例談近年高考試題對科學史和科學思維的考查

河北

近幾年高考題中，常出現“原因、理由闡述”或“實驗設計思路描述”“結果分析”類題目，這也是考生答題困難、失分較多的題目。考生答此類題時往往不能迅速準確地找到問題本質及核心要點，這說明考生的邏輯推理能力、科學探究能力有待提高，教學中對學生“科學思維”的培養應該得到重視。教師在教學中不僅要讓學生記住某知識的“結論要點”，更要讓學生關注得出結論過程中涉及的實驗操作、研究方法、數據收集、分析推理、結論描述等“中間思維過程”。

《普通高中生物學課程標準（2017 年版）》強調指出，“科學思維”是高中生物學學科核心素養的重要組成部分，并談到要注重對生物學科學史和科學本質的學習。筆者也體會到，在實際教學中合理利用科學史能為培養學生的科學思維創造良好的實踐情境和條件，因為在學習科學史的過程中，教師可以引導學生跟隨科學家們的腳步去學習“觀察現象”“提出問題”“合理解釋”“演繹推理”“實驗驗證”“歸納概括”“模型構建”“闡釋生命現象和規律”等一系列科學研究的思路和方法，進而獲得一定的科學探究能力，同時培養學生的科學思維。

筆者引用近幾年以“典型科學史”為考查背景的高考題目，分析高考題是如何對科學思維進行滲透考查的，同時闡述教師在教學中應該如何帶領學生研讀科學史，使學生能夠“學習—借鑒—運用”，學會科學探究的思路和方法，解決題目中類似的問題。

【例1】（2017 年，全國卷Ⅰ，第29 題）根據遺傳物質的化學組成，可將病毒分為RNA 病毒和DNA 病毒兩種類型。有些病毒對人類健康會造成很大危害。通常，一種新病毒出現后需要確定該病毒的類型。假設在宿主細胞內不發生堿基之間的相互轉換。請利用放射性同位素標記的方法，以體外培養的宿主細胞等為材料，設計實驗以確定一種新病毒的類型。簡要寫出（1）實驗思路，（2）預期實驗結果及結論即可。（要求：實驗包含可相互印證的甲、乙兩個組）

【參考答案】（1）思路

甲組：將宿主細胞培養在含有放射性標記尿嘧啶的培養基中，之后接種新病毒。培養一段時間后收集病毒并檢測其放射性。

乙組：將宿主細胞培養在含有放射性標記胸腺嘧啶的培養基中，之后接種新病毒。培養一段時間后收集病毒并檢測其放射性。

（2）結果及結論

若甲組收集的病毒有放射性，乙組無，即為RNA 病毒；反之為DNA 病毒。

【分析】該題中要求甲、乙兩組的實驗設置“相互印證”，與美國科學家魯賓和卡門“探究光合作用釋放的氧氣來自H2O 還是CO2”的實驗相似度很大，結合人教版必修2 教材第44～45 頁赫爾希和蔡斯“T2噬菌體侵染大腸桿菌的實驗”中的相關知識，發現可以模仿這兩個科學史中的經典實驗探究方法：用同位素標記法將甲、乙兩組中“用于培養的物質”區分開。同位素標記法常用于探究含某種特定元素的化合物的物質轉變途徑和去向。這類探究性實驗的實驗結果具有未知性，因此對實驗結果和實驗結論的描述應具有思辨性，包含的科學思維應為“演繹推理”“分析綜合”。

學生在形成一定的科學思維后，對題目進行正確的解讀分析，獲取了以下信息：①本題中實驗目的是探究某種新病毒所含遺傳物質的類型；②該種病毒所含遺傳物質的類型為DNA 或 RNA，不可能同時含有；③實驗材料為該種新病毒、體外培養的宿主細胞、被放射性同位素標記的相關物質，且甲、乙兩組被放射性同位素標記的物質應有差異；④病毒在宿主細胞內不發生堿基之間的相互轉換，說明培養所得到的子代病毒不發生變異，自變量的設置應與DNA 和RNA 的堿基差異有關；⑤“實驗包含可相互印證的甲、乙兩個組”，表明結論是“新病毒含RNA 不含DNA”或“新病毒含DNA 不含RNA”，已從科學性上排除了第三種情況“新病毒同時含有DNA 和RNA”。

要得出正確的答案，考生還會產生以下疑問：（1）能用放射性同位素標記核糖核苷酸和脫氧核糖核苷酸嗎？答案是否定的，因為核糖核苷酸和脫氧核糖核苷酸被放射性同位素標記的位置不確定，且二者均可降解成磷酸、五碳糖、含氮堿基等成分，不一定能起到把RNA 和DNA 區分開的作用。要把RNA 和DNA 區分開，只能用放射性同位素標記其各自特有的堿基：U 和T，而且根據題中信息“假設在宿主細胞內不發生堿基之間的相互轉換”，可確定用放射性同位素標記差異性堿基的可行性（一組標記U，另一組標記T）。（2）能用培養基直接培養該種病毒嗎？答案是否定的，因為病毒營寄生生活，應該先用培養基培養宿主細胞，再接種新病毒到宿主細胞進行培養。綜上所述，可確定因變量的檢測指標為放射性的有無，檢測對象為“甲、乙兩組宿主細胞釋放的子代病毒”。寫實驗設計思路，不是寫實驗步驟，不用詳細寫出培養溫度、培養時間等具體內容。上述思維過程體現了考生應具備的良好審辨思維，即能夠辨識、評估知識信息的合理程度，選擇科學合理的實驗方法，完成科學探究。

【例2】（2013 年，海南卷，第10 題）某植物葉片不同部位的顏色不同，將該植物在黑暗中放置48 h 后，用錫箔紙遮蔽葉片兩面，如圖所示。在日光下照光一段時間，去除錫箔紙，用碘染色法處理葉片，觀察到葉片有的部位出現藍色，有的沒有出現藍色。其中，沒有出現藍色的部位是 （ ）

A.a、b 和d B.a、c 和e

C.c、d 和e D.b、c 和e

【參考答案】B

【分析】該題目中涉及的實驗方法模擬了薩克斯的經典實驗，薩克斯的實驗證明了“光合作用的產物除氧氣外還有淀粉”。薩克斯實驗需要將“控制光照的有無”作為自變量，而薩克斯采用“半葉法”巧妙地將植物葉片分成了“有光組”和“無光組”，其中所包含的科學思維是“減法原理”：遮光處理的部分為“實驗組”，曝光處理的部分即“有光組”，屬對照組。檢測實驗結果知，“無光組不變藍”證明了“沒有進行光合作用不產生淀粉”，據此進一步推出“進行光合作用產生了淀粉”。除此之外，學生還需注意區分碘蒸氣與碘液的用法不同。

本題中“碘染色法處理葉片”是對實驗結果進行檢測的方法，題目最終要求考生對實驗結果進行判斷。該題所選用的實驗材料“某植物葉片”較特殊，其葉片邊緣部位呈現黃白色，即該處葉肉細胞中無葉綠體，所以葉片的a、e 兩處不進行光合作用，不能產生淀粉，由于經過了“饑餓”處理，所以排除了“不產生淀粉處”有“他處”運輸來的淀粉，因此葉片的a、e 兩處經過碘染色法處理后不會出現藍色。葉片的b、c、d 三處含有葉綠體，而遮光部位和曝光部位形成了對照，所以最終能產生淀粉的只是曝光部位b 和d，因此碘染色法處理后沒有出現藍色的部位是葉片的a、c 和e。該題所考查的科學思維：如何尋找出題目圖文信息中給出的“自變量”——“光照的有無”和“葉綠體的有無”；如何根據實驗組和對照組的條件差異分析其“生命現象或生理過程”的差異，從而對實驗結果進行合理科學的判斷，其中包含了因果思維、演繹推理思維的運用。

【例3】（2019 年，全國卷Ⅰ，第2 題）用體外實驗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記的多肽鏈，所需的材料組合是 （ ）

①同位素標記的tRNA

②蛋白質合成所需的酶

③同位素標記的苯丙氨酸

④人工合成的多聚尿嘧啶核苷酸

⑤除去了DNA 和mRNA 的細胞裂解液

A.①②④ B.②③④ C.③④⑤ D.①③⑤

【參考答案】C

【分析】本題以“體外合成同位素標記的多肽鏈”為目的，是對尼倫伯格和馬太實驗的模擬，該實驗在試管中應加入的有：合成多肽鏈所需的模板、原料、能量、核糖體（含酶）、tRNA 及適宜的液體環境。模仿科學家的思維，應加入“人工合成的多聚尿嘧啶核苷酸”作為模板、“同位素標記的苯丙氨酸”為原料、“除去了DNA 和mRNA的細胞裂解液”提供能量、核糖體（含酶）、tRNA 及適宜的液體環境。那么還需要單獨加入“②蛋白質合成所需的酶”嗎？或者用①②項來代替⑤項？答案是否定的，要在試管中模擬“細胞中的微環境”，包括液體的pH 等細節要求，只有⑤能提供。可見，科學史的學習潛移默化地帶動學生獲得了嚴謹的“篩選、審辨”思維，使其能夠辨識、評估知識信息的合理程度。

【例4】（2017 年，江蘇卷，第2 題）下列關于探索DNA 是遺傳物質的實驗，敘述正確的是 （ ）

A.格里菲思實驗證明DNA 可以改變生物體的遺傳性狀

B.艾弗里實驗證明從S 型肺炎雙球菌中提取的DNA可以使小鼠死亡

C.赫爾希和蔡斯實驗中離心后細菌主要存在于沉淀中

D.赫爾希和蔡斯實驗中細菌裂解后得到的噬菌體都帶有32P 標記

【參考答案】C

【分析】該題要順利解決，需要考生熟悉題中科學家們的“經典科學實驗”，實驗的技術方法有區別，結論也就有差異。這里滲透的高階思維是“只有遺傳物質才能使細菌發生穩定的性狀改變”，所謂的“轉化因子”就是遺傳物質。這是通過實驗事實證據證明結論的“因果思維”“演繹推理思維”。格里菲思肺炎雙球菌體內轉化實驗證明了加熱殺死的S 型菌中存在“轉化因子”，使R 型菌轉化為S 型菌，但沒有研究出“轉化因子”是什么，更沒有提到DNA，A 項錯誤；艾弗里的肺炎雙球菌體外轉化實驗證明了S 型菌的DNA 才是“轉化因子”，使R 型菌轉化為S 型菌，該實驗沒有利用小鼠做動物體內轉化實驗，且單獨的DNA 分子也不能使小鼠死亡，B 項錯誤；赫爾希和蔡斯的T2噬菌體侵染大腸桿菌的實驗中離心的目的是讓上清液中析出重量較輕的噬菌體顆粒，沉淀物中留下被感染的大腸桿菌，C 項正確；實驗中32P 標記親代噬菌體的DNA，經過半保留復制n 次得2n個子代DNA 中只有2 個DNA 分子含有32P，子代噬菌體中有少數帶有32P標記，大多數不帶有32P 標記，D 項錯誤。對各選項的正誤判斷考查了學生對獲取到的信息的分析能力，也考查了學生能否辨識、評估知識信息的合理程度的審辨思維。

從遺傳學家孟德爾的豌豆雜交實驗及遺傳學的兩大規律的獲得過程中可學到“假說-演繹法”，學到植物“人工雜交”的方法，學到對實驗結果所獲得的數據處理一般采用“統計學”的方法。運用生物學事實和證據來歸納概括得出“生物學規律”，再把“生物學規律”應用到一定的情境中去判斷是否會出現某種生命現象或某種結果，這是“演繹推理”。從這些科學思維方法中學生可學到以下幾點：①如何判斷一對相對性狀中的顯隱性？可以采用“自交法”或“雜交法”，讓具有相對性狀的兩植株分別自交，某植株自交后代若發生性狀分離，則該植株性狀為顯性性狀；讓具有相對性狀的兩植株進行雜交，F1只表現其中一種性狀，則F1表現的性狀為顯性性狀。②如何驗證基因的分離定律？具有一對相對性狀的個體先雜交獲得F1，F1再自交獲得的F2中如果出現3∶1 的性狀分離比，則可驗證分離定律；或者讓F1與隱性個體測交，如果后代出現1∶1 的性狀比例，則可驗證分離定律，如例5。③如何驗證基因的自由組合定律？選擇具有兩對相對性狀的個體做親本，先雜交獲得F1，F1再自交，如果F2中出現9∶3∶3∶1 的性狀分離比，則可驗證基因的自由組合定律；或者讓F1與雙隱性個體測交，如果后代出現1∶1∶1∶1 的性狀比例，則可驗證基因的自由組合定律。如例5 中第（2）小題則是考查學生對孟德爾的“豌豆雜交實驗”和“假說-演繹法”領悟的程度，能否在思維上達到“學習—借鑒—運用”的程度。

【例5】（2019 年，全國卷Ⅲ，第32 題） 玉米是一種二倍體異花傳粉作物，可作為研究遺傳規律的實驗材料。玉米籽粒的飽滿與凹陷是一對相對性狀，受一對等位基因控制。回答下列問題。

（1）在一對等位基因控制的相對性狀中，雜合子通常表現的性狀是________________________________。

（2）現有在自然條件下獲得的一些飽滿的玉米籽粒和一些凹陷的玉米籽粒，若要用這兩種玉米籽粒為材料驗證分離定律，寫出兩種驗證思路及預期結果。

【參考答案】（1）顯性性狀 （2）思路及預期結果：①兩種玉米分別自交，若某些玉米自交后，子代出現3∶1 的性狀分離比，則可驗證分離定律。

②兩種玉米分別自交，在子代中選擇兩種純合子進行雜交，F1自交，得到F2，若F2中出現3∶1 的性狀分離比，則可驗證分離定律。

③讓籽粒飽滿的玉米和籽粒凹陷的玉米雜交，如果F1都表現一種性狀，則用F1自交，得到F2，若F2中出現3∶1 的性狀分離比，則可驗證分離定律。

④讓籽粒飽滿的玉米和籽粒凹陷的玉米雜交，如果F1表現兩種性狀，且表現為1∶1 的性狀分離比，則可驗證分離定律。

【分析】本題與孟德爾豌豆雜交實驗的區別是，實驗材料玉米屬于雌雄異花同株植物，自然條件下，玉米既可以自交，又可以雜交，所以顯性性狀的玉米不能保證是純合子；但豌豆作為自花傳粉閉花受粉植物，天然條件下是純合子。所以在設計實驗時要把具有一對相對性狀的兩種玉米的各種情況考慮全面，清楚顯性個體中既有純合子又有雜合子。

2020 年高考命題者有可能再次把一些經典的科學史融入到問題情境中，建議教師在復習時，引導學生進行“高中生物典型科學史專題復習”，讓學生自主總結歸納出具體內容（可參考如表所示的格式），課上師生交流時再在此基礎上進一步完善。

表遺傳物質的研究及遺傳規律發現的科學史

這樣的專題訓練才能讓考生在遇到以“經典科學史”為背景的高考題時，能順利地調動科學思維，迅速從似曾相識的情境中提取信息，綜合分析，快速找到解決問題的方法，并模仿運用科學家的恰當的專業術語表述出心中所想，答案也就水到渠成了。