基于科學(xué)思維評價的高考生物學(xué)試題分析與教學(xué)策略

胡愛民

(海南師范大學(xué)附屬中學(xué) ?？?570208)

科學(xué)思維是指尊重事實和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實的求知態(tài)度，運用科學(xué)的思維方法認(rèn)識事物、解決實際問題的思維習(xí)慣和能力。例如，能夠基于生物學(xué)事實和證據(jù)，運用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創(chuàng)造性思維等方法，探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律，審視或論證生物學(xué)社會議題。

科學(xué)思維是發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分。近兩年高考試題的一個明顯變化就是十分注重考查學(xué)生的科學(xué)思維能力。試題通過設(shè)置相應(yīng)的問題情境，讓學(xué)生充分表達(dá)自己的思維狀況和邏輯推理水平，同時檢測學(xué)生的語言組織和表達(dá)能力。因此，教師要轉(zhuǎn)變教育觀念，探索有效的教學(xué)模式來培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的能力，從而真正提高學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

1 基于科學(xué)思維能力考查的試題分析

例1(2017海南卷26題節(jié)選)： (1)植物生長素對枝條生根有影響，生長素用量為0時，有些枝條也生根。其首次出根需要天數(shù)較多的原因是。

分析： 本題沒有按常規(guī)考查“處理枝條的生長素用量為0時，枝條生根的原因”，而是從另一角度立意，考查學(xué)生分析、綜合的能力及邏輯思維能力。在“外源生長素為0”這一條件下，基于“植物枝條產(chǎn)生的內(nèi)源生長素少”這一生物學(xué)事實，推理出“枝條含有生長素少”，再基于“枝條生根需要生長素積累到一定濃度”這一特點，綜合推理出“首次出根需要時間較長”。該題考查學(xué)生透過現(xiàn)象認(rèn)識本質(zhì)的思維方法，即在給定的情境中，運用生物學(xué)規(guī)律和原理，對結(jié)果或發(fā)展趨勢作出預(yù)測或解釋，并且用恰當(dāng)?shù)恼Z言進(jìn)行闡述、表達(dá)。由于對思維的縝密性和邏輯性有較高要求，試題難度較大。

例2(2017海南卷29題節(jié)選)： 果蠅有4對染色體(Ⅰ—Ⅳ號，其中Ⅰ號為性染色體)。純合體野生型果蠅表現(xiàn)為灰體、長翅、直剛毛，從該野生型群體中分別得到了甲、乙、丙三種單基因隱性突變的純合體果蠅，其特點如表1所示。

表1 三種果蠅的表現(xiàn)型和基因型及特征

(3)該小組又從乙果蠅種群中得到一只表現(xiàn)型為焦剛毛、黑體的雄蠅，與一只直剛毛灰體雌蠅雜交后，子一代雌雄交配得到的子二代的表現(xiàn)型及其比例為： 直剛毛灰體♀∶直剛毛黑體♀∶直剛毛灰體♂∶直剛毛黑體♂∶焦剛毛灰體♂∶焦剛毛黑體♂=6∶2∶3∶1∶3∶1，則雌雄親本的基因型分別為(控制剛毛性狀的基因用A/a表示)。

分析： 本題要求學(xué)生從題干中提煉出有效信息，綜合運用遺傳學(xué)原理進(jìn)行分析推理，考查學(xué)生能夠在新的問題情境中，基于事實和證據(jù)，采用科學(xué)思維的方法揭示生物學(xué)規(guī)律和機(jī)制，并用恰當(dāng)?shù)姆绞奖磉_(dá)。由于問題情境復(fù)雜，本題對學(xué)生的推理判斷、分析綜合能力的要求很高，很好地考查了學(xué)生的推理思維。其分析推理過程如圖1所示。

圖1 分析推理過程

例3(2018全國Ⅱ卷31題節(jié)選)： 大型肉食性動物對低營養(yǎng)級肉食性動物與植食性動物有捕食和驅(qū)趕作用。這一建立在“威懾”與“恐懼”基礎(chǔ)上的種間關(guān)系會對群落或生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，此方面的研究屬于“恐懼生態(tài)學(xué)”范疇。

(1) 略。

(2) 如果將頂級肉食性動物引入食物網(wǎng)只有三個營養(yǎng)級的某生態(tài)系統(tǒng)中，使得甲、乙兩種植食性動物間的競爭結(jié)果發(fā)生了反轉(zhuǎn)，即該生態(tài)系統(tǒng)中甲的數(shù)量優(yōu)勢地位喪失，假定該反轉(zhuǎn)不是由于頂級肉食性動物的直接捕食造成的，那么根據(jù)上述“恐懼生態(tài)學(xué)”知識推測，甲的數(shù)量優(yōu)勢地位喪失的可能原因是。

分析： 本題以生態(tài)學(xué)家詹妮特的研究成果立意，強(qiáng)化了對生命現(xiàn)象思考深度的考查。需要學(xué)生基于事實和證據(jù)，邏輯清晰，運用生態(tài)學(xué)整體思維的方式認(rèn)識事物、解決問題。解題的關(guān)鍵是準(zhǔn)確把握題干中“恐懼生態(tài)學(xué)”知識的內(nèi)涵，抓住“捕食和驅(qū)趕”這一關(guān)鍵信息，在基于“甲的數(shù)量由優(yōu)勢變?yōu)榱觿荨薄凹讛?shù)量減少不是肉食動物捕食引起”這兩個事實的基礎(chǔ)上，建立起“恐懼→逃離→數(shù)量減少”及“恐懼程度越大→逃離數(shù)量越多→競爭結(jié)果反轉(zhuǎn)→影響生態(tài)系統(tǒng)”兩個邏輯關(guān)系，從而推理出甲動物逃離該生態(tài)系統(tǒng)的比乙多，說明甲對捕食者的恐懼程度比乙更大。本題同時還考查了“穩(wěn)態(tài)平衡觀”這一生命觀念，并能引發(fā)學(xué)生思維的延伸，深度思考人類活動對生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

2 基于科學(xué)思維發(fā)展的教學(xué)策略

高考試題越來越重視從多個角度考查學(xué)生的科學(xué)思維，試題命制反映出當(dāng)前教育改革的方向。因此，教師在教學(xué)中應(yīng)高度重視培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的習(xí)慣，采用多種教學(xué)手段發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的品質(zhì)。

2.1 利用問題驅(qū)動發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新思維 問題意識是學(xué)生創(chuàng)造力的一個重要組成部分，是學(xué)生創(chuàng)新思維形成的驅(qū)動力。教師應(yīng)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)設(shè)有層次性、邏輯性的問題情境，讓學(xué)生圍繞問題尋求解決方案，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

例如，“細(xì)胞膜——系統(tǒng)的邊界”是高中學(xué)生首次接觸到的有關(guān)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的知識，學(xué)生對細(xì)胞膜的認(rèn)識還很膚淺。教學(xué)時，圍繞“制備細(xì)胞膜的方法”這一教學(xué)目標(biāo)，可以將教材中的實驗改成環(huán)環(huán)相扣、邏輯縝密的問題，引導(dǎo)學(xué)生圍繞目標(biāo)從多個側(cè)面思考，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維(表2)。

表2 “制備細(xì)胞膜的方法”的教學(xué)過程

科學(xué)思維的過程需要推理、想象、聯(lián)想、直覺等思維活動。因此，教師在教學(xué)中設(shè)計問題時既要緊扣教材，又要有創(chuàng)新意識，能引發(fā)學(xué)生從多角度、多層次去思考，步步推進(jìn)，達(dá)到發(fā)展思維的目的。

2.2 生物科學(xué)史是發(fā)展科學(xué)思維的重要手段 生物科學(xué)史是科學(xué)家通過科學(xué)實驗探尋生命本質(zhì)的歷史，它揭示了人們思考和解決生物學(xué)問題的一些特有的思維方式和探究歷程。高中生物學(xué)教材中的科學(xué)史蘊(yùn)含著豐富的科學(xué)思想和科學(xué)方法，對學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展有很大幫助。

2.2.1 利用科學(xué)史培養(yǎng)學(xué)生的邏輯推理能力和歸納概括能力 科學(xué)思維是一種建立在證據(jù)和邏輯推理上的思維?！肮夂献饔玫陌l(fā)現(xiàn)”就是一部豐富的科學(xué)史，其中光反應(yīng)與暗反應(yīng)的過程，教材直接以圖解形式呈現(xiàn)出來，實質(zhì)上這兩個階段的發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家也經(jīng)歷了艱辛的探究歷程。教學(xué)中，通過查閱資料，有效整合，在基于事實、證據(jù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過推理、概括，使學(xué)生從化學(xué)反應(yīng)的變化去認(rèn)識水和二氧化碳是如何轉(zhuǎn)變成糖類等有機(jī)物的。其設(shè)計思路如下：

表3 “光合作用的過程”教學(xué)設(shè)計

2.2.2 利用科學(xué)史培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維 批判性思維是一種反思性思維，其本質(zhì)是尋找知識要抱著真誠和客觀的態(tài)度。生物科學(xué)史體現(xiàn)著科學(xué)家尊重事實、服從真理的科學(xué)態(tài)度。在教學(xué)中，教師應(yīng)注意引導(dǎo)學(xué)生從科學(xué)史中感悟科學(xué)家敢于質(zhì)疑、嚴(yán)謹(jǐn)求實的優(yōu)秀品質(zhì)。

例如，在建立生物膜模型的過程中，羅伯特森通過電鏡觀察提出了“蛋白質(zhì)—脂質(zhì)—蛋白質(zhì)”的模型，組織學(xué)生討論： 該模型有哪些優(yōu)缺點？利用該模型能解釋物質(zhì)的跨膜運輸、變形蟲的變形運動嗎？再列出實證，科學(xué)家運用冰凍蝕刻與電鏡相結(jié)合的技術(shù)否定了該模型，最終提出了更合理的流動鑲嵌模型，從而使學(xué)生感受到科學(xué)是在不斷質(zhì)疑、不斷修正中發(fā)展的。在“促胰液素的發(fā)現(xiàn)”教學(xué)時，對比分析沃泰默的失敗與斯他林和貝利斯的成功，讓學(xué)生領(lǐng)悟到科學(xué)發(fā)現(xiàn)需要大膽的質(zhì)疑和豐富的想象?？傊谶\用科學(xué)史組織教學(xué)的過程中，應(yīng)注意啟發(fā)學(xué)生對證據(jù)、推理、結(jié)論等產(chǎn)生質(zhì)疑，反思認(rèn)識的不足，切實發(fā)展學(xué)生的批判性思維。

2.3 在模型建構(gòu)中生成概念，發(fā)展科學(xué)思維 模型是人們?yōu)榱四撤N目的而對認(rèn)識對象所作的一種簡化的概括性的描述。模型方法作為一種認(rèn)識手段和科學(xué)思維方式，其主要價值是讓學(xué)生通過嘗試建立模型，體驗其中的思維過程，領(lǐng)悟建模方法，逐步建立起科學(xué)概念。以光反應(yīng)與暗反應(yīng)過程的模型建構(gòu)為例，按上述表3的設(shè)計思路，在分析實驗、形成推論的過程中逐步建立起光合作用過程的概念模型。

2.3.1 構(gòu)建過程 在弄清物質(zhì)(H2O)和能量(光能)變化的基礎(chǔ)上經(jīng)過不斷修正構(gòu)建起光反應(yīng)過程的模型，在分析卡爾文實驗的基礎(chǔ)上構(gòu)建起暗反應(yīng)過程的模型。

最后通過分析阿爾農(nóng)的實驗建立起光反應(yīng)與暗反應(yīng)相互聯(lián)系的完整模型(圖2)[1]：

2.3.2 模型運用 學(xué)生利用自己構(gòu)建的模型分析討論，如果CO2充足，突然增大或減小光照，短時間內(nèi)C3、C5、(CH2O)的含量變化趨勢是怎樣的？通過師生交流，進(jìn)一步加深對所建模型的認(rèn)識，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維。

發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維不可能一蹴而就，需要教師將科學(xué)思維的培養(yǎng)切實融入自己的課堂教學(xué)中，站在全面發(fā)展學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)的高度，達(dá)成生物學(xué)課程的教育目標(biāo)。

圖2 光合作用過程模型