2018年高考生物試題科學思維素養考查分析及教學啟示

申定健

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱《課標》）將生物學核心素養水平劃分了4個等級，來準確刻畫學生學業質量和學業成就表現，并以此作為考試命題的重要依據。科學思維作為生物學核心素養的重要組成部分，不僅是生物學課程性質的重要體現，更是高考考查的重點。以2018年全國III卷生物試題為例，嘗試運用科學思維素養水平進行考查分析，以求把握高考對教學的導向，為培養學生科學思維素養提出教學建議。

1科學思維素養和素養水平等級劃分

1.1科學思維素養定義

《課標》將“科學思維”素養定義為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。學生應該在學習過程中逐步發展科學思維，如能夠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，探討、闡釋生命現象及規律，審視或論證生物學社會議題。

1.2科學思維能力素養水平等級劃分

以《課標》中學生科學思維素養的學業質量水平為依據，將科學思維素養水平分出4個等級（表1）。科學思維素養的每一級水平體現了學生不同水平差異，主要表現為學生在不同復雜程度的情景中運用探究方法解決問題的程度，素養水平逐級遞進。在科學思維素養四級水平中，一、二級水平解決問題的情景相對簡單和解決問題的程度相對較低，作為生物學科學業水平合格考試的考查要求和命題依據;三、四級水平解決問題的情景相對復雜且要求較高，作為本學科學業水平等級考試的考查要求和命題依據。

2基于科學思維素養四個水平的高考實驗試題分析實例

2.1一級水平考查

【例1】（2018年高考全國Ⅲ卷第3題）神經細胞處于靜息狀態時，細胞內外K+和NNa+的分布特征是（）

A.細胞外K+和Na*濃度均高于細胞內

B.細胞外K+和Na+濃度均低于細胞內

C.細胞外K+濃度高于細胞內，Na+相反

D.細胞外K+濃度低于細胞內，Na+相反

參考答案：D。

分析：本題依據神經細胞的“靜息電位”基本概念，以K+外流形成神經細胞靜息電位狀態時，要求學生用己建立起的靜息電位這一概念對神經細胞K+和Na+在細胞內外分布情況的進行解釋，歸屬于“能用概念解釋簡單的生命現象”，考查科學思維素養一級水平。

2.2二級水平考查

【例2】（2018年高考全國Ⅲ卷第29題節選）回答下列問題：

（2）植物的葉面積與產量關系密切，葉面積系數（單位土地面積上的葉面積總和）與植物群體光合速率、呼吸速率及干物質積累速率之間的關系如圖1所示。由圖可知：當葉面積系數小于a時，隨葉面積系數增加，群體光合速率和干物質積累速率均——。當葉面積系數超過6時，群體干物質積累速率降低，其原因是——。

（3）通常，與陽生植物相比，陰生植物光合作用吸收與呼吸作用放出的C02量相等時所需要的光照強度——（填“高”或“低”）。

參考答案：（2）增加群體光合速率不變，但群體呼吸速率仍在增加，故群體干物質積累速率降低

（3）低

分析：本題第（2）小題題干與曲線圖給出3個基本概念——群體光合速率、呼吸速率及干物質積累速率，綠色植物在光下同時進行光合作用和呼吸作用的前提下，存在“群體光合速率=群體凈光合速率+群體呼吸速率”的數學關系，其中凈光合速率也可以用干物質積累速率表示，故第二空考查學生基于三種速率的概念關系，結合曲線圖解釋當葉面積系數超過6時群體干物質積累速率降低的原因，歸屬于“基于簡單的生物學概念，用文字正確解釋相應的生命現象”，考查科學思維素養二級水平。

【例3】（2018年高考全國Ⅲ卷第30題節選）回答下列與蛋白質相關的問題：

（2）通常，細胞內具有正常生物學功能的蛋白質需要有正確的氨基酸序列和

結構。某些物理或化學因素可以導致蛋白質變性。通常，變性的蛋白質易被蛋白酶水解，原因是——。

（3）如果DNA分子發生突變，導致編碼正常血紅蛋白多肽鏈的mRNA序列中一個堿基被另一個堿基替換，但未引起血紅蛋白中氨基酸序列的改變，其原因可能是遺傳密碼——。

參考答案：（2）空間蛋白質變性后使肽鏈暴露，暴露的肽鍵易與蛋白酶接觸，使蛋白質降解

（3）具有簡并性

分析：給出“蛋白質變性”的基本概念，基于蛋白質變性實質是蛋白質空間結構改變的概念認識，解釋“變性的蛋白質易被蛋白酶水解”的生命現象，以及第（3）小題給出DNA分子突變導致的mRNA上密碼子中的一個堿基替換，但相應蛋白的氨基酸序列發生變化，說明前后密碼子編碼同一個氨基酸，考查遺傳密碼的“簡并性”概念，即可用該概念進行解釋該生命現象。第（2）小題第2空和第（3）小題歸屬于“基于簡單的生物學概念，用文字正確解釋相應的生命現象”，考查科學思維素養二級水平。

2.3三級水平考查

【例4】（2018年高考全國III卷第31題）某小組利用某二倍體自花傳粉植物進行兩組雜交實驗，雜交涉及的四對相對性狀分布是：紅果（紅）與黃果（黃），子房二室（二）與多室（多）。圓形果（圓）與長形果（長），單一花序（單）與復狀花序（復）。實驗數據見表2。

回答下列問題

（1）根據表中數據得出的結論是：控制甲組兩對相對性狀的基因位于

上。依據是

;控制乙組兩對相對性狀的基因位于

（填“一對”或“兩對”）同源染色體上，依據是——。

（2）某同學若用“長復”分別與乙組的兩個F。進行雜交，結合表中數據分析，其子代的統計結果不符合——的比。

參考答案：（1）非同源染色體F：中兩對相對性狀表現型的分離比為9：3：3：1一對F2中每對相對性狀表現型比符合3：1，而兩對相對性狀表現型的分離比不符合9：3：3：1

（2）1：1：1：1

分析：本題給出四對相對性狀的四組雜交實驗的Fl和F2表現型和性狀分離比，需要基于相對性狀的顯隱性關系和性狀分離比分析，以符合自由組合定律的9：3：3：1性狀分離比和分離定律的3：1性狀分離比作為標準參照，判斷控制4對相對性狀的基因位置關系，這就要求學生從雜交實驗的事實出發，運用歸納的方法概括出4對相對性狀的F，和F2表現型和性狀分離比，運用兩大遺傳定律分析該遺傳實驗過程，從而判斷控制相對性狀的基因位置和闡述判斷依據，屬于“能夠基于事實和證據，運用歸納的方法概括出生物學規律，運用生物學規律和原理，對可能的結果作出解釋，并能夠選擇文字、圖示或模型等方式進行表達并闡明其內涵”，考查科學思維素養三級水平。

此外，上述“例2”2018年高考全國Ⅲ卷第29題第（3）小題給出“植物光合作用吸收與呼吸作用放出的C02量相等時”條件，即處于為光補償點時，比較陽生植物和陰生植物需要的光照強度大小，考查學生基于補償點的理解和認識，運用光合作用原理，比較陽生植物和陰生植物需要的光照強度差異，對可能的結果作出預測，同樣考查科學思維素養三級水平。

2.4四級水平考查

【例5】（2018年高考全國Ⅲ卷第32題節選）圖2是某農業生態系統模式圖

（2）根據生態系統中分解者的作用，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，通常需要考慮的因素可概括為3個方面，即——。

參考答案：（2）待分解垃圾的性質，引進的分解者生物的種類，處理環境的理化條件

分析：本題第（2）小題給出“根據生態系統中分解者的作用，若要采用生物方法處理生活垃圾”新的問題情境，考查學生“在確定處理生活垃圾的方案時需要考慮的因素”。這就要求學生能夠面對生活中與生物學相關的新問題情境中，基于事實和證據，采用創造性思維方法思考在確定處理生活垃圾的方案時需要考慮的因素，并選用文字進行表達、闡明其內涵，考查科學思維素養四級水平。

3基于科學思維素養水平培養的教學啟示

3.1教學應充分利用教材素材強化思維訓練

教材是重要的教學資料，教師要充分利用好教材中素材，針對科學思維的5種思維方式進行強化訓練。

3.1.1歸納與概括思維

教材中通過歸納與概括方式呈現的知識有很多，如氨基酸結構通式、細胞學說建立、細胞的統一性和多樣性、生物膜系統的功能、細胞核的功能、酶的特性、基因突變的概念、基因與性狀的關系、基因控制生物性狀的方式、生態系統信息傳遞的功能等。教師利用好教材的素材，以問題形式培養學生歸納與概括的能力。例如，學習酶的特性時，可利用“比較過氧化氫在不同條件下的分解”教材實驗，讓學生比較加酶與加FeCl3無機催化劑實驗現象的異同，概括出酶的高效性;利用教材“學科交叉”資料，讓學生比較“淀粉在淀粉酶和蔗糖酶以及在無機酸的催化下分解”現象，概括出酶的專一性等。

3.1.2演繹與推理思維

教材通過演繹推理方式提出假說的實例也很多，諸如孟德爾根據豌豆雜交實驗結果提出遺傳定律假說，摩根爾根據果蠅雜交實驗提出果蠅的白眼基因位于x染色體上假說，魏斯曼根據體細胞分裂前后染色體數目恒定推測精子、卯細胞形成過程是減數分裂過程，沃森和克里克提出DNA半保留復制的假說，伽莫夫提出“三聯體密碼”假說等。采用假說演繹法是演繹與推理思維培養的良好途徑。例如，孟德爾的兩大遺傳定律正是采用假說演繹法才被發現，成為生物學中演繹與推理思維的典型范例。教學過程中，教師要利用好教材素材，演示演繹與推理的過程，循序漸進地培養學生演繹推理思維能力。

3.1.3模型與建模思維

教材中呈現的模型包括數學模型、物理模型和概念模型三種類型，諸如真核細胞亞顯微結構模型、DNA雙螺旋結構模型、池塘生態系統模式圖等屬于物理模型;光合作用過程示意圖、有絲分裂和減數分裂圖解、中心法則圖解和血糖調節過程模擬等屬于概念模型;酶活性的溫度和pH影響曲線、光合速率影響曲線、種群密度計算公式、種群J型增長模型、組成細胞的化學元素餅狀圖、能量金字塔等屬于數學模型。例如，學生學了基因在染色體上之后，為準確理解分離和自由組合規律的本質，教師可要求學生依據減數分裂過程中基因行為與染色體行為的平行關系，再把基因定位到染色體上，畫出2N=4的細胞減數分裂示意圖，在圖中染色體上標注出AaBb兩對等位基因，如此構建遺傳規律的物理模型。在模型的構建和修正完善過程，培養學生的模型和建模思維能力。

3.1.4批判性思維

教材同樣設置了批判性思維訓練問題。例如，細胞表面積與體積關系限制了細胞的長大，細胞體積是不是越小越好？生物自發突變頻率很低，而且大多是有害的，突變為什么還能夠作為生物進化的原材料？血糖是提供能量的，血糖是不是越高越好？免疫系統的防衛功能是不是越強大越好呢？這些問題都創設了知識情境，是訓練批判性思維的良好素材。此外，實驗評價也是培養批判性思維的良好途徑。教師可利用實驗素材，讓學生在真實情境中辨別信息的真實性、論證的嚴謹性、證據的充足性、結論的正確性，從而培養學生的批判性思維，例如探究生長素在胚芽鞘中的極性運輸方向實驗評價就是教材實驗素材的典型。

3.1.5創造性思維

思考是創造性思維的前提。在科學發現的過程中，任何科學發現無不都是從提出問題開始的，學生通過教材知識的學習，獨立思考，將新知識與舊知識進行聯接組合，形成新的知識結構。教師訓練學生學習過程中學會提出問題，針對問題的解決提出設想。教師在教學中要鼓勵學生善于發問、大膽質疑，以啟發學生創造性思維。例如，學習“生物催化劑酶”后，學生提出疑問：酶作為催化劑，怎么知道它本身在反應前后沒有發生變化？教材實驗僅在37℃左右的溫水中進行，為什么結論是酶在適宜的溫度和其他條件下，能夠使生物體內的許多復雜的化學反應順利而迅速地進行？其目的是達到學而有思，思而有惑，惑而求解。教師應注意創設學生創造性思維培養的良好氛圍，讓學生勤于思考，勇于發問。

3.2教學應遵循素養水平遞進關系進行培養

要對學生科學思維素養水平進行精細刻畫，需將科學思維素養按照學業質量水平劃分為四級水平，使學生能力素養水平從低到高依級遞進。教師應認識到素養的低級水平是高級水平建構基礎，要遵循素養水平遞進關系進行循序漸進的培養和提高;厘清素養水平遞進關系，將更加有利于科學描述和評價學生素養水平層次，從而真正做到對每一位學生有針對性和差異性的培養。

3.3教學應為培養學生科學思維創設真實的情境

科學思維能力是除生物學知識之后還留下的關鍵能力，也是科學研究的必備能力，真實科研素材中需要運用科學思維進行分析，選取合適的科研素材，創設真實情境，是培養學生科學思維的良好途徑。高考對科學思維考查的試題素材大都來自教材，只是創新了考查情境，全新情境中的真實問題分析才會真正提高學生科學思維能力。教師可從教材實驗素材中的研究背景、目的、材料、方法、步驟、結果、結論、解決實際問題等多個角度有針對性地進行創設問題情境，讓學生在真實的情境中訓練思維，應用概念、方法和原理來解決問題。

3.4教學應注重學生自主建構知識體系以強化思維訓練

生物學的知識點多且分布零散，需要教師扣住關鍵知識，尋找相關知識間的異同點、縱橫聯系，抓住主線，應用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維和創造性思維這些思維方式，使知識層次化、網絡化、系統化。教師可以用概念圖、思維導圖、過程圖、模式圖、模型圖等自主構建來促進知識體系的形成，在構建知識體系的過程中，強化對學生科學思維訓練，真正實現知識學習和思維培養的并舉并重。