“因果解釋”模型在光合作用試題的應(yīng)用

摘 要：本文針對光合作用試題，構(gòu)建包含外因、內(nèi)因、結(jié)果三者的“因果解釋”模型，建立“由因索果”“執(zhí)果溯因”“內(nèi)外相聯(lián)”三種分析思路。本文結(jié)合分析思路，對應(yīng)呈現(xiàn)了解答具體問題的三類實(shí)例，并闡述構(gòu)建“因果解釋”模型在解決光合作用試題時的重要意義。

關(guān)鍵詞：因果解釋；認(rèn)識模型；光合作用；科學(xué)解釋

文章編號：1003-7586（2024）08-0060-03 中圖分類號：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

高考試題中的“因果解釋”問題常通過情境探究測評學(xué)生的科學(xué)解釋能力。其中，光合作用類試題存在圖文閱讀量大、信息提取難、情境創(chuàng)設(shè)新穎等特點(diǎn)，導(dǎo)致學(xué)生較易在“因果解釋”問題的解答上嚴(yán)重失分。筆者以2024年1月浙江省生物學(xué)選考試卷為例，試卷出現(xiàn)的原因分析、理由表述和提出措施等設(shè)問較往年明顯增多，著重加強(qiáng)對學(xué)生語言表達(dá)能力的考查力度。因此，提高學(xué)生對生物學(xué)現(xiàn)象的科學(xué)解釋水平尤為關(guān)鍵。目前，多數(shù)教師更專注于教授“因果解釋”類型試題的審題、答題等應(yīng)試技巧，導(dǎo)致學(xué)生陷入機(jī)械答題的循環(huán)。鮮有教師將這類問題的教學(xué)與培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)解釋能力相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深入思考和實(shí)踐。在專題教學(xué)中構(gòu)建“因果解釋”的認(rèn)識模型，有利于提高高三學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究類專題復(fù)習(xí)的效率，減輕學(xué)生負(fù)擔(dān)并發(fā)展其科學(xué)解釋水平。本文以光合作用專題為例，圍繞“因果解釋”模型介紹實(shí)驗(yàn)探究類教學(xué)的具體實(shí)施路徑。

1 “因果解釋”模型的基本形式信息技術(shù)

現(xiàn)象之間因果關(guān)系的確定，是揭示現(xiàn)象本質(zhì)聯(lián)系的重要切口，進(jìn)而可以洞察事物的深層次結(jié)構(gòu)聯(lián)系，掌握其發(fā)展的動態(tài)規(guī)律，從而對事物的發(fā)展方向做出科學(xué)的預(yù)判。［1］生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的探究過程，包含對實(shí)驗(yàn)條件、生命活動規(guī)律和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象之間“因果聯(lián)系”的探究，是深化生命本質(zhì)的認(rèn)知和掌握生命活動規(guī)律的重要途徑。在高考生物學(xué)試題中嵌入情境，旨在讓學(xué)生將所學(xué)知識遷移至試題情境，根據(jù)邏輯和證據(jù)解釋情境現(xiàn)象并解決問題，其強(qiáng)調(diào)對學(xué)生科學(xué)思維能力的考察。［2］“因果解釋”問題常具有以下特征：以生產(chǎn)生活或?qū)嶒?yàn)探究的相關(guān)素材為問題情境，涉及的關(guān)鍵要素包括材料和裝置、實(shí)驗(yàn)操作和步驟、生命規(guī)律和機(jī)制、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圍繞探究主線設(shè)計(jì)“因果解釋”問題，要求學(xué)生深入分析要素之間的聯(lián)系，進(jìn)而基于相關(guān)知識做出科學(xué)性的解釋和預(yù)測。實(shí)驗(yàn)探究類問題中“因果解釋”問題常見的考查形式如表1所示。

2 “因果解釋”模型的構(gòu)建與分析

在教學(xué)實(shí)踐中，教師應(yīng)幫助學(xué)生構(gòu)建分析和解決該類問題的認(rèn)識模型，引導(dǎo)學(xué)生在運(yùn)用認(rèn)識模型的過程中，形成相對穩(wěn)定的思維框架。教師通過設(shè)置一定量的題目練習(xí)，使學(xué)生確立獨(dú)立、具體的認(rèn)識視角和思維路徑，促進(jìn)學(xué)生發(fā)展分析、解決問題的能力。針對“因果解釋”問題的解答，教師可以采用“干旱影響光合作用速率”的現(xiàn)象進(jìn)行教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建如圖1所示的認(rèn)識模型，促進(jìn)學(xué)生構(gòu)建分析和解決該問題的思維框架與具體認(rèn)識思路。

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）在學(xué)業(yè)質(zhì)量水平中提到，“能夠在新的問題情境中，基于事實(shí)和證據(jù)，采用適當(dāng)?shù)目茖W(xué)思維方法揭示生物學(xué)規(guī)律或機(jī)制，并選用恰當(dāng)?shù)姆绞奖磉_(dá)、闡明其內(nèi)涵。在面對生活中與生物學(xué)相關(guān)的問題并做出決策時，利用多個相關(guān)的生物學(xué)大概念或原理，通過邏輯推理闡明個人立場”。因此，構(gòu)建圖1中的模型有助于學(xué)生用論證的方式提出觀點(diǎn)并闡明立場。

分析并解決“因果解釋”問題的基礎(chǔ)是厘清試題包含的信息，并將試題中的相關(guān)信息按照外界因素、內(nèi)在因素、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（實(shí)驗(yàn)結(jié)果）三者進(jìn)行分類。學(xué)生在“內(nèi)因是結(jié)果的決定因素，外因是要通過內(nèi)因來影響結(jié)果”觀點(diǎn)的指導(dǎo)下，以建立要素之間的聯(lián)系作為解決“因果解釋”問題的突破口。

在“因果解釋”問題的教學(xué)中，教師還應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生建立常見的三種分析思路。

“由因索果”：問題情境中包括了實(shí)驗(yàn)材料和裝置、實(shí)驗(yàn)操作和步驟等信息，要求解釋產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（實(shí)驗(yàn)結(jié)果）的原理。該分析思路需要學(xué)生從外因著手，解釋外因如何影響內(nèi)因，進(jìn)而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的過程（外因—內(nèi)因—結(jié)果）。

“執(zhí)果溯因”：問題情境中已知實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)結(jié)果等信息，要求解釋產(chǎn)生現(xiàn)象或結(jié)果的原因。該分析思路需要學(xué)生從結(jié)果出發(fā)，逆向追溯原因，強(qiáng)調(diào)學(xué)生把握關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)信息，深入思考生命現(xiàn)象背后的規(guī)律和機(jī)制，再進(jìn)一步推測引起相關(guān)現(xiàn)象變化的實(shí)驗(yàn)條件（結(jié)果—內(nèi)因—外因）。

“內(nèi)外相聯(lián)”：問題情境中同時包含實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（實(shí)驗(yàn)結(jié)果）兩方面的信息，要求學(xué)生做出解釋。該分析思路需要學(xué)生探尋外因與結(jié)果間的聯(lián)系——內(nèi)因；同時，要求學(xué)生通過試題情境中給定的實(shí)驗(yàn)條件（外因）和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（結(jié)果）對內(nèi)因（生命規(guī)律和機(jī)制）進(jìn)行提煉，進(jìn)而構(gòu)建完整的“因果解釋”模型，并對內(nèi)因做出具體解釋。

“因果解釋”模型是指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)生物學(xué)知識、研究生物學(xué)問題的系統(tǒng)化方法，其針對“實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)結(jié)果”等方面為學(xué)生提供策略性指導(dǎo)。教學(xué)過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建并運(yùn)用“因果解釋”模型，可促進(jìn)提升學(xué)生對這類問題的解決能力，從而提高基于模型的科學(xué)解釋水平。

3 “因果解釋”模型的應(yīng)用

3.1 “由因索果”模型應(yīng)用實(shí)例

例1 植物的氣孔由葉表皮上兩個具有特定結(jié)構(gòu)的保衛(wèi)細(xì)胞構(gòu)成。保衛(wèi)細(xì)胞因吸水而體積膨大時，氣孔打開，反之關(guān)閉。保衛(wèi)細(xì)胞含有葉綠體，在光照條件下可進(jìn)行光合作用。已知藍(lán)光可促進(jìn)保衛(wèi)細(xì)胞逆濃度梯度吸收K+。研究發(fā)現(xiàn)，紅光光照達(dá)到飽和強(qiáng)度時（植物達(dá)到最大光合速率所需的紅光強(qiáng)度），植物的氣孔開度可達(dá)最大開度的60%左右。

請回答：已知某種除草劑能阻斷光合作用的光反應(yīng)，用該除草劑處理的葉片在陽光照射下氣孔____________（填“能”或“不能”）維持一定的開度。

解析：由本題構(gòu)建的“由因索果”模型如圖2所示。

學(xué)生需從題目中提出的外因，即“用除草劑”著手分析，進(jìn)一步解釋除草劑影響光合作用的原理，最終推理并得出結(jié)論。

3.2 “執(zhí)果溯因”模型應(yīng)用實(shí)例

例2 植物工廠是一種新興的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，可人工控制光照、溫度、CO2濃度等因素。不同光質(zhì)配比對生菜幼苗體內(nèi)葉綠素含量和氮含量的影響如圖甲所示，不同光質(zhì)配比對生菜幼苗干重的影響如圖乙所示。分組如下：CK組（白光）、A組（紅光∶藍(lán)光=1∶2）、B組（紅光∶藍(lán)光=3∶2）、C組（紅光∶藍(lán)光=2∶1），每組光照輸出的功率相同。

請回答：進(jìn)一步探究在不同溫度條件下，增施CO2對生菜光合速率的影響，結(jié)果如圖丙所示。植物工廠利用秸稈發(fā)酵生產(chǎn)沼氣，冬天可燃燒沼氣以提高CO₂濃度，還可以____________，使光合速率進(jìn)一步提高。

解析：由本題構(gòu)建的“執(zhí)果溯因”模型如圖3所示。

學(xué)生需從“光合速率提高”這一結(jié)果，反推影響該現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)條件。通過分析結(jié)論可得出“酶活性升高”和“碳反應(yīng)增強(qiáng)”的內(nèi)因，進(jìn)一步結(jié)合題目可知“升高溫度”可作用于內(nèi)因，從得出“燃燒沼氣”即為正確答案。

3.3 “內(nèi)外相聯(lián)”模型應(yīng)用實(shí)例

例3 題干同例2。

請回答：由圖甲、圖乙可知，選用紅、藍(lán)光配比為3∶2，最有利于生菜產(chǎn)量的提高，原因是____________。

解析：由本題構(gòu)建的“內(nèi)外相聯(lián)”模型如圖4所示。

解答本題需要學(xué)生結(jié)合“紅、藍(lán)光配比”這一實(shí)驗(yàn)條件（即外因）和“有利于生菜產(chǎn)量提高”的實(shí)驗(yàn)結(jié)論（結(jié)果），分析外因?qū)е陆Y(jié)果產(chǎn)生的內(nèi)在機(jī)制。最終得出“葉綠素”和“氮含量”這兩個關(guān)鍵內(nèi)因。

4 總結(jié)與反思

在教學(xué)實(shí)踐中，運(yùn)用“因果解釋”模型解決光合作用試題具有三點(diǎn)優(yōu)勢：①簡化復(fù)雜問題，將實(shí)驗(yàn)探究類問題分解成若干要素，提高學(xué)生的自我效能感；②顯化分析過程，學(xué)生在分析過程中提取關(guān)鍵信息并構(gòu)建模型，將抽象的思維過程可視化，培養(yǎng)其邏輯思維能力；③教學(xué)策略新穎，“因果解釋”模型為學(xué)生提供一種新的思維探索方式，為教師提供一種新的教學(xué)策略，豐富課堂教學(xué)形式。

此外，筆者發(fā)現(xiàn)“因果解釋”模型還存在一定的局限性。例如，同樣是缺水對植物光合作用的影響，內(nèi)因部分可分為氣孔因素和非氣孔因素。學(xué)生解決實(shí)驗(yàn)探究類問題的效果也受到審題能力、邏輯思維、術(shù)語書寫、心理障礙等諸多因素的共同影響。［3］

綜上，運(yùn)用“因果解釋”模型，能夠促進(jìn)學(xué)生對生物學(xué)知識的認(rèn)識并形成整體思路和框架，能夠使學(xué)生發(fā)現(xiàn)并彌補(bǔ)自我能力缺陷。此外，學(xué)習(xí)和解決問題過程中運(yùn)用認(rèn)識模型還能提升學(xué)生的自我評價、自我調(diào)控的水平。［4］因此，教師應(yīng)將構(gòu)建并運(yùn)用認(rèn)識模型作為復(fù)習(xí)課教學(xué)的核心策略，以實(shí)現(xiàn)學(xué)生科學(xué)思維的有效培養(yǎng)和科學(xué)解釋水平的提升。

參考文獻(xiàn)

［1］陳揚(yáng)炯.哲學(xué)漫談［M］.北京：中國青年出版社，1980：236．

［2］吳航楓.基于“科學(xué)思維”的高考生物實(shí)驗(yàn)探究題解題策略［J］.中學(xué)生物學(xué)，2020，36（10）：51-52+58．

［3］魏蕓露.利用長句訓(xùn)練提高高中生生物學(xué)語言表達(dá)能力的策略研究［D］.重慶：西南大學(xué)，2022．

［4］陳進(jìn)前.理解“模型認(rèn)知”素養(yǎng)的不同視角［J］.課程·教材·教法，2020，40（4）：108-113．