例谈近年高考试题对科学史和科学思维的考查

河北

近几年高考题中，常出现“原因、理由阐述”或“实验设计思路描述”“结果分析”类题目，这也是考生答题困难、失分较多的题目。考生答此类题时往往不能迅速准确地找到问题本质及核心要点，这说明考生的逻辑推理能力、科学探究能力有待提高，教学中对学生“科学思维”的培养应该得到重视。教师在教学中不仅要让学生记住某知识的“结论要点”，更要让学生关注得出结论过程中涉及的实验操作、研究方法、数据收集、分析推理、结论描述等“中间思维过程”。

《普通高中生物学课程标准（2017 年版）》强调指出，“科学思维”是高中生物学学科核心素养的重要组成部分，并谈到要注重对生物学科学史和科学本质的学习。笔者也体会到，在实际教学中合理利用科学史能为培养学生的科学思维创造良好的实践情境和条件，因为在学习科学史的过程中，教师可以引导学生跟随科学家们的脚步去学习“观察现象”“提出问题”“合理解释”“演绎推理”“实验验证”“归纳概括”“模型构建”“阐释生命现象和规律”等一系列科学研究的思路和方法，进而获得一定的科学探究能力，同时培养学生的科学思维。

笔者引用近几年以“典型科学史”为考查背景的高考题目，分析高考题是如何对科学思维进行渗透考查的，同时阐述教师在教学中应该如何带领学生研读科学史，使学生能够“学习—借鉴—运用”，学会科学探究的思路和方法，解决题目中类似的问题。

【例1】（2017 年，全国卷Ⅰ，第29 题）根据遗传物质的化学组成，可将病毒分为RNA 病毒和DNA 病毒两种类型。有些病毒对人类健康会造成很大危害。通常，一种新病毒出现后需要确定该病毒的类型。假设在宿主细胞内不发生碱基之间的相互转换。请利用放射性同位素标记的方法，以体外培养的宿主细胞等为材料，设计实验以确定一种新病毒的类型。简要写出（1）实验思路，（2）预期实验结果及结论即可。（要求：实验包含可相互印证的甲、乙两个组）

【参考答案】（1）思路

甲组：将宿主细胞培养在含有放射性标记尿嘧啶的培养基中，之后接种新病毒。培养一段时间后收集病毒并检测其放射性。

乙组：将宿主细胞培养在含有放射性标记胸腺嘧啶的培养基中，之后接种新病毒。培养一段时间后收集病毒并检测其放射性。

（2）结果及结论

若甲组收集的病毒有放射性，乙组无，即为RNA 病毒；反之为DNA 病毒。

【分析】该题中要求甲、乙两组的实验设置“相互印证”，与美国科学家鲁宾和卡门“探究光合作用释放的氧气来自H2O 还是CO2”的实验相似度很大，结合人教版必修2 教材第44～45 页赫尔希和蔡斯“T2噬菌体侵染大肠杆菌的实验”中的相关知识，发现可以模仿这两个科学史中的经典实验探究方法：用同位素标记法将甲、乙两组中“用于培养的物质”区分开。同位素标记法常用于探究含某种特定元素的化合物的物质转变途径和去向。这类探究性实验的实验结果具有未知性，因此对实验结果和实验结论的描述应具有思辨性，包含的科学思维应为“演绎推理”“分析综合”。

学生在形成一定的科学思维后，对题目进行正确的解读分析，获取了以下信息：①本题中实验目的是探究某种新病毒所含遗传物质的类型；②该种病毒所含遗传物质的类型为DNA 或 RNA，不可能同时含有；③实验材料为该种新病毒、体外培养的宿主细胞、被放射性同位素标记的相关物质，且甲、乙两组被放射性同位素标记的物质应有差异；④病毒在宿主细胞内不发生碱基之间的相互转换，说明培养所得到的子代病毒不发生变异，自变量的设置应与DNA 和RNA 的碱基差异有关；⑤“实验包含可相互印证的甲、乙两个组”，表明结论是“新病毒含RNA 不含DNA”或“新病毒含DNA 不含RNA”，已从科学性上排除了第三种情况“新病毒同时含有DNA 和RNA”。

要得出正确的答案，考生还会产生以下疑问：（1）能用放射性同位素标记核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸吗？答案是否定的，因为核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸被放射性同位素标记的位置不确定，且二者均可降解成磷酸、五碳糖、含氮碱基等成分，不一定能起到把RNA 和DNA 区分开的作用。要把RNA 和DNA 区分开，只能用放射性同位素标记其各自特有的碱基：U 和T，而且根据题中信息“假设在宿主细胞内不发生碱基之间的相互转换”，可确定用放射性同位素标记差异性碱基的可行性（一组标记U，另一组标记T）。（2）能用培养基直接培养该种病毒吗？答案是否定的，因为病毒营寄生生活，应该先用培养基培养宿主细胞，再接种新病毒到宿主细胞进行培养。综上所述，可确定因变量的检测指标为放射性的有无，检测对象为“甲、乙两组宿主细胞释放的子代病毒”。写实验设计思路，不是写实验步骤，不用详细写出培养温度、培养时间等具体内容。上述思维过程体现了考生应具备的良好审辨思维，即能够辨识、评估知识信息的合理程度，选择科学合理的实验方法，完成科学探究。

【例2】（2013 年，海南卷，第10 题）某植物叶片不同部位的颜色不同，将该植物在黑暗中放置48 h 后，用锡箔纸遮蔽叶片两面，如图所示。在日光下照光一段时间，去除锡箔纸，用碘染色法处理叶片，观察到叶片有的部位出现蓝色，有的没有出现蓝色。其中，没有出现蓝色的部位是 （ ）

A.a、b 和d B.a、c 和e

C.c、d 和e D.b、c 和e

【参考答案】B

【分析】该题目中涉及的实验方法模拟了萨克斯的经典实验，萨克斯的实验证明了“光合作用的产物除氧气外还有淀粉”。萨克斯实验需要将“控制光照的有无”作为自变量，而萨克斯采用“半叶法”巧妙地将植物叶片分成了“有光组”和“无光组”，其中所包含的科学思维是“减法原理”：遮光处理的部分为“实验组”，曝光处理的部分即“有光组”，属对照组。检测实验结果知，“无光组不变蓝”证明了“没有进行光合作用不产生淀粉”，据此进一步推出“进行光合作用产生了淀粉”。除此之外，学生还需注意区分碘蒸气与碘液的用法不同。

本题中“碘染色法处理叶片”是对实验结果进行检测的方法，题目最终要求考生对实验结果进行判断。该题所选用的实验材料“某植物叶片”较特殊，其叶片边缘部位呈现黄白色，即该处叶肉细胞中无叶绿体，所以叶片的a、e 两处不进行光合作用，不能产生淀粉，由于经过了“饥饿”处理，所以排除了“不产生淀粉处”有“他处”运输来的淀粉，因此叶片的a、e 两处经过碘染色法处理后不会出现蓝色。叶片的b、c、d 三处含有叶绿体，而遮光部位和曝光部位形成了对照，所以最终能产生淀粉的只是曝光部位b 和d，因此碘染色法处理后没有出现蓝色的部位是叶片的a、c 和e。该题所考查的科学思维：如何寻找出题目图文信息中给出的“自变量”——“光照的有无”和“叶绿体的有无”；如何根据实验组和对照组的条件差异分析其“生命现象或生理过程”的差异，从而对实验结果进行合理科学的判断，其中包含了因果思维、演绎推理思维的运用。

【例3】（2019 年，全国卷Ⅰ，第2 题）用体外实验的方法可合成多肽链。已知苯丙氨酸的密码子是UUU，若要在体外合成同位素标记的多肽链，所需的材料组合是 （ ）

①同位素标记的tRNA

②蛋白质合成所需的酶

③同位素标记的苯丙氨酸

④人工合成的多聚尿嘧啶核苷酸

⑤除去了DNA 和mRNA 的细胞裂解液

A.①②④ B.②③④ C.③④⑤ D.①③⑤

【参考答案】C

【分析】本题以“体外合成同位素标记的多肽链”为目的，是对尼伦伯格和马太实验的模拟，该实验在试管中应加入的有：合成多肽链所需的模板、原料、能量、核糖体（含酶）、tRNA 及适宜的液体环境。模仿科学家的思维，应加入“人工合成的多聚尿嘧啶核苷酸”作为模板、“同位素标记的苯丙氨酸”为原料、“除去了DNA 和mRNA的细胞裂解液”提供能量、核糖体（含酶）、tRNA 及适宜的液体环境。那么还需要单独加入“②蛋白质合成所需的酶”吗？或者用①②项来代替⑤项？答案是否定的，要在试管中模拟“细胞中的微环境”，包括液体的pH 等细节要求，只有⑤能提供。可见，科学史的学习潜移默化地带动学生获得了严谨的“筛选、审辨”思维，使其能够辨识、评估知识信息的合理程度。

【例4】（2017 年，江苏卷，第2 题）下列关于探索DNA 是遗传物质的实验，叙述正确的是 （ ）

A.格里菲思实验证明DNA 可以改变生物体的遗传性状

B.艾弗里实验证明从S 型肺炎双球菌中提取的DNA可以使小鼠死亡

C.赫尔希和蔡斯实验中离心后细菌主要存在于沉淀中

D.赫尔希和蔡斯实验中细菌裂解后得到的噬菌体都带有32P 标记

【参考答案】C

【分析】该题要顺利解决，需要考生熟悉题中科学家们的“经典科学实验”，实验的技术方法有区别，结论也就有差异。这里渗透的高阶思维是“只有遗传物质才能使细菌发生稳定的性状改变”，所谓的“转化因子”就是遗传物质。这是通过实验事实证据证明结论的“因果思维”“演绎推理思维”。格里菲思肺炎双球菌体内转化实验证明了加热杀死的S 型菌中存在“转化因子”，使R 型菌转化为S 型菌，但没有研究出“转化因子”是什么，更没有提到DNA，A 项错误；艾弗里的肺炎双球菌体外转化实验证明了S 型菌的DNA 才是“转化因子”，使R 型菌转化为S 型菌，该实验没有利用小鼠做动物体内转化实验，且单独的DNA 分子也不能使小鼠死亡，B 项错误；赫尔希和蔡斯的T2噬菌体侵染大肠杆菌的实验中离心的目的是让上清液中析出重量较轻的噬菌体颗粒，沉淀物中留下被感染的大肠杆菌，C 项正确；实验中32P 标记亲代噬菌体的DNA，经过半保留复制n 次得2n个子代DNA 中只有2 个DNA 分子含有32P，子代噬菌体中有少数带有32P标记，大多数不带有32P 标记，D 项错误。对各选项的正误判断考查了学生对获取到的信息的分析能力，也考查了学生能否辨识、评估知识信息的合理程度的审辨思维。

从遗传学家孟德尔的豌豆杂交实验及遗传学的两大规律的获得过程中可学到“假说-演绎法”，学到植物“人工杂交”的方法，学到对实验结果所获得的数据处理一般采用“统计学”的方法。运用生物学事实和证据来归纳概括得出“生物学规律”，再把“生物学规律”应用到一定的情境中去判断是否会出现某种生命现象或某种结果，这是“演绎推理”。从这些科学思维方法中学生可学到以下几点：①如何判断一对相对性状中的显隐性？可以采用“自交法”或“杂交法”，让具有相对性状的两植株分别自交，某植株自交后代若发生性状分离，则该植株性状为显性性状；让具有相对性状的两植株进行杂交，F1只表现其中一种性状，则F1表现的性状为显性性状。②如何验证基因的分离定律？具有一对相对性状的个体先杂交获得F1，F1再自交获得的F2中如果出现3∶1 的性状分离比，则可验证分离定律；或者让F1与隐性个体测交，如果后代出现1∶1 的性状比例，则可验证分离定律，如例5。③如何验证基因的自由组合定律？选择具有两对相对性状的个体做亲本，先杂交获得F1，F1再自交，如果F2中出现9∶3∶3∶1 的性状分离比，则可验证基因的自由组合定律；或者让F1与双隐性个体测交，如果后代出现1∶1∶1∶1 的性状比例，则可验证基因的自由组合定律。如例5 中第（2）小题则是考查学生对孟德尔的“豌豆杂交实验”和“假说-演绎法”领悟的程度，能否在思维上达到“学习—借鉴—运用”的程度。

【例5】（2019 年，全国卷Ⅲ，第32 题） 玉米是一种二倍体异花传粉作物，可作为研究遗传规律的实验材料。玉米籽粒的饱满与凹陷是一对相对性状，受一对等位基因控制。回答下列问题。

（1）在一对等位基因控制的相对性状中，杂合子通常表现的性状是________________________________。

（2）现有在自然条件下获得的一些饱满的玉米籽粒和一些凹陷的玉米籽粒，若要用这两种玉米籽粒为材料验证分离定律，写出两种验证思路及预期结果。

【参考答案】（1）显性性状 （2）思路及预期结果：①两种玉米分别自交，若某些玉米自交后，子代出现3∶1 的性状分离比，则可验证分离定律。

②两种玉米分别自交，在子代中选择两种纯合子进行杂交，F1自交，得到F2，若F2中出现3∶1 的性状分离比，则可验证分离定律。

③让籽粒饱满的玉米和籽粒凹陷的玉米杂交，如果F1都表现一种性状，则用F1自交，得到F2，若F2中出现3∶1 的性状分离比，则可验证分离定律。

④让籽粒饱满的玉米和籽粒凹陷的玉米杂交，如果F1表现两种性状，且表现为1∶1 的性状分离比，则可验证分离定律。

【分析】本题与孟德尔豌豆杂交实验的区别是，实验材料玉米属于雌雄异花同株植物，自然条件下，玉米既可以自交，又可以杂交，所以显性性状的玉米不能保证是纯合子；但豌豆作为自花传粉闭花受粉植物，天然条件下是纯合子。所以在设计实验时要把具有一对相对性状的两种玉米的各种情况考虑全面，清楚显性个体中既有纯合子又有杂合子。

2020 年高考命题者有可能再次把一些经典的科学史融入到问题情境中，建议教师在复习时，引导学生进行“高中生物典型科学史专题复习”，让学生自主总结归纳出具体内容（可参考如表所示的格式），课上师生交流时再在此基础上进一步完善。

表遗传物质的研究及遗传规律发现的科学史

这样的专题训练才能让考生在遇到以“经典科学史”为背景的高考题时，能顺利地调动科学思维，迅速从似曾相识的情境中提取信息，综合分析，快速找到解决问题的方法，并模仿运用科学家的恰当的专业术语表述出心中所想，答案也就水到渠成了。