試論科學思維在高考生物學試題的滲透及培養策略

余中賓 黃文文 黃濤

摘要 以2021年全國I卷生物試題為例，分析科學思維在高考生物學試題中的滲透體現，并闡述科學思維在高中生物學教學中的培養策略。

關鍵詞 科學思維 高考生物試題 培養策略

中圖分類號 G633.91

文獻標志碼 B

科學思維是基于生物學事實和證據，運用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創造性思維等方法，對生命規律本質的判斷及其相互關系的解釋，以及對生命現象發展變化做出預測具有重要意義，是建構生物學概念、形成生命觀念的重要方式?？茖W思維所包含的批判質疑、勇于探究的科學精神，是學生適應終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力，是高考生物的重要考查方向。與識記基礎知識、并在特定情境中進行應用和判斷相比，科學思維在試題中考查更注重依據題設的生物學情境中事實、證據，進行演繹推理、歸納綜合，創造性、批判性地解決問題和驗證解答的過程，并最終得出結論。近幾年考查科學思維的試題的分布和分值都很平穩（表1），但是從答題和實際得分的反饋情況來看，學生作答普遍停留在強行的機械記憶層面，邏輯混亂，表述不清，往往答非所問，科學思維的滲透和運用亟待提升。

12021年全國I卷中考查科學思維生物試題的分析

2021年全國I卷生物試題對科學思維的考查與往年一致，有選擇題和非選擇題。選擇題強調了以題設信息為依據，對選項表述中推理的過程或結論進行判斷。

[例1]5.在格里菲思所做的肺炎雙球菌轉化實驗中，無毒性的R型活細菌與被加熱殺死的S型細菌混合后注射到小鼠體內，從小鼠體內分離出了有毒性的S型活細菌。某同學根據上述實驗，結合現有生物學知識所做的下列推測中，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

B.S型菌的DNA能夠進入R型菌細胞指導蛋白質的合成

C.加熱殺死S型菌使其蛋白質功能喪失而DNA功能可能不受影響

D.將S型菌的DNA經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：此題可從結構和功能適應觀角度審視，DNA是使細菌具有轉化功能和細菌形態特征的結構基礎。多糖莢膜是S型菌的結構，具有抵抗宿主吞噬細胞的的吞噬，有利于細菌的生存和繁殖的功能;DNA是遺傳物質，通過指導蛋白質的合成控制生命活動，使R型菌具有了S型菌的特征。這個過程屬于一般推理過程。依據蛋白質變性后不可恢復，DNA在高溫處理后能恢復活性的原理，蛋白質不受DNA酶影響，DNA被DNA酶處理后會失去活性，不再具有轉化的功能，體現了類比判斷思維。

[例2]6.某種二倍體植物的n個不同性狀由n對獨立遺傳的基因控制（雜合子表現顯性性狀）。已知植株A的n對基因均雜合。理論上，下列說法錯誤的是（）

A.植株A的測交子代會出現2n種不同表現型的個體

B.n越大，植株A測交子代中不同表現型個體數目彼此之間的差異越大

C.植株A測交子代中n對基因均雜合的個體數和純合子的個體數相等

D.n≥2時，植株A的測交子代中雜合子的個體數多于純合子的個體數

參考答案：B。

分析：本題是典型的依據構建數學模型進行分析和判斷的。利用乘法原理的數學模型解釋多對獨立遺傳的基因遺傳后代多樣性特點是重要的科學思維。在每一對基因完全顯性的前提下，具有獨立遺傳的多對基因的植株測交產生后代的種類及比例是由配子種類及比例決定的，且表現型和基因型是一一對應，測交子代種類情況見表2。

由表2可知，n越大，測交子代的表現型的種類越多。但是，每一種子代的所占概率彼此相同，其數量是由子代總數決定的。

另外，第32題的遺傳設計雜交實驗中，黃體雌果蠅（XaXa）的兩個親本都能產生Xa配子，從親代產生配子的種類及比例是解決遺傳子代種類及表現型問題的關鍵思維角度，是創新思維的體現。數學思維的乘法原理是解決多對獨立遺傳基因的個體雜交后代概率問題的有效方法，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}：

（1）略。

（2）氣孔白天關閉、晚上打開是這類植物適應干旱環境的一種方式，這種方式既能防止，又能保證正常進行。

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

參考答案：（2）水分過度散失光合作用（暗反應）（3）實驗思路：取若干生理狀態相同的植物甲，平均分為A、B兩組并于夜晚測定其細胞液pH。將A組置于干旱條件下培養，B組置于水分充足的條件下培養，其他條件保持相同且適宜。一段時間后，分別測定A、B兩組植物夜晚細胞液的pH并記錄。預期結果：A組pH小于B組，且B組pH實驗前后變化不大，說明植物甲在干旱環境中存在這種特殊的CO2固定方式。分析：第（2）問的答案可以通過氣孔具有在蒸騰作用中的散失水、光合作用過程中吸收CO2的生理作用進行歸納概括，屬于由此及彼的推理過程。第（3）問首先需要確定實驗自變量和因變量，挖掘出在題設條件下的CO2含量和溶液pH的對應關系，并以此預測可能的結果、得出結論。解決此類設計實驗思路試題是利用創新和批判性思維等關鍵科學思維能力的體現。

2在生物學教學中培養科學思維的教學策略

高考生物試題對科學思維能力的考查，一般體現在學生獲取生物學信息時分析和判斷的思維邏輯層次、解釋生物學現象及規律時使用科學方法進行邏輯推理的熟練程度，以及對解決題設問題時綜合探究能力強弱。教師可以從以下方面培養學生的科學思維核心素養。

2.1在生物科學史學習中樹立重視科學思維邏輯的觀念

生物學科學史是指科學家對生命現象的研究過程，及其研究過程中發現的生物學知識原理、規律和采用的科學方法等。生命現象和規律的研究需要清晰的邏輯思維過程和嚴謹的科學方法，才能進行有效質疑、論證、解釋、評價等。教師可利用科學史中前后事件延續的邏輯關系，用前一個科學史事件預測后一個科學史事件，或者由后一個科學史事件印證前一個科學史事件，為學生提供了運用科學思維的典范，是學生構建生物學概念、深刻領悟科學方法和樹立科學思維觀念的絕佳教學載體。例如，對生物膜的成分和結構的探究歷程中，歐文頓利用500多種化學物質進行上萬次的通透性實驗后，綜合歸納推斷出細胞膜的主要成分是脂質;后續科學家預測出細胞膜是兩層結構、推測出細胞膜含有蛋白質的依據是什么？羅伯特森使用電子顯微鏡的觀察細胞膜，提出的暗-亮-暗的三層靜態模型的假說為什么被質疑？科學家們又如何創造性地進行實驗證明細胞膜具有流動性，并綜合概括出流動鑲嵌模型的？這些問題的解決往往前后科學史事件相互印證，嚴謹的邏輯思維過程在盤旋上升的科學發展中起到了重要作用。

2.2在科學實驗中培養有效的科學思維的能力

培養有效的科學思維，首先要使學生學會觀察與思考。很多生物學概念和結論都是建立在實驗研究的基礎之上。若脫離了科學思維，實驗現象的觀察是機械的，探究過程的分析和邏輯是混亂的，會導致實驗設計題失分嚴重。教師結合科學思維訓練引導學生實驗探究，通過實驗來發現和驗證生命規律的特點，有利于培養學生科學思維的推理演繹、批判性評價和創新性能力。例如，燕麥胚芽鞘的向光彎曲生長是由于生長素在背光側的濃度大于向光側導致的。教師要鼓勵學生進行批判性思維：是不是生長素濃度越大，生長速度越快？引導學生從穩態平衡觀和適應觀角度做出預測，并設計實驗驗證自己的想法。學生會主動確定實驗探究的濃度梯度自變量和植物生長程度的因變量，并調整探索最適深度的范疇，從而深刻理解生長素的生理作用特點。

2.3在科學方法中理解科學思維的本質

2019年人教版高中生物學新教材增加了“科學方法”專欄，說明高中教學對科學方法的重視?？茖W方法需要科學思維支持，不少學生忽視科學方法的理解和感悟，不理解科學思維運用的本質，從而困惑于生物試題中運用科學思維的角度，往往出現了平時訓練“看參考答案能夠了解題設問題，不看答案的解題卻答非所問，同一道試題過幾天再做還是不會”的現象。例如，乘法原理在理論上很好地用每一對性狀的3∶1分離比，推理出兩對性狀的豌豆雜交實驗的9∶3∶3∶1自由組合現象。兩對性狀的自由組合現象的實質是控制兩對性狀的兩對基因位于非同源染色體上，并通過測交進行演繹推理和驗證。但是，測交后代的表現型及比例是由待測個體產生四種數量相同的配子比例決定的。一旦出現測交或者自交的異常結果，乘法原理的解釋就可能行不通，需要調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。不少學生由于缺乏理解科學思維的實質，而對此類遺傳試題束手無策。再如，減法原理的實質就是艾弗里將S型細菌的各種物質分開，看是否單獨起到轉化的作用，如果拋開減法原理的本質，就不會理解轉化實驗采用的科學方法。

2.4在綜合表達訓練中養成運用科學思維作答的習慣

高考試題的問題設計由淺入深、由易及難、由表及里的過程是離不開科學思維作支撐。非選擇題中淺顯容易的問題主要考查基本概念、過程和規律的理解和掌握，后續深層次、較難回答的問題需要邏輯推理、獲取信息、綜合分析與明確表達，滲透了對科學思維能力的考查?？茖W思維支撐著學生專業語言表達與文字書寫邏輯性。作答的思維混亂、表述不清，與學生平時不注重善用科學思維的推理、不會用專業語言回答“原因是”“依據是”“可以得出的結論是”或“寫出實驗思路和預期結果”試題有關。前兩者考查科學思維的演繹推理能力;后兩者主要考查歸納和概括與創新性思維能力，如2021年高考全國I卷29題（3）、30題（3）和32題?？梢灶A見這類試題在高考生物中還會加強。平時訓練時，教師要遵循科學思維規律，如“根據現象提出問題—作出解釋—類比推理—實驗驗證”。教師要引導學生在審題時抓住關鍵信息，分析其邏輯因果關系，用準確的專業術語答題等，在長期的訓練中形成一定的作答的思維習慣，如“實驗思路和預期結果”類試題的構建（圖1）。

3對生物學高考考查科學思維的反思

生物學高考對科學思維的考查，是達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行梯度設置，更好地實現試題的區分目標”的有效考查方式，有利于區分學生的綜合能力水平，是檢驗對生物學學科核心素養培育目標是否達成的有效途徑之一?？茖W思維培養對教師提出更高的要求，需要教師認真研究高考生物學試題中科學思維滲透的特點和命題趨勢，并以此為根據廣泛涉獵豐富的蘊含科學思維的生物學材料，結合新課程標準、新教材進行有效篩選、精心設置題設問題。

總之，高考生物對科學思維的能力和方法考查是高考生物學試題發展的必然趨勢。生物學高考注重領悟與體驗，結合實驗探究，強調對學生的科學思維培養，符合生物學科素養培育的要求。學生的生物學習能力的提高并不是僅靠已有知識的拼湊，而是依靠發展良好的科學思維，滿足終生發展的需求。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：4-5.

[2]王國慶，楊茂林.對高中生物學材料中生物科學史的價值取向分析.生物學教學[J].2016，（9）：4-6.

[3]周裕志，曹惠敏.生物學教學中創造性思維能力的培養.生物學教學[J].2020，（10）：22-24.

[4]教育部考試中心.彰顯學科特質發揮育人功能——2019年高考生物試題評析.中國考試[J].2019，（7）：25-28.

[5]余中賓，申定健.高考全國卷生物學實驗內容考查分析及教學建議.中學生物學[J].2020，（2）：113-116.

[6]謝亦馳.在生物教學中加強培養學生的科學思維.中學生物學[J].2018，（2）：67-68.