基于科學(xué)解釋模型和SOLO 分類理論談科學(xué)解釋試題測評

河北

目前科學(xué)教育正在從過去重視對事實知識的獲得，到現(xiàn)在重視對科學(xué)知識與探究歷程的理解轉(zhuǎn)變，因此鼓勵學(xué)生表達(dá)和論證觀點，能促進他們更好地理解學(xué)科概念?？茖W(xué)解釋類試題不僅可以作為評價學(xué)生對概念理解程度的工具，而且也是測評科學(xué)思維品質(zhì)的重要手段，具有很好的區(qū)分度，因此成為每年試題命制的重要視角。本文嘗試從科學(xué)解釋模型、基于SOLO 分類理論對學(xué)生作答科學(xué)解釋類試題進行分級兩個角度談?wù)劰P者的一點思考，以期對教師和學(xué)生的高考復(fù)習(xí)起到拋磚引玉的作用。

一、科學(xué)解釋

（一）定義

科學(xué)解釋包括用批判性和邏輯性思維思考證據(jù)和解釋之間的關(guān)系。

科學(xué)解釋包括三個要素：提出主張、使用證據(jù)和科學(xué)推理支持主張。主張是對某一現(xiàn)象或數(shù)據(jù)所做的陳述。證據(jù)主要指《中國高考評價體系》中必備知識，即《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)》）規(guī)定的必修內(nèi)容和選擇性必修內(nèi)容，由生物學(xué)的基本概念、基本規(guī)律、基本方法組成的學(xué)科知識體系。科學(xué)推理主要指《課程標(biāo)準(zhǔn)》中科學(xué)思維的要素，如歸納與概括、演繹與推理等。

（二）模型

現(xiàn)行高考生物測評涉及的科學(xué)解釋模型主要有如下三種：

1.演繹-規(guī)律解釋模型（D-N 模型）

該模型由亨普爾和奧本海默于1948 年提出。該模型建立的假設(shè)是“自然界的圖景可以被表達(dá)和概括出來作為‘自然定律’”?？茖W(xué)解釋就是為某自然定律所蘊含的現(xiàn)象建構(gòu)意義，即從一般性的前提出發(fā)，通過推導(dǎo)得出具體陳述或個別結(jié)論。

該模型的解釋分為兩部分：

（1）被解釋項：描述需要被解釋的現(xiàn)象的句子，是考生需要完成的測評情境；（2）解釋項：引用的以解釋現(xiàn)象的句子集合，包括陳述前提條件的句子（條件） 和引用普適定律的句子（必備知識或“超標(biāo)”的生物學(xué)概念）。

例如“從細(xì)胞水平解釋胚芽鞘向光彎曲生長的原因”：

被解釋項：在單側(cè)光照射下，胚芽鞘向光彎曲生長。

解釋項：多細(xì)胞生物體體積的增大，既靠細(xì)胞生長增大細(xì)胞的體積，還靠細(xì)胞分裂增加細(xì)胞的數(shù)量；背光側(cè)與向光側(cè)的細(xì)胞體積顯微圖像。

科學(xué)解釋：在細(xì)胞數(shù)量相同的情況下，背光側(cè)細(xì)胞體積大于向光側(cè)細(xì)胞體積，因此胚芽鞘向光彎曲生長。

2.歸納-統(tǒng)計模型（I-S 模型）

該模型提出的背景是20 世紀(jì)時原子物理、遺傳學(xué)和量子力學(xué)等領(lǐng)域取得了舉世矚目的成就，而這些領(lǐng)域中的許多科學(xué)解釋都以統(tǒng)計和概率為核心。亨普爾拓展了科學(xué)解釋模型，提出了歸納-統(tǒng)計模型，即透過個別事物和現(xiàn)象認(rèn)識隱藏在其中的普遍規(guī)律和本質(zhì)。

例如建構(gòu)細(xì)胞分化的概念：

被解釋項：實例①比較構(gòu)成人體組織的細(xì)胞的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能；實例②比較植物體的不同細(xì)胞的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能。

解釋項：由實例①和實例②分別歸納概括，可得人體或植物體的各種細(xì)胞在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能上各不相同，但它們都源自早期胚胎細(xì)胞。進一步歸納概括，可得①細(xì)胞分化在自然界的生物體中普遍存在；②“細(xì)胞在發(fā)育過程中已在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能上發(fā)生了變化”這一細(xì)胞分化概念的基本內(nèi)涵。

科學(xué)解釋：細(xì)胞分化是在個體發(fā)育中，由一個或一種細(xì)胞增殖產(chǎn)生的后代，在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和生理功能上發(fā)生穩(wěn)定性差異的過程。

3.類比推理模型

類比推理模型的假設(shè)是新異事件與經(jīng)驗中的熟悉事件具有許多共同要素；某解釋項與熟悉事件之間存在解釋關(guān)系，推出該解釋項與新異事件也存在解釋關(guān)系。

例如薩頓提出的“基因在染色體上”的假說：

被解釋項：染色體與基因的相似性（見表1）。

解釋項：基因控制生物體性狀；遺傳物質(zhì)是親代與子代之間傳遞遺傳信息的物質(zhì)。

科學(xué)解釋：染色體控制生物體性狀，是遺傳物質(zhì)。進一步推論，可得基因是一種物質(zhì)，位于染色體上。

表1 染色體與基因的相似性

二、典型試題分析

筆者基于SOLO 分類理論對學(xué)生作答進行分級。（SOLO 分類評價法見筆者發(fā)表在《教學(xué)考試》2019 年第4 期《SOLO 分類評價法在“原因類”試題中的應(yīng)用》一文）

【例1】（2019 年，全國卷Ⅲ，第30 題節(jié)選）動物初次接受某種抗原刺激能引發(fā)初次免疫應(yīng)答，再次接受同種抗原刺激能引發(fā)再次免疫應(yīng)答。某研究小組取若干只實驗小鼠分成四組進行實驗，實驗分組及處理見表2。

表2

回答下列問題。

（3）A 組小鼠再次注射抗原甲，一段時間后取血清，血清中加入抗原甲后會出現(xiàn)沉淀，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是_____________________________。

【答案】（3）抗原與抗體特異性結(jié)合

【試題分析】

（1）類型判斷：基于對必備知識的理解，運用演繹-規(guī)律模型解釋生活、學(xué)習(xí)和實踐情境。

（2）必備知識：抗體是機體受到抗原刺激后產(chǎn)生的，并且是能與該抗原發(fā)生特異性結(jié)合的具有免疫功能的球蛋白，主要分布于血清中，也分布于組織液及外分泌液中。

（3）學(xué)生作答：學(xué)生作答的水平劃分見表3。

表3 學(xué)生對例1 作答的水平劃分

【例2】（2016 年，全國卷Ⅲ，第30 題節(jié)選）回答下列問題：

（2）在饑餓條件下，一段時間內(nèi)人體血漿中葡萄糖和酮體濃度變化的趨勢如圖1 所示。酮體是脂肪酸分解代謝的中間產(chǎn)物，其酸性較強。人在某些情況下不能進食時，需要注射葡萄糖溶液，據(jù)圖1 分析，注射葡萄糖溶液除了可以滿足能量需求外，還可以__________________。

圖1

【答案】（2）避免因酮體濃度升高而引起的內(nèi)環(huán)境pH 下降

【試題分析】

（1）類型判斷：基于對“超標(biāo)概念”的理解，運用演繹-規(guī)律解釋模型解釋生活、學(xué)習(xí)和實踐情境。

（2）必備知識：“超標(biāo)概念”，即以文字的形式呈現(xiàn)“酮體是脂肪酸分解代謝的中間產(chǎn)物，其酸性較強”；以曲線圖形式呈現(xiàn)“血漿中酮體濃度與葡萄糖濃度呈負(fù)相關(guān)”。

（3）學(xué)生作答：學(xué)生作答的水平劃分見表4。

表4 學(xué)生對例2 作答的水平劃分

【例3】（2016 年，全國卷Ⅰ，第30 題節(jié)選）為了探究生長條件對植物光合作用的影響，某研究小組將某品種植物的盆栽苗分成甲、乙兩組，置于人工氣候室中，甲組模擬自然光照，乙組提供低光照，其他培養(yǎng)條件相同。培養(yǎng)較長一段時間（T）后，測定兩組植株葉片隨光照強度變化的光合作用強度（即單位時間、單位葉面積吸收CO2的量），光合作用強度隨光照強度的變化趨勢如圖2 所示?；卮鹣铝袉栴}：

圖2

（3）播種乙組植株產(chǎn)生的種子，得到的盆栽苗按照甲組的條件培養(yǎng)T 時間后，再測定植株葉片隨光照強度變化的光合作用強度，得到的曲線與甲組的相同。根據(jù)這一結(jié)果能夠得到的初步結(jié)論是________________。

【答案】乙組光合作用強度與甲組的不同是由環(huán)境因素低光照引起的，而非遺傳物質(zhì)的改變造成的

【試題分析】

（1）類型判斷：基于對實驗證據(jù)的理解，運用歸納-統(tǒng)計模型解釋科學(xué)實驗和探究情境。

（2）必備知識：基因與基因、基因與基因產(chǎn)物、基因與環(huán)境之間存在著復(fù)雜的相互作用，這種相互作用形成了一個錯綜復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，精細(xì)地調(diào)控著生物體的性狀。

（3）學(xué)生作答：本題還涉及比較思維方法和探求因果聯(lián)系的邏輯方法。學(xué)生作答的水平劃分見表5。

表5 學(xué)生對例3 作答的水平劃分

【例4】（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3 所示。下列敘述錯誤的是 （ ）

圖3

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

【試題分析】

（1）類型判斷：基于對必備知識的理解，運用類比推理模型解釋科學(xué)實驗和探究情境。

（2）必備知識：種群的“J”型增長模型和“S”型增長模型比較。

（3）解題思路：由“培養(yǎng)基的更新時間間隔分別為3 h、10 h、23 h”可知，提供給不同組細(xì)菌生長的營養(yǎng)物質(zhì)的量是不同的，即①a 組的環(huán)境資源量最充裕；②a 組細(xì)菌種群增長曲線大致呈“J”型。綜合①②發(fā)現(xiàn)：a 組細(xì)菌培養(yǎng)條件、結(jié)果與種群的“J”型增長模型、時間-種群數(shù)量曲線均相似，因此可以推理得出“a 組培養(yǎng)基中的營養(yǎng)和空間條件都是充裕的”，C 正確。培養(yǎng)基更新時間間隔為23 h（c 組）時，培養(yǎng)初期的曲線與a 組（已判斷符合“J”型增長）重合（相似），因此c 組在培養(yǎng)初期出現(xiàn)“J”型增長階段，D 錯誤。

基于以上分析，科學(xué)解釋測評不僅涉及對必備知識的理解、從情境中提取與主張相關(guān)的證據(jù)，還有科學(xué)解釋模型的運用，因此在備考過程中，教師和考生可以從上述三個角度分析考生的作答，以達(dá)到精準(zhǔn)復(fù)習(xí)的目的。