探索基于HPS教育的高中生物學(xué)試題命制

廣西 王上銳

(作者單位：廣西柳州高級(jí)中學(xué))

HPS(History Philosophy and Sociology of Science)教育把科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)、科學(xué)社會(huì)學(xué)內(nèi)容納入科學(xué)課程,目的是讓學(xué)生理解科學(xué)的本質(zhì)，即明晰科學(xué)研究過程、領(lǐng)悟科學(xué)研究思維、掌握解決問題方法、學(xué)習(xí)科學(xué)家精神。目前，已有越來越多的高中生物學(xué)教師關(guān)注HPS教育，并將其融入自己的課堂教學(xué)中，但考卷中甚少出現(xiàn)與此相關(guān)的試題。然而，筆者認(rèn)為“學(xué)”與“考”不應(yīng)成為兩張皮，而應(yīng)相互裨益。“學(xué)”是“考”的基石，“考”既是“學(xué)”的延伸，又是“學(xué)”的反哺者，故具有引導(dǎo)性和評(píng)價(jià)性的“考”尤為重要。因此，筆者對(duì)近幾年全國(guó)卷理綜生物學(xué)試題中有關(guān)HPS的試題進(jìn)行分析，并舉例符合HPS教育的試題，提出有關(guān)命題建議。

一、科學(xué)史加深師生對(duì)生物科學(xué)發(fā)展的理解

生物科學(xué)史為人們展現(xiàn)了一幅動(dòng)靜有致的生物科學(xué)畫卷，每一個(gè)科學(xué)成果或研究的發(fā)現(xiàn)都包含著深邃的科學(xué)研究思想、獨(dú)特而美妙的技巧方法、鍥而不舍的科學(xué)家精神。生物科學(xué)史實(shí)中，既有做出關(guān)鍵或突出貢獻(xiàn)的科學(xué)家及其研究事跡，又有概念、定律、原理等基本學(xué)科知識(shí)產(chǎn)生及發(fā)展的歷程。

1.高考例題

(2019年，全國(guó)卷Ⅰ，第2題)用體外實(shí)驗(yàn)的方法可合成多肽鏈。已知苯丙氨酸的密碼子是UUU，若要在體外合成同位素標(biāo)記的多肽鏈，所需的材料組合是 ( )

①同位素標(biāo)記的tRNA

②蛋白質(zhì)合成所需的酶

③同位素標(biāo)記的苯丙氨酸

④人工合成的多聚尿嘧啶核苷酸

⑤除去了DNA和mRNA的細(xì)胞裂解液

A.①②④ B.②③④ C.③④⑤ D.①③⑤

【答案】C

【分析】本題源自尼倫伯格首次證明遺傳密碼的實(shí)驗(yàn)，考查翻譯過程所需的條件、模板、原料。

2.試題示例

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的建立解決了“基因是什么”的問題，同時(shí)又產(chǎn)生了新的研究熱點(diǎn)“基因是如何起作用的”。在二十世紀(jì)中葉，許多科學(xué)家都做出了極其重要的貢獻(xiàn)。請(qǐng)回答以下問題。

(1)基因主要存在于細(xì)胞的________，而合成蛋白質(zhì)的場(chǎng)所位于________。

(2)克里克認(rèn)為DNA和蛋白質(zhì)之間必然還有一種中間物質(zhì)充當(dāng)信使。科學(xué)家推測(cè)，RNA就是信使，理由是________。

(3)克里克首先預(yù)見了遺傳信息傳遞的規(guī)律，即中心法則。請(qǐng)用文字和箭頭表示出中心法則：__________。

(4)細(xì)胞內(nèi)有較多種類的RNA。因此，對(duì)于“信使”，主要存在兩種假說。假說一：核糖體RNA(rRNA)就是“信使”；假說二：另有一種新合成的RNA是“信使”(稱為mRNA)。

①若假說一正確，則細(xì)胞內(nèi)的核糖體種類應(yīng)成千上萬，原因是________；

②若假說二正確，則新合成的信使RNA(mRNA)應(yīng)與核糖體結(jié)合，原因是________。

科學(xué)家Monod和Jacob于1960年發(fā)現(xiàn)了mRNA，而Brenner和Gross于1961年觀察到了mRNA與核糖體結(jié)合，最終證實(shí)了假說二。

(5)信使RNA上相鄰的3個(gè)堿基組成1個(gè)密碼子，并決定1種氨基酸。然而，還需要明確密碼子與氨基酸的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。年輕的科學(xué)家尼倫伯格和馬龍找到了一種高效破譯方法，其實(shí)驗(yàn)過程如下：

a.體外合成全部64種三核苷酸分子(最短mRNA分子)；

b.取20支試管，每支試管中都加入20種氨基酸混合液(其中1種用14C標(biāo)記，其余19種未標(biāo)記)，并做好記號(hào)；

c.在混合液中添加tRNA分子，并使各種氨基酸分別與各自的tRNA分子結(jié)合，如tRNA甘氨酸；

d.取某一種三核苷酸分子(如CGU)和核糖體混合，再向其中分別加入上述氨基酸混合溶液；

e.一段時(shí)間后，硝酸纖維膜分別過濾上述反應(yīng)溶液，記錄結(jié)果并分析。

(提示：硝酸纖維膜具有一定大小的孔徑，僅核糖體-mRNA-tRNA氨基酸復(fù)合體不能濾過)

①有些硝酸纖維膜上沒有核糖體-mRNA-tRNA氨基酸復(fù)合體，原因是________。

②不同硝酸纖維膜上留有同一種核糖體-mRNA-tRNA氨基酸復(fù)合體，原因是________。

【答案】(1)細(xì)胞核 核糖體

(2)RNA由4種核糖核苷酸連接而成，可以儲(chǔ)存遺傳信息；RNA一般是單鏈，而且比DNA短，可以通過核孔

(4)①細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)種類很多，對(duì)應(yīng)著的信使也應(yīng)該有很多種 ②蛋白質(zhì)合成的場(chǎng)所位于核糖體，信使必須與核糖體結(jié)合，才能指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成

(5)①有些密碼子是終止密碼子，不能決定任何一種氨基酸 ②不同的密碼子可能決定同一種氨基酸

【分析】本題以人教版必修2《遺傳與進(jìn)化》第4章“基因的表達(dá)”為情境切入，以mRNA的發(fā)現(xiàn)及遺傳密碼的破譯過程為載體，依科學(xué)發(fā)展史(既有時(shí)間軸，又有發(fā)展軸)而設(shè)計(jì)問題。設(shè)問由淺入深，逐次解決科學(xué)發(fā)展史中的問題。其中，最難的問題是關(guān)于“信使”兩種假說的證明過程，但是本題通過考查推理過程而化解。本題提供了尼倫伯格和馬龍的實(shí)驗(yàn)過程，重在考查實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析而非實(shí)驗(yàn)過程。整道試題，既補(bǔ)充了教材中簡(jiǎn)化了的內(nèi)容，又使研究過程立體化，并讓學(xué)生構(gòu)建出清晰而具邏輯性的知識(shí)結(jié)構(gòu)。更重要的是，本題設(shè)問和作答都緊扣題目信息，且貼近高中生物學(xué)教材。

3.命題建議

包含科學(xué)史的試題不能只考查人物、事件、時(shí)間或研究結(jié)果和結(jié)論，而應(yīng)深挖生物科學(xué)發(fā)展史中科學(xué)家遇到的問題、解決問題的方法和技巧、科學(xué)研究的思想和思維、對(duì)結(jié)果或數(shù)據(jù)的分析與質(zhì)疑等。因此，筆者認(rèn)為命制包含科學(xué)史的試題應(yīng)該考慮如下幾點(diǎn)：(1)科學(xué)史試題有助于學(xué)生構(gòu)建出完整的學(xué)科知識(shí)體系；(2)側(cè)重考查科學(xué)研究過程中的方法、技術(shù)、實(shí)驗(yàn)原理等；(3)情境材料可以源自科學(xué)家的研究論文，但是必須適當(dāng)簡(jiǎn)化，以達(dá)到高中生認(rèn)知水平；(4)適當(dāng)增加以我國(guó)科學(xué)家研究工作及成果為載體的試題，以增強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感。

二、科學(xué)哲學(xué)有助于師生對(duì)生物科學(xué)本質(zhì)的理解

科學(xué)哲學(xué)指的是“科學(xué)的哲學(xué)理論”，其主要研究科學(xué)方法論、科學(xué)認(rèn)識(shí)論、科學(xué)的邏輯結(jié)構(gòu)等。其本質(zhì)上就是強(qiáng)調(diào)邏輯實(shí)證主義。邏輯實(shí)證主義是用數(shù)理邏輯的方法對(duì)科學(xué)理論的結(jié)構(gòu)做靜態(tài)的邏輯分析，并致力于邏輯重建。現(xiàn)在所說的科學(xué)，成型于16世紀(jì)，從根本上講是邏輯實(shí)證主義發(fā)展、完善的結(jié)果。邏輯實(shí)證主義發(fā)展、完善的關(guān)鍵是1644年笛卡爾明確提出了“假說-演繹法”，這是近代科學(xué)發(fā)展史上的一座豐碑。確切地說，生物科學(xué)發(fā)展至今，所取得的重大成就，本質(zhì)上就是“假說-演繹推理-實(shí)證”的科學(xué)實(shí)驗(yàn)歷史。因此，科學(xué)哲學(xué)對(duì)學(xué)生的影響深遠(yuǎn)且巨大，如形成正確的科學(xué)研究思想體系、積極尋找解決問題路徑的決心、實(shí)事求是的價(jià)值觀。

1.高考例題

(2019年，全國(guó)卷Ⅲ，第29題節(jié)選)氮元素是植物生長(zhǎng)的必需元素，合理施用氮肥可提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。回答下列問題。

2.試題示例

果蠅的雌雄性別分化依賴于X染色體的數(shù)目，與Y染色體無直接關(guān)系(性染色體組成為XXX或僅含Y的胚胎死亡)。通常白眼雌果蠅(XaXa)和紅眼雄果蠅(XAY)交配，后代雄果蠅都是白眼的，雌果蠅都是紅眼的。摩爾根的合作者布里吉斯(Bridges)在某次實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)白眼雌果蠅和紅眼雄果蠅雜交產(chǎn)生的子一代中出現(xiàn)了一只白眼雌果蠅。其通過大量的觀察發(fā)現(xiàn)，在上述雜交中，2 000～3 000只紅眼雌果蠅中會(huì)出現(xiàn)一只白眼雌果蠅。請(qǐng)回答下列有關(guān)問題。

(1)布里吉斯根據(jù)觀察到的現(xiàn)象，提出了兩種假說進(jìn)行解釋。請(qǐng)你利用所學(xué)知識(shí)完整闡述。

①基因突變假說：____________。

②染色體數(shù)目變異假說：____________。

(2)由于基因突變自然發(fā)生的頻率非常低，因此布里吉斯傾向于第二種假說。若染色體數(shù)目變異假說正確，則子一代雄果蠅群體中必然會(huì)出現(xiàn)________個(gè)體。

(3)請(qǐng)用遺傳圖解的形式闡述第二種假說的親子代遺傳過程。(提示：必須寫出配子的基因型)

(4)布里吉斯為了驗(yàn)證上述假說，他對(duì)子一代白眼雌果蠅的唾液腺細(xì)胞進(jìn)行顯微鏡觀察。如果該細(xì)胞內(nèi)性染色體數(shù)目為________條，則說明第二種假說正確；如果該細(xì)胞內(nèi)性染色體數(shù)目為________條，則說明第二種假說可能有誤。

【答案】(1)紅眼雄果蠅XAY在減數(shù)分裂的過程中發(fā)生了基因突變產(chǎn)生了含Xa的精子，與白眼雌果蠅XaXa產(chǎn)生的含Xa的卵細(xì)胞結(jié)合，形成子代白眼雌果蠅 白眼雌果蠅的卵原細(xì)胞在減數(shù)分裂過程中兩條Xa未分離，產(chǎn)生含XaXa的卵細(xì)胞，與紅眼雄果蠅XAY產(chǎn)生的含Y的精子結(jié)合，形成子代為XaXaY的白眼雌果蠅

(2)紅眼雄果蠅

(4)3 2

【分析】本題材料源自人教版必修2《遺傳與進(jìn)化》第2章“基因和染色體的關(guān)系”第3節(jié)“伴性遺傳”課后拓展題，讓學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和疑問提出假說。假說不是疑問，不是問號(hào)，而是根據(jù)已知的科學(xué)事實(shí)和科學(xué)原理，對(duì)所研究的自然現(xiàn)象及其規(guī)律提出的推測(cè)和說明。簡(jiǎn)單地說，就是基于自我認(rèn)知水平而提出一個(gè)暫時(shí)的但是可以被接受的解釋。學(xué)生可以參照孟德爾的假說來回答第(1)小題，但數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)重點(diǎn)高中學(xué)生本小題平均分為2分，說明此題難度確實(shí)較大，也說明教師在講解孟德爾分離定律和自由組合定律時(shí)，沒有讓學(xué)生真正理解什么是“假說-演繹法”。最終，布里吉斯的假說是通過顯微鏡觀察和計(jì)數(shù)染色體而得到證實(shí)的。

3.命題建議

目前的高考理綜生物學(xué)全國(guó)卷很少有考查到典型“假說-演繹法”的試題，尤其是對(duì)“假說”的考查。只有實(shí)驗(yàn)探究試題中隱含有實(shí)驗(yàn)實(shí)證的思想，但是不能完全呈現(xiàn)“假說-演繹法”的思想精髓。“假說-演繹法”的精髓在于在觀察和分析的基礎(chǔ)上提出問題并產(chǎn)生一個(gè)假說，這個(gè)假說的合理性有多大，即歸納所得結(jié)論的可靠性有多大，需要通過一個(gè)未來事件的預(yù)測(cè)以及實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)該預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。因此，命制包含科學(xué)史的試題應(yīng)該考慮如下幾點(diǎn)：(1)在遺傳或?qū)嶒?yàn)探究試題中考查；(2)以實(shí)驗(yàn)過程中偶然發(fā)生的結(jié)果(或生活中的現(xiàn)象)作為試題情境介入；(3)側(cè)重考查提出假說的能力；(4)考查實(shí)證能力(實(shí)驗(yàn)方法、技術(shù)、結(jié)果或數(shù)據(jù)分析)；(5)必須保證有基礎(chǔ)得分點(diǎn)。

三、科學(xué)社會(huì)學(xué)利于學(xué)生的學(xué)以致用

科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，歸根結(jié)底是讓人更好地生活和發(fā)展，因此，可以說人的功利性是科學(xué)與技術(shù)形成及不斷進(jìn)步的源泉。當(dāng)前舉世矚目的全球性問題如人口、食物、環(huán)境、衛(wèi)生、健康、能源等，都依賴于生物科學(xué)的發(fā)展以及生物技術(shù)的進(jìn)步。科學(xué)社會(huì)學(xué)使科學(xué)不局限于象牙塔內(nèi)，而是走向普羅大眾，走向蕓蕓眾生。科學(xué)社會(huì)學(xué)使學(xué)生覺得所學(xué)有所用，這也是培養(yǎng)學(xué)生社會(huì)責(zé)任學(xué)科核心素養(yǎng)的坦途。

1.高考例題

(2018年，全國(guó)卷Ⅲ，第32題節(jié)選)如圖是某農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)模式圖。

據(jù)圖回答下列問題：

(2)根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)中分解者的作用，若要采用生物方法處理生活垃圾，在確定處理生活垃圾的方案時(shí)，通常需要考慮的因素可概括為3個(gè)方面，即________。

【答案】(2)待分解垃圾的性質(zhì)，引進(jìn)的分解者生物的種類，處理環(huán)境的理化條件

【分析】隨著我國(guó)社會(huì)的發(fā)展，生產(chǎn)生活產(chǎn)生的垃圾量也日趨增加。為了最大限度地實(shí)現(xiàn)垃圾資源利用、減少垃圾處置量、改善生存環(huán)境質(zhì)量、降低垃圾對(duì)于地下水的污染，垃圾分類政策應(yīng)運(yùn)而生。在各類垃圾中，與人們密切相關(guān)的是生活垃圾。學(xué)生必須要聯(lián)系人們平時(shí)生活中的生活垃圾有哪些，再聯(lián)系題目信息“采用生物方法處理”，然后形成正確的解決問題邏輯鏈：不同種類的垃圾→對(duì)應(yīng)不同種類的分解者生物→給予最適宜的理化條件，最后才能正確作答。

2.試題示例

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，蟲害對(duì)作物的減產(chǎn)影響非常巨大。因此，我國(guó)勞動(dòng)人民發(fā)明了各種各樣的防治蟲害方法。如唐朝開皇四年姚崇提出：“蝗既解飛，夜必赴火，夜中設(shè)火，火邊撅坑，且焚且瘞，除之可盡。”與現(xiàn)代人們利用黑光燈誘捕害蟲的方法如出一轍。請(qǐng)回答下列有關(guān)問題：

(1)“蝗既解飛，夜必赴火”說明蝗蟲利用的信息種類是________，該種類信息可以來源于________和________。

(2)種群密度是指________,因此利用黑光燈誘捕害蟲的方法進(jìn)行種群密度調(diào)查，可以得到其種群密度的________(填“估算值”或“實(shí)際值”)。

(3)首選黑光燈進(jìn)行種群密度調(diào)查的害蟲，一般具有哪些特征________(至少答出三點(diǎn))。

(4)利用黑光燈對(duì)害蟲進(jìn)行種群密度調(diào)查，所得到的數(shù)值與真實(shí)情況偏差較大，可能的原因有________(答出兩點(diǎn))。

【答案】(1)物理信息 無機(jī)環(huán)境 生物

(2)單位面積或單位體積中的個(gè)體數(shù) 估算值

(3)趨光性、難以標(biāo)記、個(gè)體小、活動(dòng)能力強(qiáng)

(4)調(diào)查空間沒有封閉，有較多的個(gè)體遷入或遷出；不同氣候條件下，捕獲量偏差較大

【分析】本題以唐朝姚崇的滅蝗策為切入點(diǎn)，主要以必修3《穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》第4章“種群和群落”第1節(jié)“種群的特征”中種群密度調(diào)查方法為考查載體，考查黑光燈的使用。第(3)小題的設(shè)問很巧妙，首選黑光燈，說明不適宜采用樣方法或標(biāo)記重捕法。學(xué)生全面分析：不宜采用樣方法，說明個(gè)體活動(dòng)能力較強(qiáng)；不宜采用標(biāo)記重捕法，說明個(gè)體難以標(biāo)記或個(gè)體小；題干又提供了信息“夜必赴火”，因此，正確答案是“趨光性、難以標(biāo)記、個(gè)體小、活動(dòng)能力強(qiáng)”。第(4)小題，學(xué)生如果仔細(xì)觀察校園中的黑光燈通常掛在空曠的地方，則能聯(lián)想到上述答案。總而言之，本題材料貼近生活，目的是促使學(xué)生留意身邊事物和熱愛生活。

3.命題建議

關(guān)于科學(xué)社會(huì)學(xué)的試題，高考中多有涉及。但是，筆者認(rèn)為此類試題的設(shè)計(jì)，應(yīng)盡可能從小的點(diǎn)切入，層層撥開，最后必然要回到實(shí)際生產(chǎn)生活問題的解決層面。因此，命制包含科學(xué)社會(huì)學(xué)的試題，應(yīng)考慮如下幾點(diǎn)：(1)以學(xué)生熟識(shí)的人、事、物為試題情境；(2)情境材料的選擇，應(yīng)堅(jiān)持公平性原則；(3)需涉及解決實(shí)際困難方法或技巧的考查；(4)需引導(dǎo)學(xué)生熱愛生命、熱愛生活。

總而言之，未來可能會(huì)越來越多地出現(xiàn)聚焦HPS教育的高考試題，高中生物學(xué)教師們應(yīng)該不斷錘煉自己的命題本領(lǐng)，以提高學(xué)生的學(xué)業(yè)水平。