大数据赋能高中生物学课程精准化教学决策的调查报告——以《细胞与分子》为例

大数据赋能高中生物学课程精准化教学决策的调查报告

——以《细胞与分子》为例

摘要：本研究以《细胞与分子》单元课程为例，基于党的二十大报告中“教育、科技、人才”三位一体的战略部署，探讨大数据赋能高中生物学精准化教学决策的实践路径。通过内容分析法、统计分析法和问卷调查法，对2023–2024年全国高考生物学试题及绵阳市诊断性考试中该版块的考点分布、能力立意与核心素养考查进行系统分析。结果显示，“细胞的能量供应和利用”为考查重点与难点，尤其在光合作用与细胞呼吸部分；试题突出对科学思维、科学探究等核心素养的综合考查。学情分析表明学生在该版块存在理解与应用与的困难。基于数据驱动，本研究提出强化知识网络构建、提升实验与图表分析能力、联系实际情境等教学策略，为实现从“经验驱动”向“数据驱动”的教学转型提供实证依据与实施路径。

关键词：大数据   精准化教学   细胞与分子

一、调查背景及意义

党的二十大报告首次将教育、科技、人才进行“三位一体”的统筹部署，并将其置于“实施科教兴国战略，强化现代化建设人才支撑”的整体框架之中。在此背景下，推动科技赋能教育，已不再是单纯的技术革新，更是实现教育高质量发展、夯实人才基石的内在要求。同随着人工智能、大数据分析和虚拟现实技术的迅猛发展，为破解传统教学瓶颈提供了全新可能。将大数据赋能于高中生物学课程教学的决策，可通过数据驱动个性化服务，从而提升教学效果，实现精准化教学。

《细胞与分子》单元课程作为高中生物学的基础核心领域，其课程内容具有高度抽象性、微观性与复杂性。知识点零散复杂、专业术语繁多、微观结构（如：蛋白质构象、DNA双螺旋结构）和动态过程（如：光合作用、呼吸作用、细胞分裂）超越了学生的直观感知能力，导致传统教学中普遍存在“教师难教、学生难懂”的困境，复习阶段，学生难以把握重难点与其内在联系，使复习具有盲目性。随着“教育信息化2.0行动计划”的推进以及《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》的修订，发展个性化、精准化教学已成为国家教育政策的重要导向。实现精准化教学，可以基于科学数据分析、动态评估来优化决策，通过数据驱动个性化服务，从而提升教学效果。

如何通过大数据技术赋能细胞与分子课程的教学决策，实现从“经验驱动”向“数据驱动”的转型，成为亟待探索的关键课题。

本研究通过调查和分析近两年全国各地生物学高考试卷中有关《细胞与分子》版块的考查情况、并结合本市诊断性考试中学生在《细胞与分子》版块的考情等，建立考情、学情数据资源库，为精准化教学决策的构建和优化提供数据支撑，推动形成“数据驱动”的精准化教学闭环。

二、中期研究进程概述

本阶段主要完成了文献研究、数据收集与清洗、考情分析模型构建和初步数据分析等工作。

本报告将重点呈现对高考试题的试题分析和诊断性考试的考情分析结果。

三、调查数据与分析

（一）研究对象及研究方法

1、数据来源

自2017年上海、浙江率先启动高考综合改革试点，至2019年八省市公布“3+1+2”新高考方案，高考制度处于持续优化阶段。考虑到前两批试点数据有限且改革处于探索期，本研究重点针对2023–2024年全国各地生物学高考中与《细胞与分子》相关的考点展开分析。此外，还纳入绵阳市2022级诊断性考试数据，以及本校2023级学生在该板块学习情况的问卷调查结果。

2、研究方法

本研究主要采用内容分析法，对2023-2024年全国各地高考生物学试题进行定量与定性相结合的多维分析，采用统计分析法对高2022级的绵阳市诊断性考试情况进行分析，通过问卷调查法对本校2023级学生在《细胞与分子》版块的学习情况进行调查与统计。旨在通过调查、分析和统计，建立在《细胞与分子》版块的考向及重难点数据库，为进一步的精准化教学决策的提出提供理论及数据支撑。

（二）多维考情分析

根据《课程标准》及高考命题趋势，我们将《细胞与分子》课程相关知识点划分为以下四大核心版块：细胞及其分子组成、细胞结构和物质运输、细胞的能量供应和利用、细胞的生命历程。以下是关于该四大核心版块的多维分析结果。

总体概况分析

表1 2023年生物学高考“细胞及其分子组成”考查情况

表2 2024年生物学高考“细胞及其分子组成”考查情况

23年有全国有10套题涉及“细胞及其分子组成”，24年有16套题涉及，23年平均每套题考了3.5分左右，24年平均每套题考了4.4分左右，主要是在湖南卷、贵州卷和新课标卷中分值偏高一些。“细胞及其分子组成”在考查形式上以选择题为主，极少有填选择题进行考查。

表3 2023年生物学高考“细胞结构和物质运输”考查情况

表4 2024年生物学高考“细胞结构和物质运输”考查情况

2023年全国有13套题涉及“细胞结构及物质运输”，24年则有19套。2023年平均每套题考了6.4分左右，2024年平均每套题考了8.7分左右，呈现出考查省份增多且套均分值略微上涨的趋势。考查形式以选择题为主，填选择题中常以1个基础填空的形式进行考查。

表5 2023年生物学高考“细胞的能量供应和利用”考查情况

表6 2024年生物学高考“细胞的能量供应和利用”考查情况

“细胞的能量供应和利用”模块是高考生物学中的重点考查内容，具有分值占比高、考查覆盖面广的特点。2023年该部分总分达201分，覆盖16套试卷；2024年总分增至265分，覆盖范围扩大至17套试卷，平均每套试卷考查分值超过15分，凸显了其在高考中的稳定重要地位。从命题形式来看，试题采用“选择题+非选择题”的组合方式，注重基础性与综合性的统一。

表7 2023年生物学高考“细胞的生命历程”考查情况

表8 2024年生物学高考“细胞的生命历程”考查情况

“细胞的生命历程”在2023年及2024年中单独考查的省份较少，2023年有5套，套均3分左右，2024年有7套，套均2.5分。除全国卷，均以选择题的形式进行考查。

2.知识点及能力立意分析

为实现精准化教学，借助大数据理清生物学高考中知识点考查的重难点，是本研究要解决的又一重要任务，以下是基于对近两年高考题进行内容分析后，有关高考考点的分析结果。

在“细胞及其分子组成”部分，基础题在23年和24年均占比约60%，直接考查教材原文或基础定义的识记。中等题在23年和24年均占比约40%，知识点上主要是区分不同化合物的功能、实验试剂的使用等，在解答上需要结合知识点进行简单推理或实验分析。高难度题几乎没有，可能会涉及跨章节的综合应用（如蛋白质结构与功能、酶促反应机理），或需要结合实例进行逻辑推理，但是在考查“组成细胞的分子”的选项上都比较简单。

在“细胞结构和物质运输”部分，基础题在23年占比约47%，24年占比约45%，主要直接考查对基础知识的识记和理解能力，知识点明确，答案较为固定。如细胞的基本概念（病毒、原核生物、真核生物的区别）、细胞器的功能、细胞内物质或结构的运输功能（结合水、囊泡、细胞骨架、tRNA）。中等题在23年占比约49%，24年占比约46%，主要考查知识对迁移和应用能力，需要结合具体情境或实验现象进行分析。如植物在干旱条件下的生理变化（脱落酸、气孔开度、水分运输）、原生质体的制备和特性（酶解细胞壁、细胞全能性）、植物液泡中离子和蔗糖的转运机制（主动运输、离子通道）、叶绿体的观察实验与膜流动性及代谢水平的联系（细胞质流动速率的影响因素）。高难度题在23年占比约3.6%，24年占比约9%，24年主要是福建省中涉及柱状图及题干信息分析，难度略大，主要考查综合分析能力，通常结合图表、实验数据或科研背景，让学生从图表或文字材料中提取关键信息。如24年天津卷考查蛋白质修饰对基因表达的影响（Khib修饰、染色质结构）、23年江苏卷考查溶酶体功能异常对细胞器稳态的影响（结合科研背景分析）。

在“细胞的能量供应和利用”版块，是《细胞与分子》中考查的重点，为更详细地对其考查情况进行分析，本文将其分为“酶与ATP”和“细胞呼吸与光合作用”两部分进行分析。

酶与ATP部分重点考查基于教材的基础知识识记，中等题主要考查学生信息获取能力及实验探究能力，如酶侧重于考查实验探究和对图表信息的获取及分析，ATP则结合磷酸化、物质跨膜运输、光合作用和细胞呼吸过程进行考查。没有高难度题。从题目类型看涉及3表1柱4图，考查实验探究能力及从图表中获取信息的能力，填选择题中有2个空涉及原因、依据类的长句填空，考查学生语言组织及表达的能力。

细胞呼吸与光合作用部分，选择题均侧重于考查教材基础知识的识记和理解能力，题目类型上共有1个表格、2个曲线图和2幅图像，在考查基础知识识记的同时，也考查学生图表类信息的获取及分析能力。17道填选择题中基础题：中等题：高难度题比例为5:4:1，，：题196分，套均1题12分左右；教材基础、知识应用并重、难题分值低（17题共35图共7表12曲12柱4图，套均2图。难题比重低，分布在黑吉辽2、湖北6、湖南4、浙江6和全国新课标4卷中。填选择题长句考查：17题共27空19空涉及原因、依据类长句填空，考查语言组织和表达能力。

在“细胞的生命历程”版块，大部分题目直接考查教材概念，部分题目以信息题形式呈现，单独考查该版块知识点的题目较少，分值较低，通常结合遗传和变异等知识进行间接考查。

3.素养导向分析

《细胞与分子》版块的试题已彻底摆脱对孤立事实性知识的简单记忆考查，全面转向在复杂情境中综合应用概念、解决问题以评估学生内在素养水平的模式。四大核心素养的考查既各有侧重，又相互融合。

生命观念分值占比高。作为基础性素养，其理念渗透在大部分选择题和填选择题中，间接分值占比可高达60%以上。其中结构与功能观最为高频。试题常通过提供蛋白质、细胞器、生物膜等的新颖结构信息（如文字描述、示意图），要求学生解释其特定功能或生理意义。例如，分析膜蛋白在物质运输、信息交流中的作用。其次是物质与能量观，集中体现在光合作用与细胞呼吸的综合题中。不仅考查过程的细节，更重在考查两者在物质转化。稳态与平衡观则常与选择性必修1的内容联系。

科学思维是区分学生能力高低的关键，在高考试题中分值占比极高，填选择题几乎每道题都需运用科学思维，该素养的直接和间接分值占比可达70%-80%。具体考查形式如下：归纳与概括方面，要求从实验数据或现象中得出结论（如“根据结果说明...”）。 演绎与推理方面，占比最高。常以“如果...那么...”的形式出现，要求学生依据已知原理对未知情境做出预测。例如，推测某种酶活性变化或抑制剂作用后对代谢途径的影响。模型与建模方面，常提供概念模型或过程流程图（如光合作用过程图），要求学生补充缺失部分、解释某一环节或评价模型的合理性。批判性思维方面，对实验方案、他人结论或已有观点进行评价、质疑或提出改进建议。

科学探究素养的考查直接以实验探究为情境的题目分值占比普遍在25%-35%之间，且多与《细胞与分子》模块的代谢、调控等内容结合。实验设计与评价考查比重增大，不仅考查“怎么做”（步骤），更考查“为什么这么做”（原理、目的、对照设置、变量控制）。结果分析与阐释方面，要求将实验数据（表格、曲线图）转化为文字结论，并能用生物学原理进行合理解释。实验方案改进方面，要基于已有方案的不足，提出可操作的优化建议。科学探究素养的考查紧密结合实验，是近年命题的突出趋势，完美体现了“重探究、重应用”的导向。

社会责任的考查通常作为试题的“引子”或“落脚点”，将微观的细胞分子知识与宏大的社会议题相结合。所以常作为情境的载体，但单独赋分不高。它通常为考查其他三项素养提供背景，其价值更多体现在命题的立意和导向上。

4.考情分析

结合本校2022级学生在绵阳市诊断性考试中，有关《细胞与分子》的知识点考情分析及整体的能力考查情况分析如下：

表9 绵阳市诊断性考试数据

由表中数据可知，《细胞与分子》版块的知识在市诊断性考试中占比极高，二诊考试范围与高考一致，该版块分值占27%，超过1/4，其重要程度可见一斑。在知识点上，市一诊得分率为67.48%，校得分率为70.28%，市二诊得分率为65.81%，校得分率为68.50%。虽校得分率均率略高于市得分率，但均有较大的进步空间。在能力方面，除一诊的综合应用能力和二诊的实验与探究能力，校得分率均略高于市得分率。但整体得分率均不高，学生在理解题干信息、获取信息、实验与探究能力方面急需提升。

5.学情分析

通过问卷对在校2023级生物班学生在《细胞与分子》部分知识的学习情况进行调查，问卷发放1256份，回收有效问卷1256份，回收率100%，利用Excel进行数据统计分析，结果如图1：

图1 2023级学生《细胞与分子》版块知识难度等级情况

问卷将知识的难度得分设为1-5分，1分为困难，5分为简单，由上述数据可知，学生在“细胞的能量供应和利用”以及“细胞的生命历程”上得分分别为2.28分和3.02分，说明对于学生而言，该部分知识在掌握和应用方面有较大难度。

6.对比分析

综合上述数据，无论是高考试题还是市诊断性考试试题，《细胞与分子》中“细胞呼吸与光合作用”版块都是考试的重点和难点。由学生学情的问卷数据可知，学生对细胞的能量供应和利用（主要是“细胞呼吸与光合作用”单元），以及细胞的生命历程（主要是“有丝分裂”单元）的学习困惑较大，细胞及其分子组成中，学生对细胞器的分工合作相关知识困惑较大。结合考试平台大数据考情分析发现得分率较低的题目中，知识点也主要集中在“细胞呼吸与光合作用”以及 “有丝分裂”单元。

四、基于考情分析的初步教学启示

基于前期对数据的收集和分析，确定《细胞与分子》中的“细胞呼吸与光合作用”为重点开发课程单元，并将提升学生的信息理解与提取、实验与探究等能力，以及发展学生科学思维和科学探究素养作为核心目标。据此，初步构建如下教学流程：

图2 教学流程图

在教学策略开发中，将注重以下几个方面：

1. 强化基础知识：通过思维导图、对比表格等形式帮助学生构建系统知识网络。

2. 提升实验分析能力：结合教材实验，深化对实验原理和现象的理解，增加实验设计类习题训练。

3. 加强图表分析训练：引导学生掌握常见生物学图表的解读方法，提升信息提取和转化能力。

4. 联系生活实际，拓展科研视野：引入生活实例和科研前沿，增强知识的应用性与趣味性，帮助学生理解生物学的社会价值。

五、存在的问题与下一步计划

（一）存在的问题

通过对前期研究过程的系统梳理，本课题在推进过程中主要面临以下几方面问题：

1. 数据广度与深度不足：目前所收集的高考试题样本虽覆盖全国主要省市，但受限于各省市试题的公开程度不一，部分省份数据缺失。此外，所获取的诊断性考试数据多局限于宏观的得分率统计，缺乏对每一位学生具体作答轨迹（如选择题选项分布、填选择题关键失分点）的精细数据，限制了学情分析的深度。

2. 分析模型有待优化：当前构建的考情分析模型虽能完成基本的频次与分值统计，但在自动化、智能化方面仍有较大提升空间。例如，对试题与核心素养的对应关系判断、对长句作答内容的语义分析等，仍大量依赖研究者的人工判读，效率较低且存在主观性。

3. 研究成果向教学实践的转化路径尚不清晰：虽然基于数据分析识别出了教学重难点和学生的能力短板，但如何将这些结论转化为常态化、可复制的精准教学实践（如个性化作业推送、动态分组策略、课堂教学实时调整），仍需设计具体的实施路径和操作工具，这是目前面临的最大挑战。

4. 效果评估体系尚未建立：课题的最终目标是提升教学效能，但尚未建立起一套科学的效果评估与反馈机制，用以衡量“数据驱动”的教学干预是否真正带来了学生学业水平和核心素养的显著提升。

（二）下一步计划

针对上述问题，课题组下一阶段将重点开展以下工作：

1. 拓展数据源，深化数据粒度：加强与各地教研部门的交流合作，争取获取更全面、更规范的省市联考及诊断性考试数据。利用智学网、七天网络等阅卷平台，尝试获取本校学生的小题作答数据，建立更精细的学生个人学情档案，实现从“群体画像”到“个体诊断”的深化。

2. 开发与优化分析工具：引入或合作开发智能试题标注系统，利用自然语言处理（NLP）技术对试题考查的知识点、能力层级、核心素养进行半自动标注，提升分析效率和客观性。尝试构建学生能力图谱模型，将离散的得分数据转化为对学生能力结构的可视化呈现，更直观地揭示其优势与薄弱环节。

3. 设计并实施精准教学干预实验：以“细胞的能量供应和利用”单元为突破口，开发一系列数据驱动的典型课例和教学模块，具体包括：基于前测数据的分层教学目标设定、针对高频错题的微专题讲解、基于能力短板的专项练习包等。在实验班级开展教学实践，并设立对照班，通过前后测、学生访谈、课堂观察等方式，收集教学效果证据，验证精准教学策略的有效性。

4. 构建教学效果评估与持续改进机制：建立包括学业成绩、能力问卷、课堂参与度等多维度的效果评估指标体系。形成“数据采集—分析诊断—教学干预—效果评估—反馈优化”的闭环应用模式，并将行之有效的策略固化下来，最终形成可在本校乃至更大范围内推广的《细胞与分子》模块精准教学实践方案。

六、参考文献

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

[2] 高考命题研究中心，北京天利考试信息网.五年高考真题汇编详解[M].西藏：西藏人民出版社，2024.