基于学习进阶理论的生物学高考实验试题分析

摘要

基于学习进阶理论分析2024年和2025年生物学高考广东卷，一方面获得学生科学探究能力的发展程度，另一方面指出学习进阶层级与科学探究水平的对应关系，以便为教学的改进提供依据。在此基础上，归纳出学习进阶角度下提升学生科学探究能力的复习备考策略：经验层级向关联层级进阶——掌握教材基础实验，适当拓展延伸；关联层级向系统层级进阶——基于情境，从分析结果到设计实验；系统层级向整合层级进阶——综合运用，落实学科核心素养。

Graphical abstract

关键词

学习进阶理论 / 生物学 / 高考 / 实验试题分析 / 科学探究 / 复习备考

2025年高考是“三新”时代的第3年，研究近两年高考试题并进行对比，有助于深入了解广东卷的命题特点，从而对学生的备考具有指导作用。生物学是一门实验科学，而生物学科学探究类试题是每年高考的必考内容之一，且从高考试题来看，涉及实验探究考查的题量和分值都不少。《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“新课标”）指出，“科学探究”是指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、方案实施以及对结果的交流与讨论的能力^［1］。中国高考评价体系的“四层”高考考查内容之一的关键能力中，实践操作能力群包括了实验设计、数据处理、信息转化、动手操作、应用写作和语言表达等能力^［2］。笔者以学习进阶理论为指导，对上述内容进行探索，以期为教师的教学和考生的备考探寻出可行之路。

1 学习进阶和生物学科学探究素养水平

学习进阶（Learning Progressions，LPs），指学习者在一定时间范围内对所学内容由浅入深、依次递进的思维进阶路径，是近几年国际教育领域的热点概念，融合了“螺旋式课程设计”“最近发展区”和“有意义学习理论”等教育理论^［2］。学习进阶理论对高中生物学实验教学、复习备考和提升学生的科学探究能力有重要的指导作用。

学生生物学科学探究素养的发展是一个循序渐进的过程，结合高考试题分析，不难发现高考试题对于科学探究部分的考查也具有分层渐进的特点，这与学习进阶理论的观点相符合。依据学习进阶理论，参考郭玉英团队的核心概念发展层级模型^［2］，结合“新课标”学科核心素养中素养3科学探究素养水平的划分，笔者尝试构建学习进阶层级和科学探究素养水平的对应关系，如表1所示。该表将学习进阶与生物学高考试题分析相结合，可以帮助教师提升科学探究教学水平和组织备考的效率，有利于教师指导学生提升科学探究能力。

2 学习进阶视域下的生物学高考实验试题分析

近几年，生物学高考广东卷试题对科学探究能力的考查占比呈上升趋势，大部分题目的背景均为实验探究，尤其是2023～2025年的选择题与非选择题，如表2所示。

表3为学习进阶视域下对2024年和2025年生物学高考广东卷中关于科学探究考查题目的考情分析。

从上述分析可知，生物学高考中关于科学探究能力的考查涉及的必备知识可以出现在各个模块中。从学习进阶层级和科学探究素养水平角度看，对其的考查由浅入深、层层递进。同时，科学探究能力的考查并不是独立的，往往要求学生具备多方面的关键能力，如信息获取能力、科学思维等。值得一提的是，设问角度也是多样的，如对照分析、变量分析、结果分析、原因分析、方案评价、思路设计等。

3 具体试题分析

以2024年广东卷第20题为例，具体分析试题特点。

3.1 原题呈现

某湖泊曾处于重度富营养化状态，水面漂浮着大量浮游藻类。管理部门通过控源、清淤、换水以及引种沉水植物等手段，成功实现了水体生态恢复。引种的3种多年生草本沉水植物（①金鱼藻、②黑藻、③苦草，答题时植物名称可用对应序号表示）在不同光照强度下的光合速率及水质净化能力见图1。

回答下列问题：

（1） 湖水富营养化时，浮游藻类大量繁殖，水体透明度低，湖底光照不足。原有沉水植物因光合作用合成的有机物少于__________的有机物，最终衰退和消亡。

（2） 生态恢复后，该湖泊形成了以上述3种草本沉水植物为优势的群落垂直结构，从湖底到水面依次是_______，其原因是__________。

（3） 为了达到湖水净化的目的，选择引种上述3种草本沉水植物的理由是______________，三者配合能实现综合治理效果。

（4） 上述3种草本沉水植物中只有黑藻具有C₄光合作用途径（浓缩CO₂形成高浓度C₄后，再分解成CO₂传递给C₅），使其在CO₂受限的水体中仍可有效地进行光合作用，在水生植物群落中竞争力较强。根据图1-a设计实验方案，验证黑藻的碳浓缩优势，完成下列表格（表4）。

（5） 目前在湖边浅水区种植的沉水植物因强光抑制造成生长不良，此外，大量沉水植物叶片凋落，需及时打捞，增加维护成本。针对这两个实际问题从生态学角度提出合理的解决措施______________________。

【参考答案】

（1） 呼吸作用消耗。

（2） ③②①；最大光合速率对应光照强度依次升高。

（3） ①（金鱼藻）除藻率高；②（黑藻）除氮率高；③（苦草）除磷高。

（4） 金鱼藻；500；二氧化碳浓度较低且相同；氧气释放量。

（5） 在浅水区种植挺水植物；恢复湖泊生态系统食物链（合理引入浮水植物，减弱沉水植物的光照强度；合理引入以沉水植物凋落叶片为食物的生物）。

3.2 试题情境分析

该题以建设美丽中国的湖泊生态恢复工程为情境，考查了光合作用和呼吸作用，群落的结构、生态系统等必备知识，设问形式有分析原因、实验设计和提出措施等，渗透了关注生态环境保护和恢复意识，具有形式多样性和内容广博性的命题特点。

3.3 试题解题思路

（1） 光合作用合成有机物，呼吸作用消耗有机物，当光合作用合成的有机物持续少于呼吸作用消耗的有机物时，植物将会因能量不足而无法维持正常的生命活动，从而导致死亡。

（2） 光照强度随着水深增加而逐渐减弱，据图1-a可知，苦草、黑藻和金鱼藻的最大光合速率对应的光照强度依次增加，即光饱和点依次增加，因此这3种植物分布在不同水层，从而形成群落的垂直结构。

（3） 去除氮、磷、藻这3种物质是治理环境的本质目的。据图1-b可知，3种植物对3种物质的去除率都比较高，且各有所长，因此能达到综合治理的效果。

（4） 根据实验目的，首先明确自变量是植物种类、因变量是碳浓缩能力。根据单一变量原则，除自变量外，其他变量均为无关变量，应设置相同且适宜的标准。据图1-a可知，金鱼藻与黑藻在光照强度为500 μmol·m^-2·s^-1时的光合速率相同，同时控制无关变量的光合速率一致。根据题目实验条件可知，该题应满足CO₂受限，因此学生在解题时应考虑到控制CO₂浓度较低且在相同水平条件下进行实验。另外，观察图1-a纵坐标可知，O₂的产生速率可作为因变量的测量指标。

（5） 结合生态学中群落的结构等相关知识，解决光照过强问题应种植挺水植物、浮叶植物等；对于落叶堆积问题，从生态系统的功能角度考虑，应利用消费者加速生态系统物质循环，即从完善食物链角度增加消费者的措施来解决该问题。

3.4 学习进阶角度下的试题分析

从学习进阶的发展层级角度分析该题，即有：设问（1）考查光合作用和呼吸作用，即考查学生具有的经验和事实，属于经验层级，对应科学探究素养水平一；设问（2）（3）考查学生通过图表信息分析实验结果的能力，要求学生能够分析结果和表达交流，属于关联层级，对应科学探究素养水平二；设问（4）考查学生的实验设计能力，基于给定条件和情境设计实验方案，属于系统层级，对应科学探究素养水平三；设问（5）考查学生综合运用相关生物学原理，以及提出方案解决真实情境中的生物学问题的能力，要求学生具备适应观和系统观等学科观念，属于整合层级，对应科学探究素养水平四。

4 基于学习进阶理论提升学生科学探究能力的备考建议

基于学习进阶理论，以提升学生的科学探究能力为目标的复习备考，应做到：明确学生的科学探究进阶水平，确定进阶起点和进阶终点，据此构建发展层级和科学探究水平的对应关系，并设计好每个阶段培养学生科学探究能力的方案。在分析近两年生物学高考广东卷实验试题基础上，笔者从学习进阶的视角对高三复习备考中如何提升学生的科学探究能力提出以下建议。

4.1 经验层级向关联层级进阶：掌握教材基础实验，适当拓展延伸

从高考试题内容看，其实验背景素材源于教材又高于教材，如2024年试题3由教材中绿叶中色素的提取和分离延伸至绿叶和黄叶色素的提取和分离，以及2025年试题11将教材中调查土壤中小动物丰富度的方法——取样器取样法，用于调查土壤。

原题呈现（2024年广东卷3）：银杏是我国特有的珍稀植物，其叶片变黄后极具观赏价值。用纸层析法探究银杏绿叶和黄叶的色素差别，下列实验操作正确的是（ ）。

A.选择新鲜程度不同的叶片混合研磨；

B.研磨时用水补充损失的提取液；

C.将两组滤纸条置于同一烧杯中层析；

D.用过的层析液直接倒入下水道。

答案：C。

原题呈现（2025年广东卷11）：草地蘑菇圈是大量蘑菇呈圈带状分布的一种生态现象（图2）。通过对圈上、圈内和圈外的植物和土壤进行调查分析，可揭示蘑菇圈形成对草地群落和土壤的影响。下列叙述错误的是（ ）。

答案：B。

因此，在实验教学或复习备考过程中，教师不仅要让学生掌握教材的基础实验（包括实验步骤、原理和材料等细节），还应适当拓展和延伸，如实验材料还可以有哪些选择、实验步骤顺序对调会如何、记录实验结果的形式有哪些等。实验方法并非只能用于一个实验，即教师应注意引导学生进行知识迁移，积极组织学生分析讨论实验方法的多种用途。在这一过程中，既可以规范学生的实验操作，也能拓宽学生的视野，发展其科学思维。

4.2 关联层级向系统层级进阶：基于情境，从分析结果到设计实验

生物学发展离不开科学家的各项实验研究，教师可充分挖掘教材科学史实验，因科学史即为情境。教师引导学生对科学史实验进行分析和总结，能帮助学生掌握科学探究的一般方法、思路，便于其深刻理解科学本质，从而帮助学生建构经验与事实之间的联系，进一步落实关联层级。在复习备考时，教师还应善于发现生产生活中的真实问题，灵活运用实际案例，创设真实情境，引导学生针对特定情境提出相应生物学问题并展开实验设计，提高学生解决真实情境中的问题的能力，从而顺利进阶系统层级。在这一过程中，对于图像、图表分析，信息获取等关键能力的培养至关重要，因此教师在设计实验复习课时，应有针对性地提升学生这方面的能力。

4.3 系统层级向整合层级进阶：综合运用，落实学科核心素养

生物学高考实验试题，涉及的实验原理、实验材料、实验过程等方面都在不断变化，故对学生的考查归根结底指向学科核心素养的落实，最终体现在综合运用并能够解决生产实际问题。例如，比较2025年广东卷21题和2024年广东卷21题发现，两者均为涉及基因工程的实验题，学生分析科研实验，进而解决经验、关联和系统层级的问题，最后在达到整合水平的基础上，提出解决生产实际问题的实验思路。因此，教师在实验教学或复习备考过程中可尝试进行学习进阶视域下的设计，以期促进学生的科学探究能力层层提升。

原题呈现：（2025年广东卷21题节选）21．（11分）大肠杆菌是重要工业菌株之一，其培养过程可分为快速生长期和生长稳定期两个阶段。为了通过调节蛋白质合成与降解速率来动态调控代谢途径关键酶的蛋白量，使细胞适配不同阶段的生产需求，研究者设计了两种质粒，并以稳定性好的红色荧光蛋白mKate2为模式蛋白，测试质粒功能。回答下列问题：

（4） 莽草酸是一种重要工业化学品，其胞内合成代谢途径见图（图3）。由于野生型大肠杆菌胞内酶A活性弱，且莽草酸会被快速转化为细胞生长必需物，因此细胞中无法大量积累莽草酸。为了保证细胞正常生长，并在生长稳定期实现莽草酸的大量积累，利用上述两种质粒的调控功能，结合野生型菌株遗传物质的改造，提出重组生产菌株构建思路：。

碳源\stackrel{}{\to }前体\stackrel{\mathrm{酶}\mathrm{A}}{\to }……\stackrel{}{\to }莽草酸\stackrel{\mathrm{酶}\mathrm{A}}{\to }……\stackrel{}{\to }细胞生长必需物

图3 莽草酸胞内合成代谢途径

（2024年广东卷21题节选）21.（13分）驹形杆菌可合成细菌纤维素（BC）并将其分泌到胞外组装成膜。作为一种性能优异的生物材料，BC膜应用广泛。研究者设计了酪氨酸酶（可催化酪氨酸形成黑色素）的光控表达载体，将其转入驹形杆菌后构建出一株能合成BC膜并可实现光控染色的工程菌株，为新型纺织原料的绿色制造及印染工艺升级提供了新思路，见图（图4）。

（5） 有企业希望生产其他颜色图案的BC膜。按照上述菌株的构建模式提出一个简单思路_______________。

另外，高考还考查学生的“提出生物学问题”能力，如“在题目的研究基础上，你的下一步探究题目是？”因此，在复习时教师既应要求学生针对特定情境设计实验，也要反思实验过程，总结实验设计的模式和方法，并学会迁移和应用，即利用生物学原理和知识解释生物学现象或解决真实问题，同时引导学生的发散思维，促其提出有价值的生物学研究问题，落实学科核心素养，进阶整合层级。

总而言之，依据学习进阶理论，有助于教师了解学生的学科核心素养发展的特点，进而结合科学探究素养水平所对应的层级，有针对性地设计提升学生科学探究能力的复习备考方案。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订） ［S］.北京：人民教育出版社，2020.

[2] 郭玉英，姚建欣.基于核心素养学习进阶的科学教学设计［J］.课程·教材·教法，2016，36（11）：64-70.