余中賓 黃文文 黃濤

摘要 以2021年全國(guó)I卷生物試題為例，分析科學(xué)思維在高考生物學(xué)試題中的滲透體現(xiàn)，并闡述科學(xué)思維在高中生物學(xué)教學(xué)中的培養(yǎng)策略。

關(guān)鍵詞 科學(xué)思維 高考生物試題 培養(yǎng)策略

中圖分類(lèi)號(hào) G633.91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

科學(xué)思維是基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)，運(yùn)用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創(chuàng)造性思維等方法，對(duì)生命規(guī)律本質(zhì)的判斷及其相互關(guān)系的解釋?zhuān)约皩?duì)生命現(xiàn)象發(fā)展變化做出預(yù)測(cè)具有重要意義，是建構(gòu)生物學(xué)概念、形成生命觀念的重要方式?？茖W(xué)思維所包含的批判質(zhì)疑、勇于探究的科學(xué)精神，是學(xué)生適應(yīng)終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，是高考生物的重要考查方向。與識(shí)記基礎(chǔ)知識(shí)、并在特定情境中進(jìn)行應(yīng)用和判斷相比，科學(xué)思維在試題中考查更注重依據(jù)題設(shè)的生物學(xué)情境中事實(shí)、證據(jù)，進(jìn)行演繹推理、歸納綜合，創(chuàng)造性、批判性地解決問(wèn)題和驗(yàn)證解答的過(guò)程，并最終得出結(jié)論。近幾年考查科學(xué)思維的試題的分布和分值都很平穩(wěn)（表1），但是從答題和實(shí)際得分的反饋情況來(lái)看，學(xué)生作答普遍停留在強(qiáng)行的機(jī)械記憶層面，邏輯混亂，表述不清，往往答非所問(wèn)，科學(xué)思維的滲透和運(yùn)用亟待提升。

12021年全國(guó)I卷中考查科學(xué)思維生物試題的分析

2021年全國(guó)I卷生物試題對(duì)科學(xué)思維的考查與往年一致，有選擇題和非選擇題。選擇題強(qiáng)調(diào)了以題設(shè)信息為依據(jù)，對(duì)選項(xiàng)表述中推理的過(guò)程或結(jié)論進(jìn)行判斷。

[例1]5.在格里菲思所做的肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)中，無(wú)毒性的R型活細(xì)菌與被加熱殺死的S型細(xì)菌混合后注射到小鼠體內(nèi)，從小鼠體內(nèi)分離出了有毒性的S型活細(xì)菌。某同學(xué)根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)有生物學(xué)知識(shí)所做的下列推測(cè)中，不合理的是（）

A.與R型菌相比，S型菌的毒性可能與莢膜多糖有關(guān)

B.S型菌的DNA能夠進(jìn)入R型菌細(xì)胞指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成

C.加熱殺死S型菌使其蛋白質(zhì)功能喪失而DNA功能可能不受影響

D.將S型菌的DNA經(jīng)DNA酶處理后與R型菌混合，可以得到S型菌

參考答案：D。

分析：此題可從結(jié)構(gòu)和功能適應(yīng)觀角度審視，DNA是使細(xì)菌具有轉(zhuǎn)化功能和細(xì)菌形態(tài)特征的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。多糖莢膜是S型菌的結(jié)構(gòu)，具有抵抗宿主吞噬細(xì)胞的的吞噬，有利于細(xì)菌的生存和繁殖的功能;DNA是遺傳物質(zhì)，通過(guò)指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成控制生命活動(dòng)，使R型菌具有了S型菌的特征。這個(gè)過(guò)程屬于一般推理過(guò)程。依據(jù)蛋白質(zhì)變性后不可恢復(fù)，DNA在高溫處理后能恢復(fù)活性的原理，蛋白質(zhì)不受DNA酶影響，DNA被DNA酶處理后會(huì)失去活性，不再具有轉(zhuǎn)化的功能，體現(xiàn)了類(lèi)比判斷思維。

[例2]6.某種二倍體植物的n個(gè)不同性狀由n對(duì)獨(dú)立遺傳的基因控制（雜合子表現(xiàn)顯性性狀）。已知植株A的n對(duì)基因均雜合。理論上，下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是（）

A.植株A的測(cè)交子代會(huì)出現(xiàn)2n種不同表現(xiàn)型的個(gè)體

B.n越大，植株A測(cè)交子代中不同表現(xiàn)型個(gè)體數(shù)目彼此之間的差異越大

C.植株A測(cè)交子代中n對(duì)基因均雜合的個(gè)體數(shù)和純合子的個(gè)體數(shù)相等

D.n≥2時(shí)，植株A的測(cè)交子代中雜合子的個(gè)體數(shù)多于純合子的個(gè)體數(shù)

參考答案：B。

分析：本題是典型的依據(jù)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析和判斷的。利用乘法原理的數(shù)學(xué)模型解釋多對(duì)獨(dú)立遺傳的基因遺傳后代多樣性特點(diǎn)是重要的科學(xué)思維。在每一對(duì)基因完全顯性的前提下，具有獨(dú)立遺傳的多對(duì)基因的植株測(cè)交產(chǎn)生后代的種類(lèi)及比例是由配子種類(lèi)及比例決定的，且表現(xiàn)型和基因型是一一對(duì)應(yīng)，測(cè)交子代種類(lèi)情況見(jiàn)表2。

由表2可知，n越大，測(cè)交子代的表現(xiàn)型的種類(lèi)越多。但是，每一種子代的所占概率彼此相同，其數(shù)量是由子代總數(shù)決定的。

另外，第32題的遺傳設(shè)計(jì)雜交實(shí)驗(yàn)中，黃體雌果蠅（XaXa）的兩個(gè)親本都能產(chǎn)生Xa配子，從親代產(chǎn)生配子的種類(lèi)及比例是解決遺傳子代種類(lèi)及表現(xiàn)型問(wèn)題的關(guān)鍵思維角度，是創(chuàng)新思維的體現(xiàn)。數(shù)學(xué)思維的乘法原理是解決多對(duì)獨(dú)立遺傳基因的個(gè)體雜交后代概率問(wèn)題的有效方法，例如32（2）題中（3∶1）（1∶1）=3∶1∶3∶1。

[例3]29.生活在干旱地區(qū)的一些植物（如植物甲）具有特殊的CO2固定方式。這類(lèi)植物晚上氣孔打開(kāi)吸收CO2，吸收的CO2通過(guò)生成蘋(píng)果酸儲(chǔ)存在液泡中;白天氣孔關(guān)閉，液泡中儲(chǔ)存的蘋(píng)果酸脫羧釋放的CO2可用于光合作用?；卮鹣铝袉?wèn)題：

（1）略。

（2）氣孔白天關(guān)閉、晚上打開(kāi)是這類(lèi)植物適應(yīng)干旱環(huán)境的一種方式，這種方式既能防止，又能保證正常進(jìn)行。

（3）若以pH作為檢測(cè)指標(biāo)，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證植物甲在干旱環(huán)境中存在這種特殊的CO2固定方式。（簡(jiǎn)要寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)思路和預(yù)期結(jié)果）。

參考答案：（2）水分過(guò)度散失光合作用（暗反應(yīng)）（3）實(shí)驗(yàn)思路：取若干生理狀態(tài)相同的植物甲，平均分為A、B兩組并于夜晚測(cè)定其細(xì)胞液pH。將A組置于干旱條件下培養(yǎng)，B組置于水分充足的條件下培養(yǎng)，其他條件保持相同且適宜。一段時(shí)間后，分別測(cè)定A、B兩組植物夜晚細(xì)胞液的pH并記錄。預(yù)期結(jié)果：A組pH小于B組，且B組pH實(shí)驗(yàn)前后變化不大，說(shuō)明植物甲在干旱環(huán)境中存在這種特殊的CO2固定方式。分析：第（2）問(wèn)的答案可以通過(guò)氣孔具有在蒸騰作用中的散失水、光合作用過(guò)程中吸收CO2的生理作用進(jìn)行歸納概括，屬于由此及彼的推理過(guò)程。第（3）問(wèn)首先需要確定實(shí)驗(yàn)自變量和因變量，挖掘出在題設(shè)條件下的CO2含量和溶液pH的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并以此預(yù)測(cè)可能的結(jié)果、得出結(jié)論。解決此類(lèi)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)思路試題是利用創(chuàng)新和批判性思維等關(guān)鍵科學(xué)思維能力的體現(xiàn)。

2在生物學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)科學(xué)思維的教學(xué)策略

高考生物試題對(duì)科學(xué)思維能力的考查，一般體現(xiàn)在學(xué)生獲取生物學(xué)信息時(shí)分析和判斷的思維邏輯層次、解釋生物學(xué)現(xiàn)象及規(guī)律時(shí)使用科學(xué)方法進(jìn)行邏輯推理的熟練程度，以及對(duì)解決題設(shè)問(wèn)題時(shí)綜合探究能力強(qiáng)弱。教師可以從以下方面培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維核心素養(yǎng)。

2.1在生物科學(xué)史學(xué)習(xí)中樹(shù)立重視科學(xué)思維邏輯的觀念

生物學(xué)科學(xué)史是指科學(xué)家對(duì)生命現(xiàn)象的研究過(guò)程，及其研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的生物學(xué)知識(shí)原理、規(guī)律和采用的科學(xué)方法等。生命現(xiàn)象和規(guī)律的研究需要清晰的邏輯思維過(guò)程和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)方法，才能進(jìn)行有效質(zhì)疑、論證、解釋、評(píng)價(jià)等。教師可利用科學(xué)史中前后事件延續(xù)的邏輯關(guān)系，用前一個(gè)科學(xué)史事件預(yù)測(cè)后一個(gè)科學(xué)史事件，或者由后一個(gè)科學(xué)史事件印證前一個(gè)科學(xué)史事件，為學(xué)生提供了運(yùn)用科學(xué)思維的典范，是學(xué)生構(gòu)建生物學(xué)概念、深刻領(lǐng)悟科學(xué)方法和樹(shù)立科學(xué)思維觀念的絕佳教學(xué)載體。例如，對(duì)生物膜的成分和結(jié)構(gòu)的探究歷程中，歐文頓利用500多種化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行上萬(wàn)次的通透性實(shí)驗(yàn)后，綜合歸納推斷出細(xì)胞膜的主要成分是脂質(zhì);后續(xù)科學(xué)家預(yù)測(cè)出細(xì)胞膜是兩層結(jié)構(gòu)、推測(cè)出細(xì)胞膜含有蛋白質(zhì)的依據(jù)是什么？羅伯特森使用電子顯微鏡的觀察細(xì)胞膜，提出的暗-亮-暗的三層靜態(tài)模型的假說(shuō)為什么被質(zhì)疑？科學(xué)家們又如何創(chuàng)造性地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)證明細(xì)胞膜具有流動(dòng)性，并綜合概括出流動(dòng)鑲嵌模型的？這些問(wèn)題的解決往往前后科學(xué)史事件相互印證，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎季S過(guò)程在盤(pán)旋上升的科學(xué)發(fā)展中起到了重要作用。

2.2在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)有效的科學(xué)思維的能力

培養(yǎng)有效的科學(xué)思維，首先要使學(xué)生學(xué)會(huì)觀察與思考。很多生物學(xué)概念和結(jié)論都是建立在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)之上。若脫離了科學(xué)思維，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察是機(jī)械的，探究過(guò)程的分析和邏輯是混亂的，會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題失分嚴(yán)重。教師結(jié)合科學(xué)思維訓(xùn)練引導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)發(fā)現(xiàn)和驗(yàn)證生命規(guī)律的特點(diǎn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的推理演繹、批判性評(píng)價(jià)和創(chuàng)新性能力。例如，燕麥胚芽鞘的向光彎曲生長(zhǎng)是由于生長(zhǎng)素在背光側(cè)的濃度大于向光側(cè)導(dǎo)致的。教師要鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行批判性思維：是不是生長(zhǎng)素濃度越大，生長(zhǎng)速度越快？引導(dǎo)學(xué)生從穩(wěn)態(tài)平衡觀和適應(yīng)觀角度做出預(yù)測(cè)，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證自己的想法。學(xué)生會(huì)主動(dòng)確定實(shí)驗(yàn)探究的濃度梯度自變量和植物生長(zhǎng)程度的因變量，并調(diào)整探索最適深度的范疇，從而深刻理解生長(zhǎng)素的生理作用特點(diǎn)。

2.3在科學(xué)方法中理解科學(xué)思維的本質(zhì)

2019年人教版高中生物學(xué)新教材增加了“科學(xué)方法”專(zhuān)欄，說(shuō)明高中教學(xué)對(duì)科學(xué)方法的重視。科學(xué)方法需要科學(xué)思維支持，不少學(xué)生忽視科學(xué)方法的理解和感悟，不理解科學(xué)思維運(yùn)用的本質(zhì)，從而困惑于生物試題中運(yùn)用科學(xué)思維的角度，往往出現(xiàn)了平時(shí)訓(xùn)練“看參考答案能夠了解題設(shè)問(wèn)題，不看答案的解題卻答非所問(wèn)，同一道試題過(guò)幾天再做還是不會(huì)”的現(xiàn)象。例如，乘法原理在理論上很好地用每一對(duì)性狀的3∶1分離比，推理出兩對(duì)性狀的豌豆雜交實(shí)驗(yàn)的9∶3∶3∶1自由組合現(xiàn)象。兩對(duì)性狀的自由組合現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是控制兩對(duì)性狀的兩對(duì)基因位于非同源染色體上，并通過(guò)測(cè)交進(jìn)行演繹推理和驗(yàn)證。但是，測(cè)交后代的表現(xiàn)型及比例是由待測(cè)個(gè)體產(chǎn)生四種數(shù)量相同的配子比例決定的。一旦出現(xiàn)測(cè)交或者自交的異常結(jié)果，乘法原理的解釋就可能行不通，需要調(diào)整思維從配子致死或者基因在染色體上的位置角度重新考慮。不少學(xué)生由于缺乏理解科學(xué)思維的實(shí)質(zhì)，而對(duì)此類(lèi)遺傳試題束手無(wú)策。再如，減法原理的實(shí)質(zhì)就是艾弗里將S型細(xì)菌的各種物質(zhì)分開(kāi)，看是否單獨(dú)起到轉(zhuǎn)化的作用，如果拋開(kāi)減法原理的本質(zhì)，就不會(huì)理解轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)采用的科學(xué)方法。

2.4在綜合表達(dá)訓(xùn)練中養(yǎng)成運(yùn)用科學(xué)思維作答的習(xí)慣

高考試題的問(wèn)題設(shè)計(jì)由淺入深、由易及難、由表及里的過(guò)程是離不開(kāi)科學(xué)思維作支撐。非選擇題中淺顯容易的問(wèn)題主要考查基本概念、過(guò)程和規(guī)律的理解和掌握，后續(xù)深層次、較難回答的問(wèn)題需要邏輯推理、獲取信息、綜合分析與明確表達(dá)，滲透了對(duì)科學(xué)思維能力的考查。科學(xué)思維支撐著學(xué)生專(zhuān)業(yè)語(yǔ)言表達(dá)與文字書(shū)寫(xiě)邏輯性。作答的思維混亂、表述不清，與學(xué)生平時(shí)不注重善用科學(xué)思維的推理、不會(huì)用專(zhuān)業(yè)語(yǔ)言回答“原因是”“依據(jù)是”“可以得出的結(jié)論是”或“寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)思路和預(yù)期結(jié)果”試題有關(guān)。前兩者考查科學(xué)思維的演繹推理能力;后兩者主要考查歸納和概括與創(chuàng)新性思維能力，如2021年高考全國(guó)I卷29題（3）、30題（3）和32題。可以預(yù)見(jiàn)這類(lèi)試題在高考生物中還會(huì)加強(qiáng)。平時(shí)訓(xùn)練時(shí)，教師要遵循科學(xué)思維規(guī)律，如“根據(jù)現(xiàn)象提出問(wèn)題—作出解釋—類(lèi)比推理—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”。教師要引導(dǎo)學(xué)生在審題時(shí)抓住關(guān)鍵信息，分析其邏輯因果關(guān)系，用準(zhǔn)確的專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)答題等，在長(zhǎng)期的訓(xùn)練中形成一定的作答的思維習(xí)慣，如“實(shí)驗(yàn)思路和預(yù)期結(jié)果”類(lèi)試題的構(gòu)建（圖1）。

3對(duì)生物學(xué)高考考查科學(xué)思維的反思

生物學(xué)高考對(duì)科學(xué)思維的考查，是達(dá)到教育部考試中心要求的“試題在思維深度、作答難度等為前提進(jìn)行梯度設(shè)置，更好地實(shí)現(xiàn)試題的區(qū)分目標(biāo)”的有效考查方式，有利于區(qū)分學(xué)生的綜合能力水平，是檢驗(yàn)對(duì)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)培育目標(biāo)是否達(dá)成的有效途徑之一?？茖W(xué)思維培養(yǎng)對(duì)教師提出更高的要求，需要教師認(rèn)真研究高考生物學(xué)試題中科學(xué)思維滲透的特點(diǎn)和命題趨勢(shì)，并以此為根據(jù)廣泛涉獵豐富的蘊(yùn)含科學(xué)思維的生物學(xué)材料，結(jié)合新課程標(biāo)準(zhǔn)、新教材進(jìn)行有效篩選、精心設(shè)置題設(shè)問(wèn)題。

總之，高考生物對(duì)科學(xué)思維的能力和方法考查是高考生物學(xué)試題發(fā)展的必然趨勢(shì)。生物學(xué)高考注重領(lǐng)悟與體驗(yàn)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)探究，強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生的科學(xué)思維培養(yǎng)，符合生物學(xué)科素養(yǎng)培育的要求。學(xué)生的生物學(xué)習(xí)能力的提高并不是僅靠已有知識(shí)的拼湊，而是依靠發(fā)展良好的科學(xué)思維，滿足終生發(fā)展的需求。

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