分析2019年高考试题 浅谈科学思维的教学培养

河南 四川

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》指出，“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。科学思维是一种认知方式，也是科学方法的一种具体运用，更是科学论证的一种能力。高三复习教学中，高考试题是复习常用的重要资源，试题讲评也是教学中的重要内容。本文以经典高考试题为材料，分析试题中科学思维的考查要素，探讨试题中科学思维的形成过程，尝试提出培养学生科学思维能力的策略。

1.引导学生读懂命题人“行话”，培养学生科学思维能力

各行各业都有自己的“行话”，表明行业归属，“行内人”不能说“行外话”。例如，诗是古代文人的“行话”，唐代诗人王之涣《登鹳雀楼》中“白日依山尽”的“白日”，不仅表达光辉的太阳，更表达诗人如日中天的仕途；“依山尽”是诗人表达自己因遭人诬陷而罢官、仕途不顺。而学生在面对高考试题时也应该想到——我们的“同行”是生物学家，高考试题不是考查死记硬背多少知识，而是检测学生是否和命题人一样去思考生物学问题。

【例1】（2019年，全国卷Ⅰ，第3题）将一株质量为20 g的黄瓜幼苗栽种在光照等适宜的环境中，一段时间后植株达到40 g，其增加的质量来自于 （ ）

A.水、矿质元素和空气 B.光、矿质元素和水

C.水、矿质元素和土壤 D.光、矿质元素和空气

【答案】A

【分析】本题考查在具体情境中的光合作用过程，要求学生基于教材中光合作用的相关科学史解释黄瓜幼苗在光照一段时间后质量增加的原因，能科学认识光能转化成有机物中的化学能与黄瓜幼苗质量增加的关系，科学推理出环境中的水可以增加黄瓜幼苗的鲜重，土壤中的矿质元素是合成黄瓜幼苗中相关化合物的原料，科学论证出空气中的二氧化碳和水是黄瓜幼苗进行光合作用制造有机物增加细胞干重的主要原因。不少学生会选择B项，原因是没有理性分析光合作用中能量转化和物质合成的关系，错把光能当成了物质合成的原料。错误选择C项的学生是由于没有辨证认识影响光合作用的环境因素与光合作用原料之间的关系，与命题人的思维不一致。命题人意在通过此题考查学生运用科学思维阐释黄瓜幼苗质量增加的原因，或者说要考查学生面对一个具体的生物学现象，其思维过程是怎么样的，是否具备了科学论证客观事物本质的科学思维能力。

【例2】（2019年，全国卷Ⅰ，第6题）某实验小组用细菌甲（异养生物）作为材料来探究不同条件下种群增长的特点，设计了三个实验组，每组接种相同数量的细菌甲后进行培养，培养过程中定时更新培养基，三组的更新时间间隔分别为3 h、10 h、23 h，得到a、b、c三条种群增长曲线，如图1所示。下列叙述错误的是 （ ）

图1 不同培养条件下细菌种群增长曲线图

A.细菌甲能够将培养基中的有机物分解成无机物

B.培养基更换频率的不同，可用来表示环境资源量的不同

C.在培养到23 h之前，a组培养基中的营养和空间条件都是充裕的

D.培养基更新时间间隔为23 h时，种群增长不会出现J型增长阶段

【答案】D

【分析】模型是人们为了某种特定研究目的而对认识对象所做的一种简化的概括性描述。“模型与建模”思维是科学思维的重要内容，本题考查种群数量增长的数学模型“J”型曲线、“S”型曲线在细菌培养过程中的实际应用。“J”型曲线是种群在环境资源充足条件下的数量特征，是对理想条件下种群数量的推测，自然状态下如果遇到资源、空间等方面的限制，种群多数呈现“S”型增长。本题三个实验组设计的自变量为更新培养基的时间间隔，间隔越短种群增长越接近“J”型曲线，但时间间隔为23 h的c组，细菌培养之初前3 h与a组并无差异，种群在早期会出现“J”型增长阶段，所以D项表述错误。误选C项的学生认为种群增长“J”型曲线只是理想状况，真实情境下并不存在，这样的思维偏离命题人的考查意图。可见，命题人的考查意图是找到“模型与建模”思维的同行共识，也就是生物学家思考问题的通用习惯和模式，在这个过程中基于事实和证据，科学地概括和描述是解题的关键，最后是“模型与建模”思维在具体情境中得以应用。

【例3】（2019年，海南卷，第28题节选）某自花传粉植物的矮茎/高茎、腋花/顶花这两对相对性状各由一对等位基因控制，这两对等位基因自由组合。现有该种植物的甲、乙两植株，甲自交后，子代均为矮茎，但有腋花和顶花性状分离；乙自交后，子代均为顶花，但有高茎和矮茎性状分离。回答下列问题。

（1）根据所学的遗传学知识，可推断这两对相对性状的显隐性。仅通过对甲、乙自交实验结果的分析进行推断的思路是___________________________________________________。

【答案】（1）若甲为腋花，则腋花为显性，顶花为隐性，若甲为顶花，则腋花为隐性，顶花为显性；若乙为高茎，则高茎是显性，矮茎是隐性性状，若乙为矮茎，则矮茎为显性，高茎为隐性性状。

【分析】运用假说-演绎法得出分离定律是高中生物学培养学生科学思维能力的重要内容，相对性状显隐性判断的前提是自交后代必须出现性状分离。教材原型为杂合子一代高茎豌豆的后代同时出现高茎和矮茎性状，题中甲、乙植物的两对相对性状的显隐性未知，要求学生能迁移运用假说-演绎法，分类讨论甲、乙自身的高茎/矮茎、腋花/顶花的情况。甲自交后，子代均为矮茎，但有腋花和顶花性状分离，乙自交后，子代均为顶花，但有高茎和矮茎性状分离，所以通过甲的自交情况只能讨论腋花/顶花的显隐性，通过乙的自交情况只能讨论高茎/矮茎的显隐性。在思路呈现时演绎的结果须匹配相应的假说，本题的难点在于科学论证甲、乙各自性状的假说，思维的过程包括基于事实和证据、已知原理推论分析、审视题目中的科学事实、符合逻辑的科学论证、清晰表达的科学思维，不可把已学知识或者生物学结论当成背诵的事实性知识原样引用。

2.科学思维呈现模式的构建及实例分析

2.1 科学思维呈现模式

教学实际中，生命科学规律和理论的建立都是历代生物学家科学思维的呈现，若学生的思维只停留在已构建的知识层面，那么在新情境中如何利用已有知识解决未来的问题呢？如何不囿于思维定式，明确命题人的考查意图，掌握科学思维的形成过程？科学推理和科学论证是培养学生科学思维的必经途径，笔者结合教学实际，根据教学过程中学生思维的表现，尝试构建科学思维在真实问题情境中的运用模式（如图2）。

图2 科学思维在真实问题情境中的运用模式

2.2 实例分析

【例4】（2019年，北京卷，第31题节选）光合作用是地球上最重要的化学反应，发生在高等植物、藻类和光合细菌中。

（2）R酶由8个大亚基蛋白（L）和8个小亚基蛋白（S）组成。高等植物细胞中L由叶绿体基因编码并在叶绿体中合成，S由细胞核基因编码并在__________中由核糖体合成后进入叶绿体，在叶绿体的_________中与L组装成有功能的酶。

（3）研究发现，原核生物蓝藻（蓝细菌）R酶的活性高于高等植物。有人设想通过基因工程技术将蓝藻R酶的S、L基因转入高等植物，以提高后者的光合作用效率。研究人员将蓝藻S、L基因转入某高等植物（甲）的叶绿体DNA中，同时去除甲的L基因。转基因植株能够存活并生长。检测结果表明，转基因植株中的R酶活性高于未转基因的正常植株。

①由上述实验能否得出“转基因植株中有活性的R酶是由蓝藻的S、L组装而成”的推测？请说明理由。

【答案】（2）细胞质 基质 （3）①不能。转入蓝藻S、L基因的同时没有去除甲的S基因，无法排除转基因植株R酶中的S是甲的S基因表达产物的可能性。

【分析】审视科学研究中存在的观点或结论的客观性、逻辑性是科学思维的理性内核，本题以基因工程技术为切入点，考查学生基于试题中的事实和证据，审视、论证生命现象及规律的能力。依据科学思维在真实情境中运用的模式，第一步，确定本题中的论据：论据1为植物R酶（RuBP羧化酶）由8个大亚基蛋白（L）和8个小亚基蛋白（S）组成；论据2为将蓝藻S、L基因转入某高等植物（甲）的叶绿体DNA中，同时去除甲的L基因；论据3为转基因植株中的R酶活性高于未转基因的正常植株。第二步，运用科学思维方法：理性分析转基因高等植物R酶活性高的原因，叶绿体具备蓝藻的S、L基因，失去了自身的L基因，科学严谨地推理出高等植物既有自身的S基因也有蓝藻的S基因。第三步，清晰表达：转基因植株中R酶中的L蛋白来自蓝藻基因编码，S蛋白来自植物细胞核基因编码或者蓝藻基因编码。所以，不能得出“转基因植株中有活性的R酶是由蓝藻的S、L组装而成”的推测。

科学思维展开的过程逻辑必需清晰、严谨，尽量排除人的主观因素的影响，科学思维表达的语言需清晰符合逻辑。该模式要求学生尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度，运用科学的思维方法（分析与综合、归纳与演绎、抽象与概括、建立模型、批判性思维）认识事物、解决实际问题。强调生命现象背后的逻辑推理思考，生物学原理的运用。

3.教学启示

3.1 善用教材议题的实证强化科学思维

科学思维的培养需要学生在课堂教学中拥有适度的自主权，课堂管理以学生为中心，开展思考、观察、提出问题、运用科学思维论证形成初步观点、小组讨论、形成共识的复习模式，这样构建的知识将内化为学生的认知能力。教材中酶的特性、探究影响光合作用的因素、DNA半保留复制方式的教学都是以探究为主，是学生主动学习的好素材。教师应鼓励学生依据事实，组织材料论证科学议题，然后在小组内开展合作学习，充分表达自己的观点，达成共识后，用准确、严谨的语言在全班进行展示。

教师也可以补充教材中的科学史素材引导学生进行科学论证，如在学习细胞器结构和功能的过程中补充溶酶体的发现、pH偏酸性、溶酶体功能异常的影响等，还可以基于溶酶体对部分致癌物的分解作用，让学生辩论溶酶体对肿瘤预防和治疗的意义并提供建议。

3.2 试题“挖井”训练，拓展科学思维

生物学科是通过实验、假说、验证建立起来的自然科学，在缺乏主动探究和动手实验的背景下，习题课最容易出现的问题就是搞“题海战”。学生为了在考试中脱颖而出，反复“刷题”，而忽略了思维训练活动。在复习过程中，教师应调动学生积极思考、讨论交流，并针对学生在交流过程中暴露的思维问题进行有效指导。对题型的剖析应该是“挖井”而不是“刨坑”，前者在于探索科学问题背后的理论形成机制，从而得到知识迁移的“源泉”，后者则更注重量的积累。“挖井”揭示题目考查知识运用的逻辑规律，对学生共同的疑问点做到解惑到底，讲明、讲清、讲透、讲通，从而达到以科学思维为载体的关键能力的迁移；“刨坑”是追求练题及讲题的数量提高，这样停留在剖析题目本身，忽略了科学思维的形成，就会做很多低效而又重复的工作。科学思维的培养需要对题目进行深度挖掘，应包括适度延伸、类型总结、知识迁移、构建概念、发展学科核心素养。

4.结语

科学思维是学生思维呈现的过程，也是学科核心素养的重要体现。新时代学生在面对真实、新颖的问题情境时，必须要读懂命题人的“行话”，学会用科学思维方法获取题中关键信息，提高学习迁移能力，归纳科学思维的形成过程，才能正确解题。在课堂教学中开展以激发学生思考为主体的科学推理和科学论证，运用批判性思维突破思维定式，在练习中注重探究活动的设计和科学思维的准确表达，才能落实学生自主学习，独立思考，学会获取、判断和处理目标的信息，培养学生具备信息化时代的学习与发展能力。