基于科学思维评价的高考生物学试题分析与教学策略

胡爱民

(海南师范大学附属中学 海口 570208)

科学思维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。例如，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。

科学思维是发展学科核心素养的重要组成部分。近两年高考试题的一个明显变化就是十分注重考查学生的科学思维能力。试题通过设置相应的问题情境，让学生充分表达自己的思维状况和逻辑推理水平，同时检测学生的语言组织和表达能力。因此，教师要转变教育观念，探索有效的教学模式来培养和发展学生科学思维的能力，从而真正提高学生的学科核心素养。

1 基于科学思维能力考查的试题分析

例1(2017海南卷26题节选)： (1)植物生长素对枝条生根有影响，生长素用量为0时，有些枝条也生根。其首次出根需要天数较多的原因是。

分析： 本题没有按常规考查“处理枝条的生长素用量为0时，枝条生根的原因”，而是从另一角度立意，考查学生分析、综合的能力及逻辑思维能力。在“外源生长素为0”这一条件下，基于“植物枝条产生的内源生长素少”这一生物学事实，推理出“枝条含有生长素少”，再基于“枝条生根需要生长素积累到一定浓度”这一特点，综合推理出“首次出根需要时间较长”。该题考查学生透过现象认识本质的思维方法，即在给定的情境中，运用生物学规律和原理，对结果或发展趋势作出预测或解释，并且用恰当的语言进行阐述、表达。由于对思维的缜密性和逻辑性有较高要求，试题难度较大。

例2(2017海南卷29题节选)： 果蝇有4对染色体(Ⅰ—Ⅳ号，其中Ⅰ号为性染色体)。纯合体野生型果蝇表现为灰体、长翅、直刚毛，从该野生型群体中分别得到了甲、乙、丙三种单基因隐性突变的纯合体果蝇，其特点如表1所示。

表1 三种果蝇的表现型和基因型及特征

(3)该小组又从乙果蝇种群中得到一只表现型为焦刚毛、黑体的雄蝇，与一只直刚毛灰体雌蝇杂交后，子一代雌雄交配得到的子二代的表现型及其比例为： 直刚毛灰体♀∶直刚毛黑体♀∶直刚毛灰体♂∶直刚毛黑体♂∶焦刚毛灰体♂∶焦刚毛黑体♂=6∶2∶3∶1∶3∶1，则雌雄亲本的基因型分别为(控制刚毛性状的基因用A/a表示)。

分析： 本题要求学生从题干中提炼出有效信息，综合运用遗传学原理进行分析推理，考查学生能够在新的问题情境中，基于事实和证据，采用科学思维的方法揭示生物学规律和机制，并用恰当的方式表达。由于问题情境复杂，本题对学生的推理判断、分析综合能力的要求很高，很好地考查了学生的推理思维。其分析推理过程如图1所示。

图1 分析推理过程

例3(2018全国Ⅱ卷31题节选)： 大型肉食性动物对低营养级肉食性动物与植食性动物有捕食和驱赶作用。这一建立在“威慑”与“恐惧”基础上的种间关系会对群落或生态系统产生影响，此方面的研究属于“恐惧生态学”范畴。

(1) 略。

(2) 如果将顶级肉食性动物引入食物网只有三个营养级的某生态系统中，使得甲、乙两种植食性动物间的竞争结果发生了反转，即该生态系统中甲的数量优势地位丧失，假定该反转不是由于顶级肉食性动物的直接捕食造成的，那么根据上述“恐惧生态学”知识推测，甲的数量优势地位丧失的可能原因是。

分析： 本题以生态学家詹妮特的研究成果立意，强化了对生命现象思考深度的考查。需要学生基于事实和证据，逻辑清晰，运用生态学整体思维的方式认识事物、解决问题。解题的关键是准确把握题干中“恐惧生态学”知识的内涵，抓住“捕食和驱赶”这一关键信息，在基于“甲的数量由优势变为劣势”“甲数量减少不是肉食动物捕食引起”这两个事实的基础上，建立起“恐惧→逃离→数量减少”及“恐惧程度越大→逃离数量越多→竞争结果反转→影响生态系统”两个逻辑关系，从而推理出甲动物逃离该生态系统的比乙多，说明甲对捕食者的恐惧程度比乙更大。本题同时还考查了“稳态平衡观”这一生命观念，并能引发学生思维的延伸，深度思考人类活动对生态系统稳定性的影响。

2 基于科学思维发展的教学策略

高考试题越来越重视从多个角度考查学生的科学思维，试题命制反映出当前教育改革的方向。因此，教师在教学中应高度重视培养学生科学思维的习惯，采用多种教学手段发展学生科学思维的品质。

2.1 利用问题驱动发展学生的创新思维 问题意识是学生创造力的一个重要组成部分，是学生创新思维形成的驱动力。教师应根据教学内容创设有层次性、逻辑性的问题情境，让学生围绕问题寻求解决方案，激发学生的创造性思维。

例如，“细胞膜——系统的边界”是高中学生首次接触到的有关细胞结构的知识，学生对细胞膜的认识还很肤浅。教学时，围绕“制备细胞膜的方法”这一教学目标，可以将教材中的实验改成环环相扣、逻辑缜密的问题，引导学生围绕目标从多个侧面思考，激发学生的创新思维(表2)。

表2 “制备细胞膜的方法”的教学过程

科学思维的过程需要推理、想象、联想、直觉等思维活动。因此，教师在教学中设计问题时既要紧扣教材，又要有创新意识，能引发学生从多角度、多层次去思考，步步推进，达到发展思维的目的。

2.2 生物科学史是发展科学思维的重要手段 生物科学史是科学家通过科学实验探寻生命本质的历史，它揭示了人们思考和解决生物学问题的一些特有的思维方式和探究历程。高中生物学教材中的科学史蕴含着丰富的科学思想和科学方法，对学生科学思维的发展有很大帮助。

2.2.1 利用科学史培养学生的逻辑推理能力和归纳概括能力 科学思维是一种建立在证据和逻辑推理上的思维。“光合作用的发现”就是一部丰富的科学史，其中光反应与暗反应的过程，教材直接以图解形式呈现出来，实质上这两个阶段的发现，科学家也经历了艰辛的探究历程。教学中，通过查阅资料，有效整合，在基于事实、证据的基础上，经过推理、概括，使学生从化学反应的变化去认识水和二氧化碳是如何转变成糖类等有机物的。其设计思路如下：

表3 “光合作用的过程”教学设计

2.2.2 利用科学史培养学生的批判性思维 批判性思维是一种反思性思维，其本质是寻找知识要抱着真诚和客观的态度。生物科学史体现着科学家尊重事实、服从真理的科学态度。在教学中，教师应注意引导学生从科学史中感悟科学家敢于质疑、严谨求实的优秀品质。

例如，在建立生物膜模型的过程中，罗伯特森通过电镜观察提出了“蛋白质—脂质—蛋白质”的模型，组织学生讨论： 该模型有哪些优缺点？利用该模型能解释物质的跨膜运输、变形虫的变形运动吗？再列出实证，科学家运用冰冻蚀刻与电镜相结合的技术否定了该模型，最终提出了更合理的流动镶嵌模型，从而使学生感受到科学是在不断质疑、不断修正中发展的。在“促胰液素的发现”教学时，对比分析沃泰默的失败与斯他林和贝利斯的成功，让学生领悟到科学发现需要大胆的质疑和丰富的想象。总之，在运用科学史组织教学的过程中，应注意启发学生对证据、推理、结论等产生质疑，反思认识的不足，切实发展学生的批判性思维。

2.3 在模型建构中生成概念，发展科学思维 模型是人们为了某种目的而对认识对象所作的一种简化的概括性的描述。模型方法作为一种认识手段和科学思维方式，其主要价值是让学生通过尝试建立模型，体验其中的思维过程，领悟建模方法，逐步建立起科学概念。以光反应与暗反应过程的模型建构为例，按上述表3的设计思路，在分析实验、形成推论的过程中逐步建立起光合作用过程的概念模型。

2.3.1 构建过程 在弄清物质(H2O)和能量(光能)变化的基础上经过不断修正构建起光反应过程的模型，在分析卡尔文实验的基础上构建起暗反应过程的模型。

最后通过分析阿尔农的实验建立起光反应与暗反应相互联系的完整模型(图2)[1]：

2.3.2 模型运用 学生利用自己构建的模型分析讨论，如果CO2充足，突然增大或减小光照，短时间内C3、C5、(CH2O)的含量变化趋势是怎样的？通过师生交流，进一步加深对所建模型的认识，培养学生的发散性思维。

发展学生的科学思维不可能一蹴而就，需要教师将科学思维的培养切实融入自己的课堂教学中，站在全面发展学生生物学核心素养的高度，达成生物学课程的教育目标。

图2 光合作用过程模型