速率小于呼吸速率時(shí),O2濃度降低CO2濃度升高。實(shí)際上在這一個(gè)問(wèn)題中包含了兩種不同類(lèi)型,①生理活動(dòng)強(qiáng)度變化的原因分析,取決于影響該生理活動(dòng)的環(huán)境因素的改變;②物質(zhì)含量變化的原因分析,取決于“來(lái)源”與“去路”的平衡關(guān)系,受相應(yīng)生理活動(dòng)的強(qiáng)度大小關(guān)系的影響。不管兩類(lèi)問(wèn)題是否柔和在一起都必須先關(guān)注實(shí)驗(yàn)的當(dāng)前環(huán)境條件,并分析哪些因素是變化或可能發(fā)生變化的。
2.2 變化分析
2.2.1 變式1
甲種植物放置于密閉小室中,光照等條件均適宜。培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn)甲種植物的光反應(yīng)速率降低。為什么?
______________________________________________________。
答案:
甲植物在光下光合作用吸收CO2的量大于呼吸作用釋放CO2的量,使密閉小室內(nèi)的CO2濃度下降,致使甲植物的暗反應(yīng)速率下降,對(duì)ATP和[H]消耗量減少,從而使光反應(yīng)受到一定的抑制。
解析
該變式與2017年全國(guó)1卷第30題的問(wèn)法相似,但最后問(wèn)題的落腳點(diǎn)并不是光合作用而光反應(yīng)。光合作用包括光反應(yīng)和暗反應(yīng)兩個(gè)階段,兩者相對(duì)獨(dú)立又通過(guò)ATP、[H]、ADP和Pi緊密相連。不同的影響因素對(duì)光合作用的影響不經(jīng)相同,光照強(qiáng)度直接影響光反應(yīng),而CO2濃度直接影響的是暗反應(yīng)。此情境下,變化因素并不直接影響問(wèn)題所示生理活動(dòng),而是通過(guò)影響其他生理活動(dòng)間接影響問(wèn)題所示生理活動(dòng),必須把握兩者間的聯(lián)系,如ATP、[H]的變化。
2.2.2 變式2
將某高等植物放在密閉透明的容器內(nèi),在溫度適宜的條件下,容器內(nèi)CO2濃度的變化如圖所示。圖中AB段為暗處理,B點(diǎn)開(kāi)始給予一定強(qiáng)度的光照。請(qǐng)回答下列問(wèn)題:
在C點(diǎn)時(shí),向容器中注入一定量高濃度的NaHCO3溶液,發(fā)現(xiàn)植物的光合作用速率并沒(méi)有發(fā)生變化,其可能的原因是___ ______________________________________________________。
答案:
注入前的CO2濃度已達(dá)到飽和,此時(shí)限制光合速率的外界因素可能是光照強(qiáng)度
解析
如某因素本身對(duì)問(wèn)題所示的生理活動(dòng)無(wú)影響,自然不會(huì)引起其活動(dòng)強(qiáng)度的改變。但此變式并非如此,向容器中注入一定量高濃度的NaHCO3溶液后會(huì)使密閉容器內(nèi)的CO2濃度升高,而CO2就是光合作用的主要影響因素之一?;仡櫣夂纤俾孰SCO2濃度變化的曲線(xiàn)模型(見(jiàn)圖1甲),存在一個(gè)明顯的拐點(diǎn),將此拐點(diǎn)進(jìn)一步拆分,對(duì)應(yīng)Y軸上g點(diǎn)表示最大光合速率;對(duì)應(yīng)X軸上c點(diǎn)表示達(dá)到最大光合速率所需要的最小CO2濃度,該點(diǎn)也被稱(chēng)為CO2飽和點(diǎn)。c點(diǎn)之后CO2濃度已達(dá)到飽和,光合速率不再隨CO2濃度的升高而加快。光照強(qiáng)度對(duì)光合速率影響的整體趨勢(shì)與CO2濃度類(lèi)似(見(jiàn)圖1乙)。此情境中變化的環(huán)境因素確定為問(wèn)題所示生理活動(dòng)的重要影響因素但又不再引起其變化,說(shuō)明該環(huán)境因素已經(jīng)達(dá)到飽和,限制其變化的是其他因素。具體的限制因素最可能是什么,還得先把握當(dāng)前實(shí)驗(yàn)的環(huán)境條件。例如本題,由于題干已知“溫度適宜”,那限制因素則最有可能為光照強(qiáng)度。
在,
2.2.3 變式3
已知種子萌發(fā)過(guò)程中由于代謝旺盛,會(huì)產(chǎn)生大量的熱量?,F(xiàn)將若干萌發(fā)中的種子放置在密閉裝置內(nèi),采取一定的措施保證O2濃度相對(duì)恒定且適宜,周?chē)沫h(huán)境溫度為最適溫度。實(shí)驗(yàn)一段時(shí)間后測(cè)定種子呼吸速率,發(fā)現(xiàn)有所減緩,其原因最可能是_____________________。
答案:
萌發(fā)種子代謝產(chǎn)熱,使密閉裝置中的溫度升高,又由于實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前的溫度已經(jīng)是最適溫度,因此隨溫度上升酶活性下降,呼吸速率減緩
解析
問(wèn)題所示的呼吸主要指的是有氧呼吸,其影響因素主要是O2濃度和溫度。現(xiàn)已知“O2濃度相對(duì)恒定”,引起呼吸速率改變的因素則最有可能是溫度。由于呼吸本質(zhì)上屬于酶促反應(yīng),溫度通過(guò)影響酶的活性來(lái)影響呼吸速率。在最適溫度下,酶的活性最高,呼吸速率最快;溫度偏高或偏低,酶的活性都會(huì)明顯降低,呼吸速率下降(見(jiàn)圖1丙)[3]。結(jié)合題干信息“萌發(fā)過(guò)程中由于代謝旺盛,會(huì)產(chǎn)生大量的熱量”,所以在種子萌發(fā)過(guò)程中裝置內(nèi)的溫度會(huì)逐漸升高。又由“周?chē)沫h(huán)境溫度為最適溫度”可知溫度升高將會(huì)偏離最適溫度,呼吸速率將會(huì)下降。光合作用與呼吸作用相似,本質(zhì)上也屬于酶促反應(yīng),溫度主要通過(guò)影響酶的活性來(lái)影響光合速率。
3 應(yīng)對(duì)策略
3.1 生物與環(huán)境觀,穩(wěn)態(tài)與平衡觀
我們的生物圈也類(lèi)似于一個(gè)密閉環(huán)境,生物通過(guò)光合作用與呼吸作用共同維持著C、O等元素的動(dòng)態(tài)平衡。生物的生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖離不開(kāi)適宜的環(huán)境條件,當(dāng)環(huán)境條件足夠理想時(shí),生物的增長(zhǎng)將呈“J”形。但在自然狀態(tài)下,環(huán)境資源和空間都是有限的,生物群體的內(nèi)部由于各種關(guān)系的存在使生物生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖都受到收到了一定限制。同時(shí)生物也通過(guò)自身的生命活動(dòng)影響著周?chē)沫h(huán)境。例如在森林中樹(shù)木通過(guò)其龐大的根系涵養(yǎng)水源,減少了水的地表徑流,通過(guò)蒸騰作用降低了周?chē)沫h(huán)境溫度,為地表的陰生植物創(chuàng)造了它所需的陰涼環(huán)境;土壤微生物通過(guò)自身的分解作用將枯枝落葉、遺體殘骸中的有機(jī)物分解成無(wú)機(jī)釋放到無(wú)機(jī)環(huán)境中,既保證了C的平衡又增加了土壤的肥力。在生物圈中某一個(gè)生物個(gè)體對(duì)周?chē)h(huán)境的影響或許是微乎其微的,但生物這樣一個(gè)群體總是與無(wú)機(jī)環(huán)境相互影響構(gòu)成了一個(gè)統(tǒng)一的整體。
生命系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)放的系統(tǒng),內(nèi)部時(shí)刻都在發(fā)生著物質(zhì)的變化和能量的轉(zhuǎn)化,但多數(shù)時(shí)候又維持著相對(duì)的動(dòng)態(tài)的平衡狀態(tài)[4]。其實(shí)世間萬(wàn)物總是處在一個(gè)整體的平衡和局部的變化中。例如多細(xì)胞生物細(xì)胞數(shù)目的相對(duì)恒定離不開(kāi)細(xì)胞分裂和細(xì)胞凋亡兩個(gè)變化的過(guò)程;種群數(shù)量的相對(duì)穩(wěn)定離不開(kāi)新生命的誕生和老年個(gè)體的衰老死亡兩個(gè)變化的過(guò)程;生物圈中碳平衡離不開(kāi)光合作用(及化能合成作用)和呼吸作用(及微生物的分解作用)兩方面變化的過(guò)程。其實(shí)局部的變化是為了更好的保持整體的平衡穩(wěn)定。
3.2 光合作用與呼吸作用的知識(shí)基礎(chǔ)
光合作用生成O2,消耗CO2,制造有機(jī)物;呼吸作用分解有機(jī)物,生成CO2,消耗O2。兩者在物質(zhì)上通過(guò)O2、CO2和有機(jī)物相互聯(lián)系。植物體內(nèi)有機(jī)物的含量以及密閉裝置中的CO2和O2濃度則由光合作用和呼吸作用共同決定。在物質(zhì)合成、分解、轉(zhuǎn)化的同時(shí)還伴隨著能量的輸入、傳遞、轉(zhuǎn)化和散失。光合作用的光反應(yīng)吸收傳遞光能,并將光能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?chǔ)存在ATP中的活躍化學(xué)能,暗反應(yīng)經(jīng)一系列的變化最終將活躍化學(xué)能轉(zhuǎn)變成有機(jī)物中的穩(wěn)定化學(xué)能。呼吸作用將有機(jī)物氧化分解并釋放能量,釋放的能量大部分以熱能的形式散失,少部分用于ATP 的合成,最終用于其他生命活動(dòng)[3]。
光合作用包括光反應(yīng)和暗反應(yīng)兩個(gè)階段,兩個(gè)階段相對(duì)獨(dú)立又通過(guò)ATP、[H]ADP、Pi相互聯(lián)系,緊密相連。光照強(qiáng)度直接影響光反應(yīng),通過(guò)影響ATP、[H]的供應(yīng)間接影響暗反應(yīng)。CO2濃度直接影響暗反應(yīng),通過(guò)影響ATP、[H]的消耗或ADP、Pi的供應(yīng)間接影響光反應(yīng)。溫度主要通過(guò)影響酶的活性來(lái)影響光合作用。此外,在晴朗夏天的中午由于溫度過(guò)高,導(dǎo)致植物葉片氣孔導(dǎo)度下降(為避免過(guò)量的蒸騰失水),使CO2的吸收量減少,從而間接影響光合作用。
3.3 實(shí)驗(yàn)條件中的“變”與“不變”
由于在環(huán)境條件相對(duì)穩(wěn)定時(shí),生理活動(dòng)的強(qiáng)度幾乎不會(huì)有明顯變化,在具備了相應(yīng)的生物學(xué)觀念和知識(shí)基礎(chǔ)后還需把握實(shí)驗(yàn)條件中的“變”與“不變”。
首先需先理清自變量和無(wú)關(guān)變量的關(guān)系。自變量是人為改變的變量;無(wú)關(guān)變量是除自變量外,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能存在的一些對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響的可變的因素。對(duì)于這兩種變量的理解區(qū)分可以因變量為尺。因變量是實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,自變量和無(wú)關(guān)變量都是可影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的因素,其中當(dāng)前實(shí)驗(yàn)所研究的那個(gè)影響因素就是自變量,其他對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也有影響但當(dāng)前實(shí)驗(yàn)不予研究的影響因素就是無(wú)關(guān)變量[3][5]。例如影響光合速率的主要因素有光照強(qiáng)度、CO2濃度和溫度。當(dāng)研究溫度對(duì)光合作用的影響時(shí),溫度就是自變量,光照強(qiáng)度和CO2濃度都是無(wú)關(guān)變量。由于無(wú)關(guān)變量也能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響,所以在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中必須相同且適宜。
“變”的條件主要指的是實(shí)驗(yàn)過(guò)程的自變量,可能以曲線(xiàn)圖或柱狀圖的“橫坐標(biāo)”的方式來(lái)呈現(xiàn),也可能蘊(yùn)藏在表格項(xiàng)目欄或?qū)嶒?yàn)?zāi)康闹?,還可能是直接的文字描述,例如CO2濃度由“1%”降至“0.003%”。除此之外還有一些因素是“可能發(fā)生變化”的,在密閉裝置內(nèi)由于生物與環(huán)境存在相互影響,裝置內(nèi)的CO2濃度、O2濃度等環(huán)境條件可能會(huì)隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行而發(fā)生改變?!安蛔儭钡臈l件實(shí)際上指的是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的無(wú)關(guān)變量,一般會(huì)以三種方式呈現(xiàn)在題干中。一是具體的、特定的數(shù)值或環(huán)境,例如1%的CO2濃度、25℃、黑暗等;二是“適宜的XX”;三是在明確自變量后其他。
4 總結(jié)提煉
4.1 思考方向
4.1.1 生理活動(dòng)的強(qiáng)度變化原因
由問(wèn)題向前逆推,先明確問(wèn)題所示的生理活動(dòng),并回顧其直接影響因素有哪些。然后確定題干中變化的或可能變化的環(huán)境條件是否對(duì)其有直接影響。如果沒(méi)有,則需確定變化的環(huán)境條件所直接影響的生理活動(dòng)以及它與問(wèn)題所示生理活動(dòng)之間的物質(zhì)或其他方面的聯(lián)系。
4.1.2 物質(zhì)含量的變化的原因
同樣也是由問(wèn)題向前逆推,先明確問(wèn)題所示的變化的物質(zhì),并回顧該物質(zhì)“來(lái)源”和“去路”所對(duì)應(yīng)的生理過(guò)程。然后確定當(dāng)前實(shí)驗(yàn)的環(huán)境條件或變化的環(huán)境條件對(duì)該物質(zhì)“來(lái)源”和“去路”的影響。最后理清該物質(zhì)“來(lái)源”和“去路”所對(duì)應(yīng)的生理活動(dòng)變化(包括變化的方向和幅度)以及大小關(guān)系。
4.1.3 密閉裝置中兩類(lèi)問(wèn)題相互滲透
在由問(wèn)題向前逆推出可能引起生理活動(dòng)強(qiáng)度變化的環(huán)境條件后,還需進(jìn)一步驗(yàn)情境下該環(huán)境條件變化的原因。實(shí)際就是體現(xiàn)了生物與環(huán)境的相互影響。
4.2 答題模式
答題表述時(shí)一般用陳述句、肯定句,由條件向問(wèn)題順推。
1.環(huán)境條件的直接影響:環(huán)境條件的變化→生理活動(dòng)的變化。
2.環(huán)境條件的間接影響:環(huán)境條件的變化→直接影響的生理活動(dòng)的強(qiáng)度變化→聯(lián)系兩生理活動(dòng)的物質(zhì)或其他方面的變化→問(wèn)題所示生理活動(dòng)的強(qiáng)度變化。
3.物質(zhì)含量的變化:特定的環(huán)境條件或變化的環(huán)境條件+“來(lái)源”+“去路”(+該物質(zhì)含量變化)?!皝?lái)”“去”必須同時(shí)呈現(xiàn),答題表述的落腳點(diǎn)一定回歸問(wèn)題所示的物質(zhì)
4.密閉裝置中兩類(lèi)問(wèn)題相互滲透:思考方向和答題模式將兩方面相互結(jié)合即可。(某物質(zhì)“來(lái)源”與“去路”)相應(yīng)生理活動(dòng)→某環(huán)境條件(某物質(zhì)含量)的變化→問(wèn)題所示生理活動(dòng)的強(qiáng)度變化。如是間接影響同樣需要確定變化的環(huán)境條件所直接影響的生理活動(dòng)及其與問(wèn)題所示生理活動(dòng)之間的聯(lián)系。
4.3特別提醒
1.審題時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注實(shí)驗(yàn)情境中的環(huán)境條件。
2.環(huán)境因素既可以直接影響問(wèn)題所示的生理活動(dòng),也可以通過(guò)影響其他生理活動(dòng)來(lái)間接影響問(wèn)題所示的生理活動(dòng),因此需要把握變化因素直接影響的活動(dòng)和問(wèn)題所示的活動(dòng)之間的聯(lián)系。
3.當(dāng)環(huán)境因素改變而生理活動(dòng)的強(qiáng)度不發(fā)生任何變化時(shí),可能該環(huán)境因素對(duì)問(wèn)題所示活動(dòng)無(wú)影響,也可能該環(huán)境因素已經(jīng)達(dá)到飽和。
4.在密閉的裝置中既有生物生命活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響,又有環(huán)境因素對(duì)生物生命活動(dòng)的影響。(生物與環(huán)境相互作用)
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