基于科學(xué)思維培養(yǎng)的復(fù)習(xí)教學(xué)
——以“生態(tài)系統(tǒng)的信息傳遞”為例

四川

“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，筆者以“生態(tài)系統(tǒng)的信息傳遞”復(fù)習(xí)教學(xué)為例，對培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的教學(xué)策略進行探討。

1.《課程標(biāo)準(zhǔn)》的要求及分析

依據(jù)《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）》，學(xué)生通過“生態(tài)系統(tǒng)的信息傳遞”學(xué)習(xí)，能舉例說出生態(tài)系統(tǒng)中物理、化學(xué)和行為信息的傳遞對生命活動的正常進行、生物種群的繁衍和種間關(guān)系的調(diào)節(jié)起著重要作用，達(dá)到能說明生態(tài)系統(tǒng)中信息傳遞的過程和特征，并對相關(guān)的生態(tài)學(xué)實踐應(yīng)用作出合理的分析和判斷的學(xué)業(yè)要求。因此，學(xué)生要理解生態(tài)系統(tǒng)的信息傳遞及其與其他相關(guān)知識之間的聯(lián)系和區(qū)別，并能在較復(fù)雜的情境中綜合運用其進行分析、判斷和推理。信息傳遞是生態(tài)系統(tǒng)的功能之一，與能量流動和物質(zhì)循環(huán)一起將生態(tài)系統(tǒng)的各組成成分聯(lián)系為一個整體，共同維系著生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。聯(lián)系整個生命系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次，“生態(tài)系統(tǒng)的信息傳遞”與 “細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能”“細(xì)胞核的結(jié)構(gòu)和功能”“遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯”和 “動物和人體生命活動的調(diào)節(jié)”“植物的激素調(diào)節(jié)”等生物學(xué)基礎(chǔ)知識和原理，共同構(gòu)成了從細(xì)胞到生態(tài)系統(tǒng)的整個生命系統(tǒng)信息傳遞的有機整體。

基于以上分析，在高考復(fù)習(xí)中可運用問題引領(lǐng)和模型建構(gòu)的教學(xué)策略，通過比較分析、深化概念→構(gòu)建模型、發(fā)展思維→設(shè)計實驗、科學(xué)探究→實踐應(yīng)用、落實責(zé)任，讓學(xué)生在整合中深化學(xué)習(xí)，深度理解生物學(xué)核心概念，實現(xiàn)知識的系統(tǒng)性和綜合性，提升科學(xué)思維和科學(xué)探究等生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，發(fā)展學(xué)生的理解能力、實驗與探究能力、解決問題能力和創(chuàng)新能力（如圖1）。

2.比較分析、深化概念

教師向?qū)W生展示生態(tài)農(nóng)場圖片，以種植了一些糧食作物，栽培了許多果樹，飼養(yǎng)著優(yōu)質(zhì)的家禽、家畜等的生態(tài)農(nóng)場創(chuàng)設(shè)情境，整個復(fù)習(xí)過程圍繞生態(tài)農(nóng)場這一主題展開。

教師呈現(xiàn)以下問題串，學(xué)生自主學(xué)習(xí)或小組討論，分析回答。

（1）生態(tài)農(nóng)場中的信息有哪幾類并舉例，它們分別來源于什么？各以什么形式進行傳遞？請你列表（如表1）進行比較。

表1 比較生態(tài)系統(tǒng)中信息的種類

續(xù)表

（2）農(nóng)場生產(chǎn)中，用某種波長的光信息處理萵苣種子，以促進其萌發(fā)生長；每天給生長到一定階段的菊花植株遮光，以控制日照時間，使秋菊夏開；牧草返青時，“綠色”為牛羊提供可采食的信息。以上現(xiàn)象分別說明信息傳遞在生態(tài)系統(tǒng)中有什么作用？

（3）信息傳遞、能量流動和物質(zhì)循環(huán)一起將生態(tài)農(nóng)場的各組成成分聯(lián)系為一個整體，請你列表（如表2）比較三者的區(qū)別和聯(lián)系。

表2 比較生態(tài)系統(tǒng)的功能

圖2 生命系統(tǒng)的信息傳遞概念模型

以問題引領(lǐng)驅(qū)動學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)、合作討論，比較生態(tài)農(nóng)場中信息的種類和信息傳遞與能量流動及物質(zhì)循環(huán)的關(guān)系，辨析信息傳遞在生態(tài)系統(tǒng)中的作用，對已獲得的知識進行再現(xiàn)和再認(rèn)識，幫助學(xué)生理解生態(tài)系統(tǒng)中信息的種類，信息傳遞在生態(tài)系統(tǒng)中的作用及能量流動、物質(zhì)循環(huán)與信息傳遞的關(guān)系，內(nèi)化知識，深化概念，訓(xùn)練學(xué)生歸納與概括的科學(xué)思維。

3.構(gòu)建模型、發(fā)展思維

教師提出：農(nóng)場中，信息傳遞可發(fā)生在細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞間，也可發(fā)生在個體、種群和生態(tài)系統(tǒng)，請你用文字和箭頭等構(gòu)建“細(xì)胞→個體→種群→生態(tài)系統(tǒng)”的生命系統(tǒng)的信息傳遞概念模型。

學(xué)生思考、小組討論，建構(gòu)模型（如圖2）。

通過自主思考、小組討論，構(gòu)建生命系統(tǒng)的信息傳遞的概念模型，將知識整合，對知識結(jié)構(gòu)進行再優(yōu)化，可幫助學(xué)生理解知識點之間的內(nèi)在聯(lián)系，建立起更高級的邏輯關(guān)系和更深刻的知識體系。在構(gòu)建、修正和完善模型的過程中培養(yǎng)學(xué)生模型與建模的科學(xué)思維和批判性思維，使其認(rèn)識到生命系統(tǒng)的各結(jié)構(gòu)層次相互聯(lián)系成為一個統(tǒng)一的整體，各層次功能的協(xié)調(diào)離不開信息傳遞且依賴于信息傳遞，通過調(diào)控實現(xiàn)生命系統(tǒng)各層次的穩(wěn)態(tài)，使學(xué)生感悟信息與調(diào)控、穩(wěn)態(tài)與平衡的生命觀念。

4.設(shè)計實驗、科學(xué)探究

教師介紹相關(guān)背景知識：（1）某些雌蟲腹部末端能釋放出性外激素來吸引雄蟲，如家蠶、蛾等。只要雌蟲分泌數(shù)量極其微小的性外激素（每毫升空氣中存在幾千個，甚至幾百個性外激素分子，大約十億分之一克左右），就能被距離數(shù)百米到千米左右以外的雄蟲所感知，從而找到伴侶進行交配。（2）各種昆蟲的性外激素有其特異性，僅對同種的昆蟲起作用。目前，一些種類的昆蟲性外激素的化學(xué)結(jié)構(gòu)已被弄清，它們大都屬于酯類、醇類或有機酸類。科學(xué)家現(xiàn)已可以合成一些昆蟲的性外激素，用作性引誘劑，再與黑光燈誘捕法或殺蟲劑相結(jié)合防治害蟲，取得了顯著的殺蟲效果。

教師提出問題：通過對農(nóng)場中害蟲的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，玉米螟蟲害將大量發(fā)生，現(xiàn)欲利用人工合成的玉米螟性引誘劑結(jié)合黑光燈誘捕法或殺蟲劑進行綜合防治。請你從以下材料和用具中選擇合適的實驗材料，設(shè)計實驗證明玉米螟性引誘劑能吸引玉米螟雄蛾前來交尾。（要求寫出實驗設(shè)計思路并預(yù)期結(jié)果）

材料和用具：適量玉米螟雌蛾（玉米螟的成熟雌性個體）、透氣和不透氣的籠子（數(shù)量足夠）、遮光布和濾紙（數(shù)量足夠）、適量人工合成的玉米螟性引誘劑等。

學(xué)生分析思考、小組討論，合作學(xué)習(xí)，設(shè)計、完善實驗。

學(xué)生根據(jù)實驗?zāi)康模治鲇懻摚x擇合適的材料和用具設(shè)計實驗。小組1：透氣籠子中放入雌蛾、透氣籠子中放入性引誘劑、不透氣的籠子中放入雌蛾，三組均用遮光布罩住，一段時間后，透氣籠子中放入雌蛾組和透氣籠子中放入性引誘劑組有雄蛾飛來，不透氣的籠子中放入雌蛾組無雄蛾飛來。小組2：透氣籠子中放入放置過雌蛾的濾紙、透氣籠子中放入有性引誘劑的濾紙、透氣籠子中放入空白濾紙，一段時間后，放置過雌蛾的濾紙組和有性引誘劑的濾紙組有雄蛾飛來，空白濾紙組無雄蛾飛來……在設(shè)計實驗過程中，學(xué)生充分表達(dá)和交流，不斷修正、完善實驗方案并用生物學(xué)科語言進行有邏輯的表達(dá)，思維深度碰撞，培養(yǎng)了學(xué)生的團隊合作精神，發(fā)展了學(xué)生的批判性思維和創(chuàng)造性思維，提高了學(xué)生的科學(xué)探究能力。

5.實踐應(yīng)用、落實責(zé)任

教師提出生產(chǎn)實踐問題：生態(tài)農(nóng)場中種植了糧食作物，栽培了果樹，飼養(yǎng)著優(yōu)質(zhì)的家禽、家畜。你將利用哪些與信息傳遞有關(guān)的措施來提高各類農(nóng)畜產(chǎn)品的產(chǎn)量？

學(xué)生分析、討論回答。

運用“生態(tài)系統(tǒng)的信息傳遞”的科學(xué)原理，學(xué)生分析、討論，舉例說出利用信息傳遞來提高各類農(nóng)畜產(chǎn)品產(chǎn)量的措施，如：①利用趨光性對害蟲進行誘殺；②延長光照時間提高家禽產(chǎn)蛋率；③用一定頻率聲波處理，提高蔬菜、谷類作物種子的發(fā)芽率；④釋放過量人工合成的性引誘劑，干擾害蟲的正常交尾；⑤利用人工合成的各種化學(xué)信息素吸引傳粉昆蟲，提高果樹及作物的傳粉率和結(jié)實率……總結(jié)信息傳遞在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用：一是提高農(nóng)產(chǎn)品或畜產(chǎn)品的產(chǎn)量，二是對有害動物進行控制。此環(huán)節(jié)可以幫助學(xué)生形成運用課堂所學(xué)解決現(xiàn)實問題的意識，增強學(xué)生嘗試解決生產(chǎn)生活中生物學(xué)問題的擔(dān)當(dāng)與能力，訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)造性思維，增強社會責(zé)任感。

6.真題和變式訓(xùn)練、發(fā)展思維

以高考真題為基礎(chǔ)，在課堂復(fù)習(xí)和練習(xí)中滲透真題并進行變式訓(xùn)練，有效檢測和幫助學(xué)生理解所涉及的知識內(nèi)容，在辨析和有邏輯的表達(dá)中發(fā)展科學(xué)思維。

【典例1】（2018 年，海南卷，第19 題）某同學(xué)將一面鏡子豎立在一棵樹旁，該樹上的一只小鳥飛到鏡前，對著鏡子中的“小鳥”憤怒地啄擊撲打。下列關(guān)于該事件中信息傳遞的敘述，錯誤的是 （ ）

A.小鳥啄擊撲打的動作本身是一種行為信息

B.小鳥的眼睛能夠感受鏡子發(fā)出的物理信息

C.小鳥把鏡子傳遞的信息當(dāng)作來自入侵者的信息

D.激怒小鳥的信息是直接來自非生物的化學(xué)信息

【答案】D

【試題分析】本題呈現(xiàn)的是簡單的學(xué)習(xí)探究情境，體現(xiàn)了學(xué)業(yè)質(zhì)量水平“科學(xué)思維”的二級水平——能夠用簡單的生物學(xué)概念解釋相應(yīng)的生命現(xiàn)象。本題考查生態(tài)系統(tǒng)中信息的種類，涉及物理信息（生態(tài)系統(tǒng)中的光、聲、溫度、濕度、磁力等通過物理過程傳遞的信息）、化學(xué)信息（生物在生命活動中產(chǎn)生的一些可以傳遞信息的化學(xué)物質(zhì)，如植物的生物堿、有機酸、動物的性外激素等）、行為信息（動物的特殊行為，對于同種或異種生物也能夠傳遞某種信息）等概念。學(xué)生運用所學(xué)理論知識聯(lián)系實際準(zhǔn)確判斷：小鳥啄擊撲打的動作本身是一種行為信息；小鳥的眼睛能夠感受鏡子發(fā)出的光，這屬于物理信息；激怒小鳥的信息是直接來自非生物的物理信息。在概念辨析過程中可培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維的全面性和嚴(yán)謹(jǐn)性。

【典例2】（2020 年，自貢二診，第31 題節(jié)選）DMS（二甲基硫醚）是一種對氣候有明顯影響的氣體，海洋中生成DMS 的主要過程如圖3。回答下列問題：

圖3

（2）中間產(chǎn)物X 的濃度上升到一定程度時，它能作為一種___________信息使浮游動物對圓石藻的捕食明顯減少，這體現(xiàn)了生態(tài)系統(tǒng)中信息傳遞的作用是______________________________。

【答案】化學(xué) 調(diào)節(jié)生物的種間關(guān)系，以維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定

【試題分析】此題呈現(xiàn)了一個較為復(fù)雜的學(xué)習(xí)探索情境，體現(xiàn)學(xué)業(yè)質(zhì)量水平“科學(xué)思維”的三級水平——基于事實和證據(jù)，運用歸納的方法概括出生物學(xué)規(guī)律，考查生態(tài)系統(tǒng)中信息的種類和信息傳遞在生態(tài)系統(tǒng)中的作用。完成本小題學(xué)生需要獲取的信息有：①中間產(chǎn)物X 是圓石藻在生命活動過程中產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)；②中間產(chǎn)物X 的濃度上升到一定程度時使浮游動物對圓石藻的捕食明顯減少。運用歸納與概括的科學(xué)思維，基于生物學(xué)事實，總結(jié)出中間產(chǎn)物X 的濃度上升到一定程度時，它能作為一種化學(xué)信息使浮游動物對圓石藻的捕食明顯減少，這有利于調(diào)節(jié)生物的種間關(guān)系，以維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定的科學(xué)論斷。在獲取有效信息和判斷推理的過程中培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維的嚴(yán)謹(jǐn)性、深刻性，在有邏輯的表達(dá)中培養(yǎng)學(xué)生思維的流暢性，發(fā)展學(xué)生獲取信息的能力和理解能力。

本節(jié)課創(chuàng)設(shè)生態(tài)農(nóng)場這一生產(chǎn)情境，圍繞解決生產(chǎn)中的一系列問題展開復(fù)習(xí)，為學(xué)生提供了真實的表現(xiàn)機會。在問題引領(lǐng)和任務(wù)驅(qū)動下，學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)、小組討論、合作探究，靈活運用所學(xué)的知識和能力，解決真實、具體、富有價值的問題。通過主動加工，構(gòu)建生命系統(tǒng)的信息傳遞概念模型，促進學(xué)生對細(xì)胞、個體、種群、生態(tài)系統(tǒng)的信息傳遞的深度理解和內(nèi)容的有機整合。總之，整個教學(xué)過程中通過基于問題的學(xué)習(xí)和模型建構(gòu)使學(xué)生實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)，發(fā)展了學(xué)生的批判性思維和創(chuàng)造性思維，提高了學(xué)生的科學(xué)探究能力。