基于科学思维培养的复习教学——以“生态系统的信息传递”为例

四川

“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，笔者以“生态系统的信息传递”复习教学为例，对培养学生科学思维的教学策略进行探讨。

1.《课程标准》的要求及分析

依据《普通高中生物学课程标准（2017 年版2020 年修订）》，学生通过“生态系统的信息传递”学习，能举例说出生态系统中物理、化学和行为信息的传递对生命活动的正常进行、生物种群的繁衍和种间关系的调节起着重要作用，达到能说明生态系统中信息传递的过程和特征，并对相关的生态学实践应用作出合理的分析和判断的学业要求。因此，学生要理解生态系统的信息传递及其与其他相关知识之间的联系和区别，并能在较复杂的情境中综合运用其进行分析、判断和推理。信息传递是生态系统的功能之一，与能量流动和物质循环一起将生态系统的各组成成分联系为一个整体，共同维系着生态系统的稳定。联系整个生命系统的结构层次，“生态系统的信息传递”与 “细胞膜的结构和功能”“细胞核的结构和功能”“遗传信息的转录和翻译”和 “动物和人体生命活动的调节”“植物的激素调节”等生物学基础知识和原理，共同构成了从细胞到生态系统的整个生命系统信息传递的有机整体。

基于以上分析，在高考复习中可运用问题引领和模型建构的教学策略，通过比较分析、深化概念→构建模型、发展思维→设计实验、科学探究→实践应用、落实责任，让学生在整合中深化学习，深度理解生物学核心概念，实现知识的系统性和综合性，提升科学思维和科学探究等生物学学科核心素养，发展学生的理解能力、实验与探究能力、解决问题能力和创新能力（如图1）。

2.比较分析、深化概念

教师向学生展示生态农场图片，以种植了一些粮食作物，栽培了许多果树，饲养着优质的家禽、家畜等的生态农场创设情境，整个复习过程围绕生态农场这一主题展开。

教师呈现以下问题串，学生自主学习或小组讨论，分析回答。

（1）生态农场中的信息有哪几类并举例，它们分别来源于什么？各以什么形式进行传递？请你列表（如表1）进行比较。

表1 比较生态系统中信息的种类

续表

（2）农场生产中，用某种波长的光信息处理莴苣种子，以促进其萌发生长；每天给生长到一定阶段的菊花植株遮光，以控制日照时间，使秋菊夏开；牧草返青时，“绿色”为牛羊提供可采食的信息。以上现象分别说明信息传递在生态系统中有什么作用？

（3）信息传递、能量流动和物质循环一起将生态农场的各组成成分联系为一个整体，请你列表（如表2）比较三者的区别和联系。

表2 比较生态系统的功能

图2 生命系统的信息传递概念模型

以问题引领驱动学生通过自主学习、合作讨论，比较生态农场中信息的种类和信息传递与能量流动及物质循环的关系，辨析信息传递在生态系统中的作用，对已获得的知识进行再现和再认识，帮助学生理解生态系统中信息的种类，信息传递在生态系统中的作用及能量流动、物质循环与信息传递的关系，内化知识，深化概念，训练学生归纳与概括的科学思维。

3.构建模型、发展思维

教师提出：农场中，信息传递可发生在细胞内和细胞间，也可发生在个体、种群和生态系统，请你用文字和箭头等构建“细胞→个体→种群→生态系统”的生命系统的信息传递概念模型。

学生思考、小组讨论，建构模型（如图2）。

通过自主思考、小组讨论，构建生命系统的信息传递的概念模型，将知识整合，对知识结构进行再优化，可帮助学生理解知识点之间的内在联系，建立起更高级的逻辑关系和更深刻的知识体系。在构建、修正和完善模型的过程中培养学生模型与建模的科学思维和批判性思维，使其认识到生命系统的各结构层次相互联系成为一个统一的整体，各层次功能的协调离不开信息传递且依赖于信息传递，通过调控实现生命系统各层次的稳态，使学生感悟信息与调控、稳态与平衡的生命观念。

4.设计实验、科学探究

教师介绍相关背景知识：（1）某些雌虫腹部末端能释放出性外激素来吸引雄虫，如家蚕、蛾等。只要雌虫分泌数量极其微小的性外激素（每毫升空气中存在几千个，甚至几百个性外激素分子，大约十亿分之一克左右），就能被距离数百米到千米左右以外的雄虫所感知，从而找到伴侣进行交配。（2）各种昆虫的性外激素有其特异性，仅对同种的昆虫起作用。目前，一些种类的昆虫性外激素的化学结构已被弄清，它们大都属于酯类、醇类或有机酸类。科学家现已可以合成一些昆虫的性外激素，用作性引诱剂，再与黑光灯诱捕法或杀虫剂相结合防治害虫，取得了显著的杀虫效果。

教师提出问题：通过对农场中害虫的监测发现，玉米螟虫害将大量发生，现欲利用人工合成的玉米螟性引诱剂结合黑光灯诱捕法或杀虫剂进行综合防治。请你从以下材料和用具中选择合适的实验材料，设计实验证明玉米螟性引诱剂能吸引玉米螟雄蛾前来交尾。（要求写出实验设计思路并预期结果）

材料和用具：适量玉米螟雌蛾（玉米螟的成熟雌性个体）、透气和不透气的笼子（数量足够）、遮光布和滤纸（数量足够）、适量人工合成的玉米螟性引诱剂等。

学生分析思考、小组讨论，合作学习，设计、完善实验。

学生根据实验目的，分析讨论，选择合适的材料和用具设计实验。小组1：透气笼子中放入雌蛾、透气笼子中放入性引诱剂、不透气的笼子中放入雌蛾，三组均用遮光布罩住，一段时间后，透气笼子中放入雌蛾组和透气笼子中放入性引诱剂组有雄蛾飞来，不透气的笼子中放入雌蛾组无雄蛾飞来。小组2：透气笼子中放入放置过雌蛾的滤纸、透气笼子中放入有性引诱剂的滤纸、透气笼子中放入空白滤纸，一段时间后，放置过雌蛾的滤纸组和有性引诱剂的滤纸组有雄蛾飞来，空白滤纸组无雄蛾飞来……在设计实验过程中，学生充分表达和交流，不断修正、完善实验方案并用生物学科语言进行有逻辑的表达，思维深度碰撞，培养了学生的团队合作精神，发展了学生的批判性思维和创造性思维，提高了学生的科学探究能力。

5.实践应用、落实责任

教师提出生产实践问题：生态农场中种植了粮食作物，栽培了果树，饲养着优质的家禽、家畜。你将利用哪些与信息传递有关的措施来提高各类农畜产品的产量？

学生分析、讨论回答。

运用“生态系统的信息传递”的科学原理，学生分析、讨论，举例说出利用信息传递来提高各类农畜产品产量的措施，如：①利用趋光性对害虫进行诱杀；②延长光照时间提高家禽产蛋率；③用一定频率声波处理，提高蔬菜、谷类作物种子的发芽率；④释放过量人工合成的性引诱剂，干扰害虫的正常交尾；⑤利用人工合成的各种化学信息素吸引传粉昆虫，提高果树及作物的传粉率和结实率……总结信息传递在农业生产中的应用：一是提高农产品或畜产品的产量，二是对有害动物进行控制。此环节可以帮助学生形成运用课堂所学解决现实问题的意识，增强学生尝试解决生产生活中生物学问题的担当与能力，训练学生的创造性思维，增强社会责任感。

6.真题和变式训练、发展思维

以高考真题为基础，在课堂复习和练习中渗透真题并进行变式训练，有效检测和帮助学生理解所涉及的知识内容，在辨析和有逻辑的表达中发展科学思维。

【典例1】（2018 年，海南卷，第19 题）某同学将一面镜子竖立在一棵树旁，该树上的一只小鸟飞到镜前，对着镜子中的“小鸟”愤怒地啄击扑打。下列关于该事件中信息传递的叙述，错误的是 （ ）

A.小鸟啄击扑打的动作本身是一种行为信息

B.小鸟的眼睛能够感受镜子发出的物理信息

C.小鸟把镜子传递的信息当作来自入侵者的信息

D.激怒小鸟的信息是直接来自非生物的化学信息

【答案】D

【试题分析】本题呈现的是简单的学习探究情境，体现了学业质量水平“科学思维”的二级水平——能够用简单的生物学概念解释相应的生命现象。本题考查生态系统中信息的种类，涉及物理信息（生态系统中的光、声、温度、湿度、磁力等通过物理过程传递的信息）、化学信息（生物在生命活动中产生的一些可以传递信息的化学物质，如植物的生物碱、有机酸、动物的性外激素等）、行为信息（动物的特殊行为，对于同种或异种生物也能够传递某种信息）等概念。学生运用所学理论知识联系实际准确判断：小鸟啄击扑打的动作本身是一种行为信息；小鸟的眼睛能够感受镜子发出的光，这属于物理信息；激怒小鸟的信息是直接来自非生物的物理信息。在概念辨析过程中可培养学生逻辑思维的全面性和严谨性。

【典例2】（2020 年，自贡二诊，第31 题节选）DMS（二甲基硫醚）是一种对气候有明显影响的气体，海洋中生成DMS 的主要过程如图3。回答下列问题：

图3

（2）中间产物X 的浓度上升到一定程度时，它能作为一种___________信息使浮游动物对圆石藻的捕食明显减少，这体现了生态系统中信息传递的作用是______________________________。

【答案】化学 调节生物的种间关系，以维持生态系统的稳定

【试题分析】此题呈现了一个较为复杂的学习探索情境，体现学业质量水平“科学思维”的三级水平——基于事实和证据，运用归纳的方法概括出生物学规律，考查生态系统中信息的种类和信息传递在生态系统中的作用。完成本小题学生需要获取的信息有：①中间产物X 是圆石藻在生命活动过程中产生的化学物质；②中间产物X 的浓度上升到一定程度时使浮游动物对圆石藻的捕食明显减少。运用归纳与概括的科学思维，基于生物学事实，总结出中间产物X 的浓度上升到一定程度时，它能作为一种化学信息使浮游动物对圆石藻的捕食明显减少，这有利于调节生物的种间关系，以维持生态系统的稳定的科学论断。在获取有效信息和判断推理的过程中培养学生逻辑思维的严谨性、深刻性，在有逻辑的表达中培养学生思维的流畅性，发展学生获取信息的能力和理解能力。

本节课创设生态农场这一生产情境，围绕解决生产中的一系列问题展开复习，为学生提供了真实的表现机会。在问题引领和任务驱动下，学生通过自主学习、小组讨论、合作探究，灵活运用所学的知识和能力，解决真实、具体、富有价值的问题。通过主动加工，构建生命系统的信息传递概念模型，促进学生对细胞、个体、种群、生态系统的信息传递的深度理解和内容的有机整合。总之，整个教学过程中通过基于问题的学习和模型建构使学生实现深度学习，发展了学生的批判性思维和创造性思维，提高了学生的科学探究能力。