2018年高考生物试题科学思维素养考查分析及教学启示

申定健

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称《课标》）将生物学核心素养水平划分了4个等级，来准确刻画学生学业质量和学业成就表现，并以此作为考试命题的重要依据。科学思维作为生物学核心素养的重要组成部分，不仅是生物学课程性质的重要体现，更是高考考查的重点。以2018年全国III卷生物试题为例，尝试运用科学思维素养水平进行考查分析，以求把握高考对教学的导向，为培养学生科学思维素养提出教学建议。

1科学思维素养和素养水平等级划分

1.1科学思维素养定义

《课标》将“科学思维”素养定义为是指尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度，运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力。学生应该在学习过程中逐步发展科学思维，如能够基于生物学事实和证据运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维、创造性思维等方法，探讨、阐释生命现象及规律，审视或论证生物学社会议题。

1.2科学思维能力素养水平等级划分

以《课标》中学生科学思维素养的学业质量水平为依据，将科学思维素养水平分出4个等级（表1）。科学思维素养的每一级水平体现了学生不同水平差异，主要表现为学生在不同复杂程度的情景中运用探究方法解决问题的程度，素养水平逐级递进。在科学思维素养四级水平中，一、二级水平解决问题的情景相对简单和解决问题的程度相对较低，作为生物学科学业水平合格考试的考查要求和命题依据;三、四级水平解决问题的情景相对复杂且要求较高，作为本学科学业水平等级考试的考查要求和命题依据。

2基于科学思维素养四个水平的高考实验试题分析实例

2.1一级水平考查

【例1】（2018年高考全国Ⅲ卷第3题）神经细胞处于静息状态时，细胞内外K+和NNa+的分布特征是（）

A.细胞外K+和Na*浓度均高于细胞内

B.細胞外K+和Na+浓度均低于细胞内

C.细胞外K+浓度高于细胞内，Na+相反

D.细胞外K+浓度低于细胞内，Na+相反

参考答案：D。

分析：本题依据神经细胞的“静息电位”基本概念，以K+外流形成神经细胞静息电位状态时，要求学生用己建立起的静息电位这一概念对神经细胞K+和Na+在细胞内外分布情况的进行解释，归属于“能用概念解释简单的生命现象”，考查科学思维素养一级水平。

2.2二级水平考查

【例2】（2018年高考全国Ⅲ卷第29题节选）回答下列问题：

（2）植物的叶面积与产量关系密切，叶面积系数（单位土地面积上的叶面积总和）与植物群体光合速率、呼吸速率及干物质积累速率之间的关系如图1所示。由图可知：当叶面积系数小于a时，随叶面积系数增加，群体光合速率和干物质积累速率均——。当叶面积系数超过6时，群体干物质积累速率降低，其原因是——。

（3）通常，与阳生植物相比，阴生植物光合作用吸收与呼吸作用放出的C02量相等时所需要的光照强度——（填“高”或“低”）。

参考答案：（2）增加群体光合速率不变，但群体呼吸速率仍在增加，故群体干物质积累速率降低

（3）低

分析：本题第（2）小题题干与曲线图给出3个基本概念——群体光合速率、呼吸速率及干物质积累速率，绿色植物在光下同时进行光合作用和呼吸作用的前提下，存在“群体光合速率=群体净光合速率+群体呼吸速率”的数学关系，其中净光合速率也可以用干物质积累速率表示，故第二空考查学生基于三种速率的概念关系，结合曲线图解释当叶面积系数超过6时群体干物质积累速率降低的原因，归属于“基于简单的生物学概念，用文字正确解释相应的生命现象”，考查科学思维素养二级水平。

【例3】（2018年高考全国Ⅲ卷第30题节选）回答下列与蛋白质相关的问题：

（2）通常，细胞内具有正常生物学功能的蛋白质需要有正确的氨基酸序列和

结构。某些物理或化学因素可以导致蛋白质变性。通常，变性的蛋白质易被蛋白酶水解，原因是——。

（3）如果DNA分子发生突变，导致编码正常血红蛋白多肽链的mRNA序列中一个碱基被另一个碱基替换，但未引起血红蛋白中氨基酸序列的改变，其原因可能是遗传密码——。

参考答案：（2）空间蛋白质变性后使肽链暴露，暴露的肽键易与蛋白酶接触，使蛋白质降解

（3）具有简并性

分析：给出“蛋白质变性”的基本概念，基于蛋白质变性实质是蛋白质空间结构改变的概念认识，解释“变性的蛋白质易被蛋白酶水解”的生命现象，以及第（3）小题给出DNA分子突变导致的mRNA上密码子中的一个碱基替换，但相应蛋白的氨基酸序列发生变化，说明前后密码子编码同一个氨基酸，考查遗传密码的“简并性”概念，即可用该概念进行解释该生命现象。第（2）小题第2空和第（3）小题归属于“基于简单的生物学概念，用文字正确解释相应的生命现象”，考查科学思维素养二级水平。

2.3三级水平考查

【例4】（2018年高考全国III卷第31题）某小组利用某二倍体自花传粉植物进行两组杂交实验，杂交涉及的四对相对性状分布是：红果（红）与黄果（黄），子房二室（二）与多室（多）。圆形果（圆）与长形果（长），单一花序（单）与复状花序（复）。实验数据见表2。

回答下列问题

（1）根据表中数据得出的结论是：控制甲组两对相对性状的基因位于

上。依据是

;控制乙组两对相对性状的基因位于

（填“一对”或“两对”）同源染色体上，依据是——。

（2）某同学若用“长复”分别与乙组的两个F。进行杂交，结合表中数据分析，其子代的统计结果不符合——的比。

参考答案：（1）非同源染色体F：中两对相对性状表现型的分离比为9：3：3：1一对F2中每对相对性状表现型比符合3：1，而两对相对性状表现型的分离比不符合9：3：3：1

（2）1：1：1：1

分析：本题给出四对相对性状的四组杂交实验的Fl和F2表现型和性状分离比，需要基于相对性状的显隐性关系和性状分离比分析，以符合自由组合定律的9：3：3：1性状分离比和分离定律的3：1性状分离比作为标准参照，判断控制4对相对性状的基因位置关系，这就要求学生从杂交实验的事实出发，运用归纳的方法概括出4对相对性状的F，和F2表现型和性状分离比，运用两大遗传定律分析该遗传实验过程，从而判断控制相对性状的基因位置和阐述判断依据，属于“能够基于事实和证据，运用归纳的方法概括出生物学规律，运用生物学规律和原理，对可能的结果作出解释，并能够选择文字、图示或模型等方式进行表达并阐明其内涵”，考查科学思维素养三级水平。

此外，上述“例2”2018年高考全国Ⅲ卷第29题第（3）小题给出“植物光合作用吸收与呼吸作用放出的C02量相等时”条件，即处于为光补偿点时，比较阳生植物和阴生植物需要的光照强度大小，考查学生基于补偿点的理解和认识，运用光合作用原理，比较阳生植物和阴生植物需要的光照强度差异，对可能的结果作出预测，同样考查科学思维素养三级水平。

2.4四级水平考查

【例5】（2018年高考全国Ⅲ卷第32题节选）图2是某农业生态系统模式图

（2）根据生态系统中分解者的作用，若要采用生物方法处理生活垃圾，在确定处理生活垃圾的方案时，通常需要考虑的因素可概括为3个方面，即——。

参考答案：（2）待分解垃圾的性质，引进的分解者生物的种类，处理环境的理化条件

分析：本题第（2）小题给出“根据生态系统中分解者的作用，若要采用生物方法处理生活垃圾”新的问题情境，考查学生“在确定处理生活垃圾的方案时需要考虑的因素”。这就要求学生能够面对生活中与生物学相关的新问题情境中，基于事实和证据，采用创造性思维方法思考在确定处理生活垃圾的方案时需要考虑的因素，并选用文字进行表达、阐明其内涵，考查科学思维素养四级水平。

3基于科学思维素养水平培养的教学启示

3.1教学应充分利用教材素材强化思维训练

教材是重要的教学资料，教师要充分利用好教材中素材，针对科学思维的5种思维方式进行强化训练。

3.1.1归纳与概括思维

教材中通过归纳与概括方式呈现的知识有很多，如氨基酸结构通式、细胞学说建立、细胞的统一性和多样性、生物膜系统的功能、细胞核的功能、酶的特性、基因突变的概念、基因与性状的关系、基因控制生物性状的方式、生态系统信息传递的功能等。教师利用好教材的素材，以问题形式培养学生归纳与概括的能力。例如，学习酶的特性时，可利用“比较过氧化氢在不同条件下的分解”教材实验，让学生比较加酶与加FeCl3无机催化剂实验现象的异同，概括出酶的高效性;利用教材“学科交叉”资料，让学生比较“淀粉在淀粉酶和蔗糖酶以及在无机酸的催化下分解”现象，概括出酶的专一性等。

3.1.2演绎与推理思维

教材通过演绎推理方式提出假说的实例也很多，诸如孟德尔根据豌豆杂交实验结果提出遗传定律假说，摩根尔根据果蝇杂交实验提出果蝇的白眼基因位于x染色体上假说，魏斯曼根据体细胞分裂前后染色体数目恒定推测精子、卯细胞形成过程是减数分裂过程，沃森和克里克提出DNA半保留复制的假说，伽莫夫提出“三联体密码”假说等。采用假说演绎法是演绎与推理思维培养的良好途径。例如，孟德尔的两大遗传定律正是采用假说演绎法才被发现，成为生物学中演绎与推理思维的典型范例。教学过程中，教师要利用好教材素材，演示演绎与推理的过程，循序渐进地培养学生演绎推理思维能力。

3.1.3模型與建模思维

教材中呈现的模型包括数学模型、物理模型和概念模型三种类型，诸如真核细胞亚显微结构模型、DNA双螺旋结构模型、池塘生态系统模式图等属于物理模型;光合作用过程示意图、有丝分裂和减数分裂图解、中心法则图解和血糖调节过程模拟等属于概念模型;酶活性的温度和pH影响曲线、光合速率影响曲线、种群密度计算公式、种群J型增长模型、组成细胞的化学元素饼状图、能量金字塔等属于数学模型。例如，学生学了基因在染色体上之后，为准确理解分离和自由组合规律的本质，教师可要求学生依据减数分裂过程中基因行为与染色体行为的平行关系，再把基因定位到染色体上，画出2N=4的细胞减数分裂示意图，在图中染色体上标注出AaBb两对等位基因，如此构建遗传规律的物理模型。在模型的构建和修正完善过程，培养学生的模型和建模思维能力。

3.1.4批判性思维

教材同样设置了批判性思维训练问题。例如，细胞表面积与体积关系限制了细胞的长大，细胞体积是不是越小越好？生物自发突变频率很低，而且大多是有害的，突变为什么还能够作为生物进化的原材料？血糖是提供能量的，血糖是不是越高越好？免疫系统的防卫功能是不是越强大越好呢？这些问题都创设了知识情境，是训练批判性思维的良好素材。此外，实验评价也是培养批判性思维的良好途径。教师可利用实验素材，让学生在真实情境中辨别信息的真实性、论证的严谨性、证据的充足性、结论的正确性，从而培养学生的批判性思维，例如探究生长素在胚芽鞘中的极性运输方向实验评价就是教材实验素材的典型。

3.1.5创造性思维

思考是创造性思维的前提。在科学发现的过程中，任何科学发现无不都是从提出问题开始的，学生通过教材知识的学习，独立思考，将新知识与旧知识进行联接组合，形成新的知识结构。教师训练学生学习过程中学会提出问题，针对问题的解决提出设想。教师在教学中要鼓励学生善于发问、大胆质疑，以启发学生创造性思维。例如，学习“生物催化剂酶”后，学生提出疑问：酶作为催化剂，怎么知道它本身在反应前后没有发生变化？教材实验仅在37℃左右的温水中进行，为什么结论是酶在适宜的温度和其他条件下，能够使生物体内的许多复杂的化学反应顺利而迅速地进行？其目的是达到学而有思，思而有惑，惑而求解。教师应注意创设学生创造性思维培养的良好氛围，让学生勤于思考，勇于发问。

3.2教学应遵循素养水平递进关系进行培养

要对学生科学思维素养水平进行精细刻画，需将科学思维素养按照学业质量水平划分为四级水平，使学生能力素养水平从低到高依级递进。教师应认识到素养的低级水平是高级水平建构基础，要遵循素养水平递进关系进行循序渐进的培养和提高;厘清素养水平递进关系，将更加有利于科学描述和评价学生素养水平层次，从而真正做到对每一位学生有针对性和差异性的培养。

3.3教学应为培养学生科学思维创设真实的情境

科学思维能力是除生物学知识之后还留下的关键能力，也是科学研究的必备能力，真实科研素材中需要运用科学思维进行分析，选取合适的科研素材，创设真实情境，是培养学生科学思维的良好途径。高考对科学思维考查的试题素材大都来自教材，只是创新了考查情境，全新情境中的真实问题分析才会真正提高学生科学思维能力。教师可从教材实验素材中的研究背景、目的、材料、方法、步骤、结果、结论、解决实际问题等多个角度有针对性地进行创设问题情境，让学生在真实的情境中训练思维，应用概念、方法和原理来解决问题。

3.4教学应注重学生自主建构知识体系以强化思维训练

生物学的知识点多且分布零散，需要教师扣住关键知识，寻找相关知识间的异同点、纵横联系，抓住主线，应用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维和创造性思维这些思维方式，使知识层次化、网络化、系统化。教师可以用概念图、思维导图、过程图、模式图、模型图等自主构建来促进知识体系的形成，在构建知识体系的过程中，强化对学生科学思维训练，真正实现知识学习和思维培养的并举并重。