分析2019年高考試題 淺談科學(xué)思維的教學(xué)培養(yǎng)

河南 四川

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出，“科學(xué)思維”是指尊重事實和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實的求知態(tài)度，運用科學(xué)的思維方法認(rèn)識事物、解決實際問題的思維習(xí)慣和能力。科學(xué)思維是一種認(rèn)知方式，也是科學(xué)方法的一種具體運用，更是科學(xué)論證的一種能力。高三復(fù)習(xí)教學(xué)中，高考試題是復(fù)習(xí)常用的重要資源，試題講評也是教學(xué)中的重要內(nèi)容。本文以經(jīng)典高考試題為材料，分析試題中科學(xué)思維的考查要素，探討試題中科學(xué)思維的形成過程，嘗試提出培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力的策略。

1.引導(dǎo)學(xué)生讀懂命題人“行話”，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力

各行各業(yè)都有自己的“行話”，表明行業(yè)歸屬，“行內(nèi)人”不能說“行外話”。例如，詩是古代文人的“行話”，唐代詩人王之渙《登鸛雀樓》中“白日依山盡”的“白日”，不僅表達(dá)光輝的太陽，更表達(dá)詩人如日中天的仕途；“依山盡”是詩人表達(dá)自己因遭人誣陷而罷官、仕途不順。而學(xué)生在面對高考試題時也應(yīng)該想到——我們的“同行”是生物學(xué)家，高考試題不是考查死記硬背多少知識，而是檢測學(xué)生是否和命題人一樣去思考生物學(xué)問題。

【例1】（2019年，全國卷Ⅰ，第3題）將一株質(zhì)量為20 g的黃瓜幼苗栽種在光照等適宜的環(huán)境中，一段時間后植株達(dá)到40 g，其增加的質(zhì)量來自于 （ ）

A.水、礦質(zhì)元素和空氣 B.光、礦質(zhì)元素和水

C.水、礦質(zhì)元素和土壤 D.光、礦質(zhì)元素和空氣

【答案】A

【分析】本題考查在具體情境中的光合作用過程，要求學(xué)生基于教材中光合作用的相關(guān)科學(xué)史解釋黃瓜幼苗在光照一段時間后質(zhì)量增加的原因，能科學(xué)認(rèn)識光能轉(zhuǎn)化成有機物中的化學(xué)能與黃瓜幼苗質(zhì)量增加的關(guān)系，科學(xué)推理出環(huán)境中的水可以增加黃瓜幼苗的鮮重，土壤中的礦質(zhì)元素是合成黃瓜幼苗中相關(guān)化合物的原料，科學(xué)論證出空氣中的二氧化碳和水是黃瓜幼苗進(jìn)行光合作用制造有機物增加細(xì)胞干重的主要原因。不少學(xué)生會選擇B項，原因是沒有理性分析光合作用中能量轉(zhuǎn)化和物質(zhì)合成的關(guān)系，錯把光能當(dāng)成了物質(zhì)合成的原料。錯誤選擇C項的學(xué)生是由于沒有辨證認(rèn)識影響光合作用的環(huán)境因素與光合作用原料之間的關(guān)系，與命題人的思維不一致。命題人意在通過此題考查學(xué)生運用科學(xué)思維闡釋黃瓜幼苗質(zhì)量增加的原因，或者說要考查學(xué)生面對一個具體的生物學(xué)現(xiàn)象，其思維過程是怎么樣的，是否具備了科學(xué)論證客觀事物本質(zhì)的科學(xué)思維能力。

【例2】（2019年，全國卷Ⅰ，第6題）某實驗小組用細(xì)菌甲（異養(yǎng)生物）作為材料來探究不同條件下種群增長的特點，設(shè)計了三個實驗組，每組接種相同數(shù)量的細(xì)菌甲后進(jìn)行培養(yǎng)，培養(yǎng)過程中定時更新培養(yǎng)基，三組的更新時間間隔分別為3 h、10 h、23 h，得到a、b、c三條種群增長曲線，如圖1所示。下列敘述錯誤的是 （ ）

圖1 不同培養(yǎng)條件下細(xì)菌種群增長曲線圖

A.細(xì)菌甲能夠?qū)⑴囵B(yǎng)基中的有機物分解成無機物

B.培養(yǎng)基更換頻率的不同，可用來表示環(huán)境資源量的不同

C.在培養(yǎng)到23 h之前，a組培養(yǎng)基中的營養(yǎng)和空間條件都是充裕的

D.培養(yǎng)基更新時間間隔為23 h時，種群增長不會出現(xiàn)J型增長階段

【答案】D

【分析】模型是人們?yōu)榱四撤N特定研究目的而對認(rèn)識對象所做的一種簡化的概括性描述。“模型與建模”思維是科學(xué)思維的重要內(nèi)容，本題考查種群數(shù)量增長的數(shù)學(xué)模型“J”型曲線、“S”型曲線在細(xì)菌培養(yǎng)過程中的實際應(yīng)用。“J”型曲線是種群在環(huán)境資源充足條件下的數(shù)量特征，是對理想條件下種群數(shù)量的推測，自然狀態(tài)下如果遇到資源、空間等方面的限制，種群多數(shù)呈現(xiàn)“S”型增長。本題三個實驗組設(shè)計的自變量為更新培養(yǎng)基的時間間隔，間隔越短種群增長越接近“J”型曲線，但時間間隔為23 h的c組，細(xì)菌培養(yǎng)之初前3 h與a組并無差異，種群在早期會出現(xiàn)“J”型增長階段，所以D項表述錯誤。誤選C項的學(xué)生認(rèn)為種群增長“J”型曲線只是理想狀況，真實情境下并不存在，這樣的思維偏離命題人的考查意圖。可見，命題人的考查意圖是找到“模型與建模”思維的同行共識，也就是生物學(xué)家思考問題的通用習(xí)慣和模式，在這個過程中基于事實和證據(jù)，科學(xué)地概括和描述是解題的關(guān)鍵，最后是“模型與建模”思維在具體情境中得以應(yīng)用。

【例3】（2019年，海南卷，第28題節(jié)選）某自花傳粉植物的矮莖/高莖、腋花/頂花這兩對相對性狀各由一對等位基因控制，這兩對等位基因自由組合。現(xiàn)有該種植物的甲、乙兩植株，甲自交后，子代均為矮莖，但有腋花和頂花性狀分離；乙自交后，子代均為頂花，但有高莖和矮莖性狀分離。回答下列問題。

（1）根據(jù)所學(xué)的遺傳學(xué)知識，可推斷這兩對相對性狀的顯隱性。僅通過對甲、乙自交實驗結(jié)果的分析進(jìn)行推斷的思路是___________________________________________________。

【答案】（1）若甲為腋花，則腋花為顯性，頂花為隱性，若甲為頂花，則腋花為隱性，頂花為顯性；若乙為高莖，則高莖是顯性，矮莖是隱性性狀，若乙為矮莖，則矮莖為顯性，高莖為隱性性狀。

【分析】運用假說-演繹法得出分離定律是高中生物學(xué)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力的重要內(nèi)容，相對性狀顯隱性判斷的前提是自交后代必須出現(xiàn)性狀分離。教材原型為雜合子一代高莖豌豆的后代同時出現(xiàn)高莖和矮莖性狀，題中甲、乙植物的兩對相對性狀的顯隱性未知，要求學(xué)生能遷移運用假說-演繹法，分類討論甲、乙自身的高莖/矮莖、腋花/頂花的情況。甲自交后，子代均為矮莖，但有腋花和頂花性狀分離，乙自交后，子代均為頂花，但有高莖和矮莖性狀分離，所以通過甲的自交情況只能討論腋花/頂花的顯隱性，通過乙的自交情況只能討論高莖/矮莖的顯隱性。在思路呈現(xiàn)時演繹的結(jié)果須匹配相應(yīng)的假說，本題的難點在于科學(xué)論證甲、乙各自性狀的假說，思維的過程包括基于事實和證據(jù)、已知原理推論分析、審視題目中的科學(xué)事實、符合邏輯的科學(xué)論證、清晰表達(dá)的科學(xué)思維，不可把已學(xué)知識或者生物學(xué)結(jié)論當(dāng)成背誦的事實性知識原樣引用。

2.科學(xué)思維呈現(xiàn)模式的構(gòu)建及實例分析

2.1 科學(xué)思維呈現(xiàn)模式

教學(xué)實際中，生命科學(xué)規(guī)律和理論的建立都是歷代生物學(xué)家科學(xué)思維的呈現(xiàn)，若學(xué)生的思維只停留在已構(gòu)建的知識層面，那么在新情境中如何利用已有知識解決未來的問題呢？如何不囿于思維定式，明確命題人的考查意圖，掌握科學(xué)思維的形成過程？科學(xué)推理和科學(xué)論證是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的必經(jīng)途徑，筆者結(jié)合教學(xué)實際，根據(jù)教學(xué)過程中學(xué)生思維的表現(xiàn)，嘗試構(gòu)建科學(xué)思維在真實問題情境中的運用模式（如圖2）。

圖2 科學(xué)思維在真實問題情境中的運用模式

2.2 實例分析

【例4】（2019年，北京卷，第31題節(jié)選）光合作用是地球上最重要的化學(xué)反應(yīng)，發(fā)生在高等植物、藻類和光合細(xì)菌中。

（2）R酶由8個大亞基蛋白（L）和8個小亞基蛋白（S）組成。高等植物細(xì)胞中L由葉綠體基因編碼并在葉綠體中合成，S由細(xì)胞核基因編碼并在__________中由核糖體合成后進(jìn)入葉綠體，在葉綠體的_________中與L組裝成有功能的酶。

（3）研究發(fā)現(xiàn)，原核生物藍(lán)藻（藍(lán)細(xì)菌）R酶的活性高于高等植物。有人設(shè)想通過基因工程技術(shù)將藍(lán)藻R酶的S、L基因轉(zhuǎn)入高等植物，以提高后者的光合作用效率。研究人員將藍(lán)藻S、L基因轉(zhuǎn)入某高等植物（甲）的葉綠體DNA中，同時去除甲的L基因。轉(zhuǎn)基因植株能夠存活并生長。檢測結(jié)果表明，轉(zhuǎn)基因植株中的R酶活性高于未轉(zhuǎn)基因的正常植株。

①由上述實驗?zāi)芊竦贸觥稗D(zhuǎn)基因植株中有活性的R酶是由藍(lán)藻的S、L組裝而成”的推測？請說明理由。

【答案】（2）細(xì)胞質(zhì) 基質(zhì) （3）①不能。轉(zhuǎn)入藍(lán)藻S、L基因的同時沒有去除甲的S基因，無法排除轉(zhuǎn)基因植株R酶中的S是甲的S基因表達(dá)產(chǎn)物的可能性。

【分析】審視科學(xué)研究中存在的觀點或結(jié)論的客觀性、邏輯性是科學(xué)思維的理性內(nèi)核，本題以基因工程技術(shù)為切入點，考查學(xué)生基于試題中的事實和證據(jù)，審視、論證生命現(xiàn)象及規(guī)律的能力。依據(jù)科學(xué)思維在真實情境中運用的模式，第一步，確定本題中的論據(jù)：論據(jù)1為植物R酶（RuBP羧化酶）由8個大亞基蛋白（L）和8個小亞基蛋白（S）組成；論據(jù)2為將藍(lán)藻S、L基因轉(zhuǎn)入某高等植物（甲）的葉綠體DNA中，同時去除甲的L基因；論據(jù)3為轉(zhuǎn)基因植株中的R酶活性高于未轉(zhuǎn)基因的正常植株。第二步，運用科學(xué)思維方法：理性分析轉(zhuǎn)基因高等植物R酶活性高的原因，葉綠體具備藍(lán)藻的S、L基因，失去了自身的L基因，科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)赝评沓龈叩戎参锛扔凶陨淼腟基因也有藍(lán)藻的S基因。第三步，清晰表達(dá)：轉(zhuǎn)基因植株中R酶中的L蛋白來自藍(lán)藻基因編碼，S蛋白來自植物細(xì)胞核基因編碼或者藍(lán)藻基因編碼。所以，不能得出“轉(zhuǎn)基因植株中有活性的R酶是由藍(lán)藻的S、L組裝而成”的推測。

科學(xué)思維展開的過程邏輯必需清晰、嚴(yán)謹(jǐn)，盡量排除人的主觀因素的影響，科學(xué)思維表達(dá)的語言需清晰符合邏輯。該模式要求學(xué)生尊重事實和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實的求知態(tài)度，運用科學(xué)的思維方法（分析與綜合、歸納與演繹、抽象與概括、建立模型、批判性思維）認(rèn)識事物、解決實際問題。強調(diào)生命現(xiàn)象背后的邏輯推理思考，生物學(xué)原理的運用。

3.教學(xué)啟示

3.1 善用教材議題的實證強化科學(xué)思維

科學(xué)思維的培養(yǎng)需要學(xué)生在課堂教學(xué)中擁有適度的自主權(quán)，課堂管理以學(xué)生為中心，開展思考、觀察、提出問題、運用科學(xué)思維論證形成初步觀點、小組討論、形成共識的復(fù)習(xí)模式，這樣構(gòu)建的知識將內(nèi)化為學(xué)生的認(rèn)知能力。教材中酶的特性、探究影響光合作用的因素、DNA半保留復(fù)制方式的教學(xué)都是以探究為主，是學(xué)生主動學(xué)習(xí)的好素材。教師應(yīng)鼓勵學(xué)生依據(jù)事實，組織材料論證科學(xué)議題，然后在小組內(nèi)開展合作學(xué)習(xí)，充分表達(dá)自己的觀點，達(dá)成共識后，用準(zhǔn)確、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼Z言在全班進(jìn)行展示。

教師也可以補充教材中的科學(xué)史素材引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)論證，如在學(xué)習(xí)細(xì)胞器結(jié)構(gòu)和功能的過程中補充溶酶體的發(fā)現(xiàn)、pH偏酸性、溶酶體功能異常的影響等，還可以基于溶酶體對部分致癌物的分解作用，讓學(xué)生辯論溶酶體對腫瘤預(yù)防和治療的意義并提供建議。

3.2 試題“挖井”訓(xùn)練，拓展科學(xué)思維

生物學(xué)科是通過實驗、假說、驗證建立起來的自然科學(xué)，在缺乏主動探究和動手實驗的背景下，習(xí)題課最容易出現(xiàn)的問題就是搞“題海戰(zhàn)”。學(xué)生為了在考試中脫穎而出，反復(fù)“刷題”，而忽略了思維訓(xùn)練活動。在復(fù)習(xí)過程中，教師應(yīng)調(diào)動學(xué)生積極思考、討論交流，并針對學(xué)生在交流過程中暴露的思維問題進(jìn)行有效指導(dǎo)。對題型的剖析應(yīng)該是“挖井”而不是“刨坑”，前者在于探索科學(xué)問題背后的理論形成機制，從而得到知識遷移的“源泉”，后者則更注重量的積累。“挖井”揭示題目考查知識運用的邏輯規(guī)律，對學(xué)生共同的疑問點做到解惑到底，講明、講清、講透、講通，從而達(dá)到以科學(xué)思維為載體的關(guān)鍵能力的遷移；“刨坑”是追求練題及講題的數(shù)量提高，這樣停留在剖析題目本身，忽略了科學(xué)思維的形成，就會做很多低效而又重復(fù)的工作。科學(xué)思維的培養(yǎng)需要對題目進(jìn)行深度挖掘，應(yīng)包括適度延伸、類型總結(jié)、知識遷移、構(gòu)建概念、發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)。

4.結(jié)語

科學(xué)思維是學(xué)生思維呈現(xiàn)的過程，也是學(xué)科核心素養(yǎng)的重要體現(xiàn)。新時代學(xué)生在面對真實、新穎的問題情境時，必須要讀懂命題人的“行話”，學(xué)會用科學(xué)思維方法獲取題中關(guān)鍵信息，提高學(xué)習(xí)遷移能力，歸納科學(xué)思維的形成過程，才能正確解題。在課堂教學(xué)中開展以激發(fā)學(xué)生思考為主體的科學(xué)推理和科學(xué)論證，運用批判性思維突破思維定式，在練習(xí)中注重探究活動的設(shè)計和科學(xué)思維的準(zhǔn)確表達(dá)，才能落實學(xué)生自主學(xué)習(xí)，獨立思考，學(xué)會獲取、判斷和處理目標(biāo)的信息，培養(yǎng)學(xué)生具備信息化時代的學(xué)習(xí)與發(fā)展能力。