基于科學(xué)思維培養(yǎng)的復(fù)習(xí)教學(xué)
——以“生態(tài)系統(tǒng)的信息傳遞”為例

四川

“科學(xué)思維”是指尊重事實(shí)和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實(shí)的求知態(tài)度，運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識(shí)事物、解決實(shí)際問(wèn)題的思維習(xí)慣和能力?？茖W(xué)思維是一種認(rèn)知方式，也是科學(xué)方法的一種具體運(yùn)用，筆者以“生態(tài)系統(tǒng)的信息傳遞”復(fù)習(xí)教學(xué)為例，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的教學(xué)策略進(jìn)行探討。

1.《課程標(biāo)準(zhǔn)》的要求及分析

依據(jù)《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）》，學(xué)生通過(guò)“生態(tài)系統(tǒng)的信息傳遞”學(xué)習(xí)，能舉例說(shuō)出生態(tài)系統(tǒng)中物理、化學(xué)和行為信息的傳遞對(duì)生命活動(dòng)的正常進(jìn)行、生物種群的繁衍和種間關(guān)系的調(diào)節(jié)起著重要作用，達(dá)到能說(shuō)明生態(tài)系統(tǒng)中信息傳遞的過(guò)程和特征，并對(duì)相關(guān)的生態(tài)學(xué)實(shí)踐應(yīng)用作出合理的分析和判斷的學(xué)業(yè)要求。因此，學(xué)生要理解生態(tài)系統(tǒng)的信息傳遞及其與其他相關(guān)知識(shí)之間的聯(lián)系和區(qū)別，并能在較復(fù)雜的情境中綜合運(yùn)用其進(jìn)行分析、判斷和推理。信息傳遞是生態(tài)系統(tǒng)的功能之一，與能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)一起將生態(tài)系統(tǒng)的各組成成分聯(lián)系為一個(gè)整體，共同維系著生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。聯(lián)系整個(gè)生命系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次，“生態(tài)系統(tǒng)的信息傳遞”與 “細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能”“細(xì)胞核的結(jié)構(gòu)和功能”“遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯”和 “動(dòng)物和人體生命活動(dòng)的調(diào)節(jié)”“植物的激素調(diào)節(jié)”等生物學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和原理，共同構(gòu)成了從細(xì)胞到生態(tài)系統(tǒng)的整個(gè)生命系統(tǒng)信息傳遞的有機(jī)整體。

基于以上分析，在高考復(fù)習(xí)中可運(yùn)用問(wèn)題引領(lǐng)和模型建構(gòu)的教學(xué)策略，通過(guò)比較分析、深化概念→構(gòu)建模型、發(fā)展思維→設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、科學(xué)探究→實(shí)踐應(yīng)用、落實(shí)責(zé)任，讓學(xué)生在整合中深化學(xué)習(xí)，深度理解生物學(xué)核心概念，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的系統(tǒng)性和綜合性，提升科學(xué)思維和科學(xué)探究等生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，發(fā)展學(xué)生的理解能力、實(shí)驗(yàn)與探究能力、解決問(wèn)題能力和創(chuàng)新能力（如圖1）。

2.比較分析、深化概念

教師向?qū)W生展示生態(tài)農(nóng)場(chǎng)圖片，以種植了一些糧食作物，栽培了許多果樹(shù)，飼養(yǎng)著優(yōu)質(zhì)的家禽、家畜等的生態(tài)農(nóng)場(chǎng)創(chuàng)設(shè)情境，整個(gè)復(fù)習(xí)過(guò)程圍繞生態(tài)農(nóng)場(chǎng)這一主題展開(kāi)。

教師呈現(xiàn)以下問(wèn)題串，學(xué)生自主學(xué)習(xí)或小組討論，分析回答。

（1）生態(tài)農(nóng)場(chǎng)中的信息有哪幾類并舉例，它們分別來(lái)源于什么？各以什么形式進(jìn)行傳遞？請(qǐng)你列表（如表1）進(jìn)行比較。

表1 比較生態(tài)系統(tǒng)中信息的種類

續(xù)表

（2）農(nóng)場(chǎng)生產(chǎn)中，用某種波長(zhǎng)的光信息處理萵苣種子，以促進(jìn)其萌發(fā)生長(zhǎng)；每天給生長(zhǎng)到一定階段的菊花植株遮光，以控制日照時(shí)間，使秋菊夏開(kāi)；牧草返青時(shí)，“綠色”為牛羊提供可采食的信息。以上現(xiàn)象分別說(shuō)明信息傳遞在生態(tài)系統(tǒng)中有什么作用？

（3）信息傳遞、能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)一起將生態(tài)農(nóng)場(chǎng)的各組成成分聯(lián)系為一個(gè)整體，請(qǐng)你列表（如表2）比較三者的區(qū)別和聯(lián)系。

表2 比較生態(tài)系統(tǒng)的功能

圖2 生命系統(tǒng)的信息傳遞概念模型

以問(wèn)題引領(lǐng)驅(qū)動(dòng)學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)、合作討論，比較生態(tài)農(nóng)場(chǎng)中信息的種類和信息傳遞與能量流動(dòng)及物質(zhì)循環(huán)的關(guān)系，辨析信息傳遞在生態(tài)系統(tǒng)中的作用，對(duì)已獲得的知識(shí)進(jìn)行再現(xiàn)和再認(rèn)識(shí)，幫助學(xué)生理解生態(tài)系統(tǒng)中信息的種類，信息傳遞在生態(tài)系統(tǒng)中的作用及能量流動(dòng)、物質(zhì)循環(huán)與信息傳遞的關(guān)系，內(nèi)化知識(shí)，深化概念，訓(xùn)練學(xué)生歸納與概括的科學(xué)思維。

3.構(gòu)建模型、發(fā)展思維

教師提出：農(nóng)場(chǎng)中，信息傳遞可發(fā)生在細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞間，也可發(fā)生在個(gè)體、種群和生態(tài)系統(tǒng)，請(qǐng)你用文字和箭頭等構(gòu)建“細(xì)胞→個(gè)體→種群→生態(tài)系統(tǒng)”的生命系統(tǒng)的信息傳遞概念模型。

學(xué)生思考、小組討論，建構(gòu)模型（如圖2）。

通過(guò)自主思考、小組討論，構(gòu)建生命系統(tǒng)的信息傳遞的概念模型，將知識(shí)整合，對(duì)知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行再優(yōu)化，可幫助學(xué)生理解知識(shí)點(diǎn)之間的內(nèi)在聯(lián)系，建立起更高級(jí)的邏輯關(guān)系和更深刻的知識(shí)體系。在構(gòu)建、修正和完善模型的過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生模型與建模的科學(xué)思維和批判性思維，使其認(rèn)識(shí)到生命系統(tǒng)的各結(jié)構(gòu)層次相互聯(lián)系成為一個(gè)統(tǒng)一的整體，各層次功能的協(xié)調(diào)離不開(kāi)信息傳遞且依賴于信息傳遞，通過(guò)調(diào)控實(shí)現(xiàn)生命系統(tǒng)各層次的穩(wěn)態(tài)，使學(xué)生感悟信息與調(diào)控、穩(wěn)態(tài)與平衡的生命觀念。

4.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、科學(xué)探究

教師介紹相關(guān)背景知識(shí)：（1）某些雌蟲(chóng)腹部末端能釋放出性外激素來(lái)吸引雄蟲(chóng)，如家蠶、蛾等。只要雌蟲(chóng)分泌數(shù)量極其微小的性外激素（每毫升空氣中存在幾千個(gè)，甚至幾百個(gè)性外激素分子，大約十億分之一克左右），就能被距離數(shù)百米到千米左右以外的雄蟲(chóng)所感知，從而找到伴侶進(jìn)行交配。（2）各種昆蟲(chóng)的性外激素有其特異性，僅對(duì)同種的昆蟲(chóng)起作用。目前，一些種類的昆蟲(chóng)性外激素的化學(xué)結(jié)構(gòu)已被弄清，它們大都屬于酯類、醇類或有機(jī)酸類?？茖W(xué)家現(xiàn)已可以合成一些昆蟲(chóng)的性外激素，用作性引誘劑，再與黑光燈誘捕法或殺蟲(chóng)劑相結(jié)合防治害蟲(chóng)，取得了顯著的殺蟲(chóng)效果。

教師提出問(wèn)題：通過(guò)對(duì)農(nóng)場(chǎng)中害蟲(chóng)的監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，玉米螟蟲(chóng)害將大量發(fā)生，現(xiàn)欲利用人工合成的玉米螟性引誘劑結(jié)合黑光燈誘捕法或殺蟲(chóng)劑進(jìn)行綜合防治。請(qǐng)你從以下材料和用具中選擇合適的實(shí)驗(yàn)材料，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明玉米螟性引誘劑能吸引玉米螟雄蛾前來(lái)交尾。（要求寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路并預(yù)期結(jié)果）

材料和用具：適量玉米螟雌蛾（玉米螟的成熟雌性個(gè)體）、透氣和不透氣的籠子（數(shù)量足夠）、遮光布和濾紙（數(shù)量足夠）、適量人工合成的玉米螟性引誘劑等。

學(xué)生分析思考、小組討論，合作學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)、完善實(shí)驗(yàn)。

學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，分析討論，選擇合適的材料和用具設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。小組1：透氣籠子中放入雌蛾、透氣籠子中放入性引誘劑、不透氣的籠子中放入雌蛾，三組均用遮光布罩住，一段時(shí)間后，透氣籠子中放入雌蛾組和透氣籠子中放入性引誘劑組有雄蛾飛來(lái)，不透氣的籠子中放入雌蛾組無(wú)雄蛾飛來(lái)。小組2：透氣籠子中放入放置過(guò)雌蛾的濾紙、透氣籠子中放入有性引誘劑的濾紙、透氣籠子中放入空白濾紙，一段時(shí)間后，放置過(guò)雌蛾的濾紙組和有性引誘劑的濾紙組有雄蛾飛來(lái)，空白濾紙組無(wú)雄蛾飛來(lái)……在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生充分表達(dá)和交流，不斷修正、完善實(shí)驗(yàn)方案并用生物學(xué)科語(yǔ)言進(jìn)行有邏輯的表達(dá)，思維深度碰撞，培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神，發(fā)展了學(xué)生的批判性思維和創(chuàng)造性思維，提高了學(xué)生的科學(xué)探究能力。

5.實(shí)踐應(yīng)用、落實(shí)責(zé)任

教師提出生產(chǎn)實(shí)踐問(wèn)題：生態(tài)農(nóng)場(chǎng)中種植了糧食作物，栽培了果樹(shù)，飼養(yǎng)著優(yōu)質(zhì)的家禽、家畜。你將利用哪些與信息傳遞有關(guān)的措施來(lái)提高各類農(nóng)畜產(chǎn)品的產(chǎn)量？

學(xué)生分析、討論回答。

運(yùn)用“生態(tài)系統(tǒng)的信息傳遞”的科學(xué)原理，學(xué)生分析、討論，舉例說(shuō)出利用信息傳遞來(lái)提高各類農(nóng)畜產(chǎn)品產(chǎn)量的措施，如：①利用趨光性對(duì)害蟲(chóng)進(jìn)行誘殺；②延長(zhǎng)光照時(shí)間提高家禽產(chǎn)蛋率；③用一定頻率聲波處理，提高蔬菜、谷類作物種子的發(fā)芽率；④釋放過(guò)量人工合成的性引誘劑，干擾害蟲(chóng)的正常交尾；⑤利用人工合成的各種化學(xué)信息素吸引傳粉昆蟲(chóng)，提高果樹(shù)及作物的傳粉率和結(jié)實(shí)率……總結(jié)信息傳遞在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用：一是提高農(nóng)產(chǎn)品或畜產(chǎn)品的產(chǎn)量，二是對(duì)有害動(dòng)物進(jìn)行控制。此環(huán)節(jié)可以幫助學(xué)生形成運(yùn)用課堂所學(xué)解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的意識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生嘗試解決生產(chǎn)生活中生物學(xué)問(wèn)題的擔(dān)當(dāng)與能力，訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)造性思維，增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感。

6.真題和變式訓(xùn)練、發(fā)展思維

以高考真題為基礎(chǔ)，在課堂復(fù)習(xí)和練習(xí)中滲透真題并進(jìn)行變式訓(xùn)練，有效檢測(cè)和幫助學(xué)生理解所涉及的知識(shí)內(nèi)容，在辨析和有邏輯的表達(dá)中發(fā)展科學(xué)思維。

【典例1】（2018 年，海南卷，第19 題）某同學(xué)將一面鏡子豎立在一棵樹(shù)旁，該樹(shù)上的一只小鳥(niǎo)飛到鏡前，對(duì)著鏡子中的“小鳥(niǎo)”憤怒地啄擊撲打。下列關(guān)于該事件中信息傳遞的敘述，錯(cuò)誤的是 （ ）

A.小鳥(niǎo)啄擊撲打的動(dòng)作本身是一種行為信息

B.小鳥(niǎo)的眼睛能夠感受鏡子發(fā)出的物理信息

C.小鳥(niǎo)把鏡子傳遞的信息當(dāng)作來(lái)自入侵者的信息

D.激怒小鳥(niǎo)的信息是直接來(lái)自非生物的化學(xué)信息

【答案】D

【試題分析】本題呈現(xiàn)的是簡(jiǎn)單的學(xué)習(xí)探究情境，體現(xiàn)了學(xué)業(yè)質(zhì)量水平“科學(xué)思維”的二級(jí)水平——能夠用簡(jiǎn)單的生物學(xué)概念解釋相應(yīng)的生命現(xiàn)象。本題考查生態(tài)系統(tǒng)中信息的種類，涉及物理信息（生態(tài)系統(tǒng)中的光、聲、溫度、濕度、磁力等通過(guò)物理過(guò)程傳遞的信息）、化學(xué)信息（生物在生命活動(dòng)中產(chǎn)生的一些可以傳遞信息的化學(xué)物質(zhì)，如植物的生物堿、有機(jī)酸、動(dòng)物的性外激素等）、行為信息（動(dòng)物的特殊行為，對(duì)于同種或異種生物也能夠傳遞某種信息）等概念。學(xué)生運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)聯(lián)系實(shí)際準(zhǔn)確判斷：小鳥(niǎo)啄擊撲打的動(dòng)作本身是一種行為信息；小鳥(niǎo)的眼睛能夠感受鏡子發(fā)出的光，這屬于物理信息；激怒小鳥(niǎo)的信息是直接來(lái)自非生物的物理信息。在概念辨析過(guò)程中可培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維的全面性和嚴(yán)謹(jǐn)性。

【典例2】（2020 年，自貢二診，第31 題節(jié)選）DMS（二甲基硫醚）是一種對(duì)氣候有明顯影響的氣體，海洋中生成DMS 的主要過(guò)程如圖3?；卮鹣铝袉?wèn)題：

圖3

（2）中間產(chǎn)物X 的濃度上升到一定程度時(shí)，它能作為一種___________信息使浮游動(dòng)物對(duì)圓石藻的捕食明顯減少，這體現(xiàn)了生態(tài)系統(tǒng)中信息傳遞的作用是______________________________。

【答案】化學(xué) 調(diào)節(jié)生物的種間關(guān)系，以維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定

【試題分析】此題呈現(xiàn)了一個(gè)較為復(fù)雜的學(xué)習(xí)探索情境，體現(xiàn)學(xué)業(yè)質(zhì)量水平“科學(xué)思維”的三級(jí)水平——基于事實(shí)和證據(jù)，運(yùn)用歸納的方法概括出生物學(xué)規(guī)律，考查生態(tài)系統(tǒng)中信息的種類和信息傳遞在生態(tài)系統(tǒng)中的作用。完成本小題學(xué)生需要獲取的信息有：①中間產(chǎn)物X 是圓石藻在生命活動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)；②中間產(chǎn)物X 的濃度上升到一定程度時(shí)使浮游動(dòng)物對(duì)圓石藻的捕食明顯減少。運(yùn)用歸納與概括的科學(xué)思維，基于生物學(xué)事實(shí)，總結(jié)出中間產(chǎn)物X 的濃度上升到一定程度時(shí)，它能作為一種化學(xué)信息使浮游動(dòng)物對(duì)圓石藻的捕食明顯減少，這有利于調(diào)節(jié)生物的種間關(guān)系，以維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定的科學(xué)論斷。在獲取有效信息和判斷推理的過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維的嚴(yán)謹(jǐn)性、深刻性，在有邏輯的表達(dá)中培養(yǎng)學(xué)生思維的流暢性，發(fā)展學(xué)生獲取信息的能力和理解能力。

本節(jié)課創(chuàng)設(shè)生態(tài)農(nóng)場(chǎng)這一生產(chǎn)情境，圍繞解決生產(chǎn)中的一系列問(wèn)題展開(kāi)復(fù)習(xí)，為學(xué)生提供了真實(shí)的表現(xiàn)機(jī)會(huì)。在問(wèn)題引領(lǐng)和任務(wù)驅(qū)動(dòng)下，學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)、小組討論、合作探究，靈活運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)和能力，解決真實(shí)、具體、富有價(jià)值的問(wèn)題。通過(guò)主動(dòng)加工，構(gòu)建生命系統(tǒng)的信息傳遞概念模型，促進(jìn)學(xué)生對(duì)細(xì)胞、個(gè)體、種群、生態(tài)系統(tǒng)的信息傳遞的深度理解和內(nèi)容的有機(jī)整合?？傊麄€(gè)教學(xué)過(guò)程中通過(guò)基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)和模型建構(gòu)使學(xué)生實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)，發(fā)展了學(xué)生的批判性思維和創(chuàng)造性思維，提高了學(xué)生的科學(xué)探究能力。