科學思維類試題的解題策略與備考建議
——以2021年全國乙卷生物試題為例

廣西 藍偉東

學科核心素養(yǎng)是學科育人價值的集中體現(xiàn)，是需要學生在生物學課程學習過程中發(fā)展起來的、在解決真實情境中的實際問題中表現(xiàn)出來的正確價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力，科學思維是其重要組成部分之一。

一、科學思維在高考試題中的考查

(一)科學思維的內(nèi)涵

“科學思維”是指尊重事實和證據(jù)，崇尚嚴謹和務(wù)實的求知態(tài)度，運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力。教師在開展課堂教學、考試評價和高考備考的過程中，要關(guān)注學生科學思維的養(yǎng)成，培養(yǎng)學生掌握歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創(chuàng)造性思維等方法。

(二)2018—2020年真題考查科學思維的試題類型分析

分析2018—2020年的高考試題可以發(fā)現(xiàn)，高考試題越來越重視對科學思維的考查。筆者對涉及科學思維考查的部分試題進行了統(tǒng)計和分析，結(jié)果如表1所示。

表1

續(xù)表

從上述分析，可以發(fā)現(xiàn)全國卷對科學思維的考查呈現(xiàn)以下幾個特點：

1.基于真實情境

高考試題以真實情境向?qū)W生提供新知識或延伸原有知識，要求學生基于情境知識和原有知識進行深入思考，解決問題。情境既有來源于學生熟知的新冠肺炎疫情防控，也有學生在教材和日常練習中經(jīng)常遇到的果蠅雜交實驗、植物雜交實驗，還有源于生產(chǎn)和科研實踐的情境。真實情境的設(shè)置，凸顯對學生運用比較、歸納、概括、建模、演繹、推理等方法加工信息的能力要求，最終考查學生運用科學思維解決實際問題的能力。

2.信息種類多樣

高考試題以實驗數(shù)據(jù)表、雜交實驗及實驗數(shù)據(jù)、曲線圖等多種形式呈現(xiàn)信息?？茖W是基于實證證據(jù)的，證據(jù)來源于實驗、觀察和統(tǒng)計等途徑，對證據(jù)的解讀，有助于提出關(guān)于自然現(xiàn)象的推論。高考試題中的圖表即是證據(jù)的呈現(xiàn)形式，學生解讀數(shù)據(jù)即是解讀證據(jù)的過程，該過程有利于考查學生運用觀察、資料收集等方法獲取信息的能力。

3.問題形式靈活

高考試題問題仍以文字為主，除基礎(chǔ)概念填空外，近年來陸續(xù)出現(xiàn)了“理由是”“原因是”“依據(jù)是”“優(yōu)點是”“關(guān)系是”等長句表述類問題，在體現(xiàn)學生語言表達能力的同時，更重要的是要求學生將科學思維過程外顯，體現(xiàn)對學生思維嚴謹性的要求。此外，部分試題還要求學生以“示意圖”“流程圖”的形式作答，如此能夠顯著減少作答時間，提高作答效率，優(yōu)化應(yīng)答表現(xiàn)。

(三)學生科學思維的現(xiàn)狀

在新課教學和復(fù)習備考中，師生都對基本概念等核心內(nèi)容、假說-演繹法、實驗方法等很重視。但當遇到長句表述類問題時，很多學生仍處于束手無策的狀態(tài)，或表達缺乏邏輯關(guān)聯(lián)，或表述缺乏科學性，甚至存在部分學生直接放棄作答?？梢姡纬闪己玫目茖W思維是學生思維體系形成的難點，影響著學生學科核心素養(yǎng)的提升。

二、全國卷中科學思維類試題的例析

(一)圍繞核心概念，考查歸納與概括能力

【例1】(2021年，全國乙卷，第31題)哺乳動物細胞之間的信息交流是其生命活動所必需的。請參照表中內(nèi)容，圍繞細胞間的信息交流完成表2，以體現(xiàn)激素和靶器官(或靶細胞)響應(yīng)之間的對應(yīng)關(guān)系。

表2

激素調(diào)節(jié)是現(xiàn)行教材的核心概念之一，例1考查的是激素作為信息與靶器官(或靶細胞)的響應(yīng)關(guān)系，意在引導學生運用歸納與概括的方法，將不同激素作用于不同靶器官(或靶細胞)等的個別特性、個別方面組合形成一個整體，得出激素通過體液運輸、作用于靶器官(或靶細胞)等的共性特征，進而理解穩(wěn)態(tài)與平衡觀等生命觀念。2019年全國卷Ⅲ第29題曾以類似的形式圍繞真核細胞中ATP的合成與細胞質(zhì)基質(zhì)、葉綠體的類囊體膜、線粒體等的關(guān)系進行了歸納概括。提升學生的歸納與概括能力，可以幫助學生將零散知識系統(tǒng)化，利于學生強化記憶，掌握生物學的基本規(guī)律。

(二)基于事實證據(jù)，考查演繹與推理能力

【例2】(2021年，全國乙卷，第32題)果蠅的灰體對黃體是顯性性狀，由X染色體上的1對等位基因(用A/a表示)控制；長翅對殘翅是顯性性狀，由常染色體上的1對等位基因(用B/b表示)控制。回答下列問題：

(1)請用灰體純合子雌果蠅和黃體雄果蠅為實驗材料，設(shè)計雜交實驗以獲得黃體雌果蠅。(要求：用遺傳圖解表示雜交過程。)

(2)若用黃體殘翅雌果蠅與灰體長翅雄果蠅(XAYBB)作為親本雜交得到F1，F(xiàn)1相互交配得F2,則F2中灰體長翅∶灰體殘翅∶黃體長翅∶黃體殘翅=________，F(xiàn)2中灰體長翅雌蠅出現(xiàn)的概率為________。

例2考查的是遺傳基本規(guī)律的應(yīng)用，以學生熟知的果蠅為實驗材料，要求學生基于現(xiàn)有證據(jù)信息，使用生物學語言(遺傳圖解)表示獲得特定性狀個體的過程，還要求學生推導得出雜交后代的表現(xiàn)型比例或概率。試題中既有學生演繹與推理思維過程顯性化的呈現(xiàn)(第1小題)，也有直接呈現(xiàn)演繹與推理思維結(jié)果的要求(第2小題)。從試題要求看，在開展演繹與推理要求的能力培養(yǎng)時，不宜追求偏、難、怪試題的解決，要重視遺傳圖解等推理工具的使用，重視基礎(chǔ)內(nèi)容的假設(shè)與推理。

(三)利用圖文轉(zhuǎn)換，考查模型與建模能力

【例3】(2021年，全國乙卷，第37題節(jié)選)工業(yè)上所說的發(fā)酵是指微生物在有氧或無氧條件下通過分解與合成代謝將某些原料物質(zhì)轉(zhuǎn)化為特定產(chǎn)品的過程。利用微生物發(fā)酵制作醬油在我國具有悠久的歷史。某企業(yè)通過發(fā)酵制作醬油的流程示意圖如圖1所示。

圖1

回答下列問題：

(3)在發(fā)酵池發(fā)酵階段添加的乳酸菌屬于________(填“真核生物”或“原核生物”)；添加的酵母菌在無氧條件下分解葡萄糖的產(chǎn)物是________。在該階段抑制雜菌污染和繁殖是保證醬油質(zhì)量的重要因素，據(jù)圖分析該階段中可以抑制雜菌生長的物質(zhì)是________(答出1點即可)。

模型是人們?yōu)榱四撤N特定的目的而對認識對象所做的一種簡化描述，模型的形式包括物理模型、數(shù)學模型和概念模型。例3通過工藝流程圖的形式呈現(xiàn)以米曲霉發(fā)酵制作醬油的工藝技術(shù)，圍繞發(fā)酵的生物學原理和過程，考查學生對微生物培養(yǎng)的生長條件、代謝特征等的理解與運用。試題要求學生具備對流程圖等模型的解讀能力，并結(jié)合所學知識揭示我國勞動人民的傳統(tǒng)智慧。

(四)考查批判性思維

【例4】(2021年，全國乙卷，第29題節(jié)選)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。這類植物晚上氣孔打開吸收CO2,吸收的CO2通過生成蘋果酸儲存在液泡中；白天氣孔關(guān)閉，液泡中儲存的蘋果酸脫羧釋放的CO2可用于光合作用?；卮鹣铝袉栴}：

(3)若以pH作為檢測指標，請設(shè)計實驗來驗證植物甲在干旱環(huán)境中存在這種特殊的CO2固定方式。(簡要寫出實驗思路和預(yù)期結(jié)果)

批判性思維要求學生基于生物學原理和限定條件，運用正確的生物學方法，對生物學問題或觀點提出質(zhì)疑、評價和矯正，不盲從權(quán)威，不偏聽偏信。例4以植物甲特殊的CO2固定方式為命題素材，要求學生運用實驗探究的方法進行實驗驗證，在考查學生實驗探究能力的同時，還考查了學生能否對一個觀點基于限定條件，運用科學的方法進行論證的批判性思維能力。

(五)考查創(chuàng)造性思維

【例5】(2021年，全國乙卷，第30題節(jié)選)在自然界中，競爭是一個非常普遍的現(xiàn)象?；卮鹣铝袉栴}：

(3)根據(jù)上述實驗和研究，關(guān)于生物種間競爭的結(jié)果可得出的結(jié)論是________。

例5創(chuàng)設(shè)種間競爭現(xiàn)象分析和預(yù)測的問題情境，考查學生獲取題干信息并解決問題的能力。試題的素材是學生相對陌生的，結(jié)論也是高中生物學教材中缺乏直接答案的，學生需要具有創(chuàng)新意識才能大膽地基于現(xiàn)有情境做出合理的推理，創(chuàng)造出新觀點，試題的設(shè)置符合高考選拔功能的要求，有助于選拔具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的學生。

三、學生科學思維的培養(yǎng)策略

科學思維作為生物學學科核心素養(yǎng)的重要組成部分，在高考試題中占據(jù)著重要的作用。教師需要加強對高考試題的分析，明確科學思維的考查要求、呈現(xiàn)形式和答題方向。新課授課時要著重培養(yǎng)包括科學思維在內(nèi)的學科核心素養(yǎng)，在備考時要重視引導學生加強科學思維的訓練。下面以“細胞失水與吸水”為例談?wù)勗趶?fù)習過程中對學生科學思維的培養(yǎng)。

(一)考點分析

細胞失水與吸水是物質(zhì)跨膜運輸?shù)闹匾M成部分，主要內(nèi)容包括：①由滲透裝置總結(jié)滲透作用的原理和條件；②動物細胞失水與吸水的實驗；③觀察植物細胞的質(zhì)壁分離與復(fù)原現(xiàn)象。該考點在2020年全國卷Ⅱ第6題、2017年全國卷Ⅱ第4題中進行了考查，題目均設(shè)置了真實的實驗情境，輔以曲線圖的形式呈現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)，重點考查學生的歸納與概括、演繹與推理、模型與建模等科學思維。

在該考點的復(fù)習中，可以通過設(shè)計培養(yǎng)學生的歸納與概括能力、演繹與推理能力、模型與建模能力和批判性思維。

(二)課堂實施

1.問題串回歸教材

課堂開篇，問題串提綱指導學生閱讀和回歸教材內(nèi)容，由學生自行構(gòu)建完整的知識網(wǎng)絡(luò)體系：

(1)請畫出滲透裝置示意圖，標出水分子的流動方向。

(2)根據(jù)滲透裝置示意圖，總結(jié)發(fā)生滲透作用的條件。

(3)為什么動物細胞可以發(fā)生滲透作用？根據(jù)滲透作用的條件分析哺乳動物成熟的紅細胞在不同條件下水分子的流動方向。

(4)為什么植物細胞可以發(fā)生滲透作用和質(zhì)壁分離與復(fù)原？

上述問題串的設(shè)計，幫助學生對教材內(nèi)容有更完整的認識，問題(1)有利于學生建構(gòu)滲透裝置模型，理解滲透作用的條件，并以此為基礎(chǔ)推廣到動物細胞和植物細胞發(fā)生滲透作用的過程當中。在學生自行總結(jié)的過程中，培養(yǎng)了學生模型與建模的能力和歸納與概括的能力。

2.滲透原理的應(yīng)用探究

在學生建構(gòu)完整的知識網(wǎng)絡(luò)后，設(shè)置真實的實驗情境引導學生使用所學知識解決問題：

【例6】某同學欲探究蘿卜細胞的細胞液濃度大小，請利用滲透作用的原理，協(xié)助他利用以下材料設(shè)計一個實驗：長度和寬度相同的蘿卜細條、不同濃度的蔗糖溶液。

在學生完成探究實驗設(shè)計后，向?qū)W生提供已有的實驗數(shù)據(jù)：

請據(jù)圖2分析，該蘿卜細胞的細胞液濃度相當于實驗中________mol·L-1之間的蔗糖溶液濃度。

圖2

為了降低探究難度，在問題設(shè)置時給予學生適當?shù)奶崾?，如“滲透作用的原理”“蘿卜細條”，引導學生運用演繹與推理的思維思考在不同濃度的蔗糖溶液下，蘿卜細胞可能發(fā)生的變化，進而使學生理解外界溶液濃度與細胞液濃度的關(guān)系。探究實驗的設(shè)計，培養(yǎng)了學生運用所學知識創(chuàng)新性地解決實際問題的能力。展示真實的實驗數(shù)據(jù)后，進一步引導學生收集和分析圖表信息，學生的模型與建模能力也得到了培養(yǎng)。