考查高階思維的高中生物學試題分析

上海 宋潔蓮

新課標、新教材背景下的高考，不僅考查學生對學科核心知識的理解與掌握情況、關鍵能力的形成情況，同時還考查學生學科核心素養的發展水平。其中，對科學思維這一學科核心素養的考查是生物學高考試題的“基本骨架”，而高階思維能力考查試題是評價學生科學思維核心素養發展水平的重要指標，在每年的高考題中都有一定比例考查高階思維的試題。

一、高階思維的內涵

著名教育家和心理學家布盧姆從認知目標分類角度，將思維過程具體分為記憶、理解、應用、分析、評價、創造六個認知層次，其中記憶、理解、應用為低階思維，而分析、評價和創造為高階思維。我國的鐘志賢教授在《促進學習者高階思維發展的教學設計假設》中提出：高階思維是較高認知層次上的心智活動或較高層次認知能力，主要由問題解決、決策制定、批判性思維、創造性思維能力構成，因此高階思維能力包括決策力、批判性思維能力、創新能力等。國際上如PISA測試、TIMSS測試等大規模教育質量評價項目都非常注重對學生高階思維能力的評價。生物學是自然科學中的基礎學科之一，生物學試題中測量學生的高階思維表現情況時，應主要測量學生在真實、復雜情境中的分析、推理、判斷、評價、創造等高階認知行為的表現情況。

二、基于高階思維考查的生物學試題分析

1.考查推理能力的試題

此類試題的特點是情境真實且復雜，是學生所不熟悉的，學生在解答時不能簡單的通過理解、記憶等低階思維進行答題，必須通過對真實情境中信息的獲取、提煉、分析等高階思維活動才能解決問題。

【例1】遺傳性腦動脈病伴皮下梗死和腦白質病(簡稱乙型H病)是一種神經系統遺傳病，一般在35歲左右開始發病，病情隨年齡增長逐漸加重。乙家族的11號和13號個體患乙型H病，系譜圖如圖1所示(相關基因用B/b表示)。

圖1

乙家族的16號和17號個體正在備孕，因雙方父母中均有乙型H病患者，夫婦二人到醫院做遺傳咨詢。醫生為乙家族的部分個體做基因檢測，用限制酶處理乙型H病相關基因片段后得到了表1所示的結果(“√”表示有該長度的DNA片段)。

表1

根據圖1和表1中的信息，判斷16號和17號所生孩子長大后不患乙型H病的概率是多少，并說明理由。

【答案】16號和17號所生孩子長大后不患乙型H病的概率是1/4。理由是從乙家族的系譜圖可知11號和13號患乙型H病，12號和14號不患該病；從基因檢測結果可知，酶切片段長度為80和160的堿基對與乙型H病致病基因有關，酶切片段長度為240的堿基對對應的是正常基因，得出11號為雜合子，13號為純合子，由于11號和13號均患該病，可推知該病為顯性遺傳病。若為伴X染色體顯性遺傳病，父親患病，則女兒一定患病，由15號未患病可知，該病為常染色體顯性遺傳病。從而得出16號和17號基因型均為Bb，由于不患乙型H病的基因型為bb，故16號和17號所生孩子長大后不患乙型H病的概率為1/4。

【解析】此題在解答的過程中，不能運用遺傳病類型判斷口訣進行判斷，也不能通過簡單的推理等思維活動進行解答，需要學生選擇性地甄別真實情境中的信息，提煉出“一般在35歲左右開始發病，病情隨年齡增長逐漸加重”，且對表中11號、12號、13號、14號的酶切片段長度等信息進行綜合分析，推理出與乙型H病致病基因有關酶切片段長度和正常基因的酶切長度。根據酶切長度和表現型，推斷出乙型H病是常染色體顯性遺傳病。同時根據表中的酶切片段正確寫出16號和17號的基因型，計算16號和17號所生孩子長大后不患乙型H病的概率。

2.考查發散性思維能力和創造性思維能力的試題

此類試題在情境內容、題干給予的信息、解決的方法和試題的答案等方面都具有一定的開放性。一般答案不唯一，通常有多種解決方案。此類試題需要學生根據已學的生物學原理結合題干中的信息，運用發散性思維和創造性思維回答多種可能性的問題。

【例2】現有轉BT基因抗蟲棉品種甲和乙及非轉基因棉品種丙。在花蕾期對葉片中色素、凈光合速率日變化(圖2)、胞間CO2濃度日變化(圖3)進行了測量。結合圖2和圖3，推測圖中陰影所示區段影響轉基因抗蟲棉品種乙凈光合速率的因素可能有哪些？

圖2

圖3

【答案】光照強度下降，光合速率下降，引起凈光合速率下降；溫度下降，光合速率比呼吸速率下降得更快，引起凈光合速率下降；雖然胞間CO2濃度基本不變，但氣孔導度有可能下降，固定CO2酶的活性下降，造成暗反應速率下降，光合速率下降，引起凈光合速率下降等等。

【解析】例2的情境來自真實的科研成果，學生根據情境中的內容思考“在12:30—13:30期間，轉基因抗蟲棉乙胞間CO2濃度基本不變，凈光合速率下降”的原因。此題聚焦了影響光合作用的因素以及凈光合速率=光合速率-呼吸速率的關系。由于試題給出了部分信息，因此要求學生多角度、開放式地思考問題，采用發散性思維去回答多個可能性的問題，答案是多樣的、開放的，可以測評學生高階思維能力中的發散性思維能力和創造性思維能力。

3.考查批判性思維能力的試題

此類試題往往呈現某一生物學的觀點和結論，要求學生根據試題中提供的信息和已有的生物學知識，對某一問題或觀點進行分析、判斷，并做出正確的、客觀公正的判斷。

【例3】甲、乙兩位學生從溫暖的空調房來到寒冷的戶外，覺得非常寒冷。其中甲同學認為從溫暖的空調房來到寒冷的戶外，機體產熱增加；乙同學認為在寒冷環境中機體通過減少汗液分泌、收縮皮膚血管等機制減少散熱，為了確保體溫恒定，產熱必須等于散熱，因此產熱也將減少。兩人為此展開了辯論，你認為誰的主張正確？請指出錯誤的一方錯在何處，并說明理由。

【答案】甲同學的觀點正確。乙同學錯在認為在寒冷環境中機體產熱減少。當由溫暖環境來到寒冷環境時，由于機體與環境間的溫差加大，導致散熱增加，下丘腦-垂體-甲狀腺的分泌活動加強，增加產熱才能繼續維持體溫恒定(合理均可)。

【解析】例3需要學生根據已有的人體體溫維持相對穩定的機理解釋生活中的實際問題。人體體溫維持相對穩定的機理是產熱和散熱達到動態平衡。在寒冷環境下，人體通過骨骼肌戰栗、甲狀腺激素和腎上腺素分泌增加來增加產熱；通過立毛肌收縮、皮膚血管收縮減少散熱，從而維持體溫相對穩定。在炎熱環境下，人體通過汗液分泌增加、皮膚血管舒張等增加散熱途徑而維持體溫相對穩定。根據人體體溫維持相對穩定的機理，可以推測寒冷情況下，機體與環境間的溫差加大，導致散熱增加，下丘腦-垂體-甲狀腺的分泌活動加強，產熱量也會增加，所以答案為甲同學的觀點正確，乙同學觀點錯誤。例3可以實現對學生高階思維中的批判性思維進行測評。

4.考查評價和設計科學實驗能力的試題

考查評價能力的試題一般要求學生根據真實的情境，對問題的觀點進行評價，根據學生的思路是否清晰、表達是否全面、表達的理由是否支持相應的觀點等對學生進行考查。考查設計能力的試題同時測評著學生的高階思維能力。

【例4】科研人員以甜瓜為對象，探究溫度和CO2濃度對甜瓜光合速率(光合作用合成有機物的速率減去呼吸作用消耗有機物的速率)的影響，結果如圖4。依據圖4中的研究結果，有人提出兩種可能的控制方案以提高甜瓜產量：方案一，CO2濃度設定為1.4～1.6 mL/L，溫度設定為30℃；方案二，CO2濃度設定大于1.6 mL/L，溫度設定為26℃。你認為這兩種方案各自的合理和局限之處是什么？

圖4

【答案】從圖4可以發現方案一甜瓜的光合速率最大，有利于提高甜瓜的產量。但只根據圖4難以判斷30℃是否是甜瓜生長的最適溫度，還需進一步進行實驗驗證；方案二溫度設定為26℃，為甜瓜生長的較適宜溫度，隨著CO2濃度增高，直到大于1.6 mL/L，有可能甜瓜的光合速率繼續增大，有利于提高甜瓜的產量。但只根據圖4難以判斷當CO2濃度設定大于1.6 mL/L時，甜瓜生長是否進一步增加，需進一步進行實驗驗證。此題無論學生答方案一還是方案二，只要支持觀點的理由闡釋正確，表達清晰、有邏輯，答案就是正確的。此題考查了學生分析數據、闡釋自己觀點的語言表達能力，同時測評了學生的高階思維能力。

【解析】例4要求學生根據已有的光合作用和呼吸作用的知識結合圖中提供的信息，寫出支持方案中各觀點的理由，以及在此基礎上方案中的局限之處。

【例5】“洛陽紅”牡丹，花大色艷，但花期較短。科研人員為了明確遮光對“洛陽紅”牡丹花期與花色的影響，進行了探究實驗。表2顯示了向葉片噴施蔗糖后“洛陽紅”牡丹還原糖和花苷素的含量。已知花苷素含量越高，“洛陽紅”牡丹花色越濃；遮光可使“洛陽紅”花期延長，在50%遮光條件下“洛陽紅”的花期更長。請你設計實驗探究在何種條件下可以保證“洛陽紅”自然花色不受影響且花期更長，并闡述實驗設計思路。

表2

【答案】在50%遮光左右設置不同的遮光比例梯度若干組，施加70%濃度的蔗糖溶液，其他條件保持一致,選取花期最長的遮光比例；在70%蔗糖溶液濃度左右設置不同的蔗糖濃度梯度若干組，施加50%遮光,其他條件保持一致，選取花期最長的蔗糖濃度，同時施加選取的遮光比例和蔗糖濃度驗證其是否最長，若低于單獨條件施加的花期長度則需要進一步選取不同的遮光比例與蔗糖濃度組合，重復實驗進行驗證。

【解析】例5的試題情境素材來自科學研究的文獻。在解答時，學生需要閱讀、提取題干中有利于解題的信息，進一步明確探究(探索)什么、研究的對象是什么、怎樣的步驟去展開等。此題需提取“花苷素含量越高，‘洛陽紅’牡丹花色越濃”以及“50%遮光條件下洛陽紅的花期更長”的有用信息，結合對表中數據的解讀，尋找解題的線索。解答時，首先要通過分析得到在50%遮光并向葉片噴施0.7 mol/L蔗糖溶液的情況下，花期更長、花色更濃的結論。然后根據獲得的結論，進一步探究在何種條件下保證洛陽紅自然花色不受影響下，花期更長的問題，最后闡述實驗設計思路。此題考查學生實驗方案的設計能力、表達能力、創造性能力等高階思維能力。