高中生物學教學中科學探究和科學思維的融合探索

摘 要：科學探究和科學思維素養是高校選才的重要依據，高考常通過創設特定的實驗探究情境對二者進行融合考查。2023年廣東省普通高中學業水平選擇性考試生物學試卷（以下簡稱“2023廣東生物選考”），以其創新獨特的情境設計脫穎而出，問題設置既靈活又富有啟發性，深刻展現了對學生科學探究能力和科學思維品質的多元化、深層次考查。文章旨在通過探索高考生物學試題對科學探究和科學思維素養融合考查的命題特點，促進教學考有機銜接。

關鍵詞：科學探究；科學思維；創新；能力

中圖分類號：G633.91"" 文獻標識碼：A"" 文章編號：1673-8918（2024）51-0127-03

科學探究是指能夠發現現實世界中的生物學問題，針對特定的生物學現象，進行觀察、提問、實驗設計、方案實施以及對結果進行交流與討論的能力。科學思維是指尊重事實和證據，崇尚嚴謹和務實的求知態度，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。兩者在生物學學科中相輔相成，科學思維指導探究，而探究則驗證并體現科學思維。在高考這一關鍵的人才選拔環節中，對兩者融合考查顯得尤為重要。近年來，高考生物學試題通過巧妙創設實驗探究情境，實現了對科學探究和科學思維素養的深度融合與全面考查。文章以“2023廣東生物選考\"”的第19題為例，深入剖析此類試題的命題特點，以期為高中生物學教學提供有益的啟示，推動教學與考試的緊密銜接，共同促進學生科學素養的全面提升。

一、 原題呈現

例題（2023年廣東生物選考第19題）：

神經肌肉接頭是神經控制骨骼肌收縮的關鍵結構，其形成機制見圖1。神經末梢釋放的蛋白A與肌細胞膜蛋白Ⅰ結合形成復合物，該復合物與膜蛋白M結合觸發肌細胞內信號轉導，使神經遞質乙酰膽堿（ACh）的受體（AChR）在突觸后膜成簇組裝，最終形成成熟的神經肌肉接頭。

回答下列問題：

（1）興奮傳至神經末梢，神經肌肉接頭突觸前膜""" 內流，隨后Ca2+內流使神經遞質ACh以""" 的方式釋放，ACh結合AChR使骨骼肌細胞興奮，產生收縮效應。

（2）重癥肌無力是一種神經肌肉接頭功能異常的自身免疫疾病，研究者采用抗原抗體結合方法檢測患者AChR抗體，大部分呈陽性，少部分呈陰性。為何AChR抗體陰性者仍表現出肌無力癥狀？為探究該問題，研究者做出假設并進行探究。

①假設一：此類型患者AChR基因突變，不能產生""" ，使神經肌肉接頭功能喪失，導致肌無力。

為驗證該假設，以健康人為對照，檢測患者AChR基因，結果顯示基因未突變，在此基礎上做出假設二。

②假設二：此類型患者存在""" 的抗體，造成""" ，從而不能形成成熟的神經肌肉接頭，導致肌無力。

為驗證該假設，以健康人為對照，對此類型患者進行抗體檢測，抗體檢測結果符合預期。

③若想采用實驗動物驗證假設二提出的致病機制，你的研究思路是" 。

參考答案：（1）Na+ 胞吐 （2）①正常AChR蛋白 ②抗A、I或M蛋白 AChR不能在突觸后膜成簇組裝 ③制備抗A、I或M蛋白抗體，注射到正常健康實驗動物體內，觀察其是否出現肌無力癥狀（或檢測其突觸后膜上的AChR能否成簇組裝形成成熟的神經肌肉接頭）。

二、 評析

本題以“重癥肌無力”這一復雜醫學現象為背景，精心構建了一個科學探究情境，旨在檢驗學生對神經調節與免疫調節等基礎知識的掌握情況，融合并深入考查了學生的科學探究能力和科學思維品質。這一設計不僅彰顯了知識應用與實踐操作的緊密結合，更突出了創新思維與問題解決能力在生物學學習中的核心價值，體現了教育評價對培養未來社會所需高素質人才的深刻洞察與前瞻布局。

（一）多維度考查科學探究水平

科學探究涵蓋從敏銳捕捉問題到創造性解決問題的完整歷程，而該試題則深入且全面地檢驗了學生的這一能力，不僅僅關注學生的實驗操作技能或是對理論知識的掌握；更重要的是，衡量了學生是否具備敏銳的問題意識、嚴謹的實驗設計思維、準確的數據分析能力以及清晰的結論表達能力。

1. 分析問題，做出假設

在科學探究中，做出假設是非常重要的一步。假設是對問題提出的一種可能的解釋或預測，是基于已有知識、觀察和經驗及事實和證據的推理，可以幫助預測研究可能產生的結果，從而為實驗設計和數據分析提供指導。

“重癥肌無力是一種自身免疫疾病，其發病原因在于神經肌肉接頭的功能障礙。按照理論預期，檢測此類患者的乙酰膽堿受體（AChR）抗體應呈現陽性反應。然而，令人費解的是，存在一部分患者，盡管他們的AChR抗體檢測結果為陰性，卻仍然表現出典型的肌無力癥狀，這一現象引發了深入探究的必要。”題目創設這一問題情境，使學生出現認知沖突，激發其“解決問題—做出假設—實驗驗證”。試題先從考生熟悉的“基因控制生物的性狀”的角度，從探究其根本原因著手，初步設想AChR基因可能發生突變。然而，當這一假設經過檢測被證實不成立之后，鼓勵學生進一步拓展思維，提出了第二個可能的假設。隨后，設計了針對性的實驗來驗證這一新的假設。正是在這樣不斷提出假設并進行實驗驗證的過程中，問題得以逐步被剖析和解決。這種巧妙的設計可讓學生身臨其境地感受到科學探究是一個不斷迭代的過程，假設的提出和驗證也是動態的，隨著研究的深入，假設可能需要不斷調整和完善。通過驗證假設，可以證實或推翻現有的理論和觀點，推動科學的發展。

2. 設計方案，驗證假設

通過運用生物體的生理特性來設計并實施實驗，以驗證所提出的假設，這是評估學生科學探究能力與素養的一個核心且有效的途徑。第（2）小題第③問要求學生以實驗動物為材料設計實驗，對假設二提出的AChR抗體陰性者仍表現出肌無力癥狀的致病機制進行驗證。學生需要遷移運用免疫學的相關知識和已有的實驗技能，結合實驗目的，分析實驗變量，才能設計出科學的實驗方案，體現了對實驗探究中設計實驗能力的考查。

3. 持續探究，解決問題

本題創新了試題呈現方式和設問方式，考查學生開展持續科學探究、解決問題的能力。題干呈現方式新穎，圖文結合，精練地表達了神經肌肉接頭處的形成機制，直指素養，利于學生有效獲取信息。設問方式新穎，設問中兩個假設及實驗方案的設計層層遞進，環環相扣，邏輯嚴謹清晰，呈現了科學探究的完整過程：“提出問題—做出假設—驗證假設—發現新問題—做出新假設—設計新實驗—驗證新假設……”使學生以科研工作者的思維過程開展科研工作，運用科學研究的基本思路和方法解決問題，意在考查學生開展持續科學探究解決問題的能力，體現了學科本質。

（二）多層次考查科學思維素養

本題以重癥肌無力為視角，構建探究場景，引導學生據生物學事實，運用歸納、演繹、批判性及創造性思維，探索生命現象的奧秘與規律。這一過程不僅多角度、多層次地檢驗了學生的科學思維水平，還促進了他們對生物學知識深度與廣度的理解與應用。

1. 考查提取圖文信息，歸納與概括能力

第（1）問聚焦于對基礎概念和基本原理的掌握情況，具體涉及興奮如何在神經纖維上有效傳導，以及這種興奮信號如何在不同的神經元之間實現準確傳遞的核心知識點。要求考生在陌生新穎的情境中，首先分析圖文中的信息，歸納正常人形成成熟神經肌肉接頭的機理，然后遷移運用興奮在神經元之間傳遞的必備知識，概括出興奮在神經肌肉接頭處的傳遞過程，是對其提取圖文信息以及歸納與概括能力的考查。

2. 考查做出假設、演繹推理能力

演繹與推理是一種邏輯思維方式，起始于一個普遍性的前提或假說，然后通過一系列嚴謹的邏輯推導過程，即“演繹”，來得出具體情境下的個別結論或陳述。在高中階段的教育實踐中，“演繹”往往圍繞著某個科學假說展開，學生基于這一假說，運用所學的知識和方法，進行有理有據、條理清晰的分析，從而做出科學合理的預測或判斷。這一過程不僅鍛煉了學生的邏輯推理能力，還強化了他們對科學知識的理解和應用。

第（2）小題的第①、②問，要求學生運用“做出假設”“演繹推理”等科學方法闡釋重癥肌無力患者的致病機制。

第①問，要求學生遷移運用基因控制生物的性狀及興奮在神經元之間傳遞的必備知識，進行演繹推理：“若患者AChR基因突變，則機體不能產生AChR，致使ACh無法作用于突觸后膜，最終導致肌無力。”因問題指向性明確，題干有一定的信息提示，學生經簡單的推理即可得出答案。

第②問，與第①問相比，更顯性化考查學生的思維過程。學生首先需分析題干、圖示及前面的信息，概括出成熟神經肌肉接頭處的形成機制及興奮在神經肌肉接頭處的傳遞過程，然后基于文中提供的事實和證據：“重癥肌無力患者的神經肌肉接頭功能出現障礙，導致乙酰膽堿（ACh）無法正常傳遞信息。值得注意的是，有一小部分患者的乙酰膽堿受體（AChR）抗體檢測結果為陰性，并且他們的AChR基因也未發生突變。然而，進一步檢測發現，這些患者體內存在某種特異性抗體呈陽性反應。”進行逆向思維，推理出“AChR無法在突觸后膜上成簇組裝”，結合從圖1中提取的關鍵信息：“與AChR在突觸后膜上成簇組裝有關的蛋白有A、I和M蛋白，缺少任一蛋白，均會導致AChR在突觸后膜上不能成簇組裝。”創造性地提出假設：“機體中存在抗A、I或M蛋白的抗體。”經過周密而嚴謹的演繹推理過程，得出以下科學結論：機體內若存在針對A、I或M蛋白的特異性抗體，這些抗體會導致A、I或M蛋白的功能異常。這種異常情況會進一步干擾乙酰膽堿受體（AChR）在突觸后膜上的有序聚集與組裝過程，導致無法構建出結構健全且功能完備的神經肌肉接頭，從而影響其正常運作。可見，一系列事件最終導致了肌無力的癥狀出現，而整個推理過程科學地闡釋了生命現象，提供了堅實的理論基礎。

3. 考查批判性思維能力

批判性思維結合目的性與反思判斷，為探究核心。其特征含求證、理性、開放、靈活、準確評估及審慎決策，并需適時調整觀點，是核心素養的關鍵。本題的“做出假設—否定假設—做出新假設—證實新假設”恰是對學生批判性思維的考查，主要考查批判性思維中的推理論證能力和確認假說的能力。

4. 考查創造性思維能力

創造性思維是創新能力的核心，高考試題通過考查學生對生物學現象的新問題發現、新解釋提出及進一步探究能力來評估其創新能力。本題最后一問要求提出驗證假設二的研究思路，強調思維的綜合與發散，是對學生創造性思維及實踐認知的考查。

三、 結論

綜上，試題遞進式展現科學研究的過程，考查學生的科學探究與科學思維能力，如分析、假設、實驗設計等，并關注人類生命健康，幫助學生樹立正確的生命觀，形成結構與功能觀、穩態與平衡觀，滲透健康情感。

參考文獻：

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