考查高阶思维的高中生物学试题分析

上海 宋洁莲

新课标、新教材背景下的高考，不仅考查学生对学科核心知识的理解与掌握情况、关键能力的形成情况，同时还考查学生学科核心素养的发展水平。其中，对科学思维这一学科核心素养的考查是生物学高考试题的“基本骨架”，而高阶思维能力考查试题是评价学生科学思维核心素养发展水平的重要指标，在每年的高考题中都有一定比例考查高阶思维的试题。

一、高阶思维的内涵

著名教育家和心理学家布卢姆从认知目标分类角度，将思维过程具体分为记忆、理解、应用、分析、评价、创造六个认知层次，其中记忆、理解、应用为低阶思维，而分析、评价和创造为高阶思维。我国的钟志贤教授在《促进学习者高阶思维发展的教学设计假设》中提出：高阶思维是较高认知层次上的心智活动或较高层次认知能力，主要由问题解决、决策制定、批判性思维、创造性思维能力构成，因此高阶思维能力包括决策力、批判性思维能力、创新能力等。国际上如PISA测试、TIMSS测试等大规模教育质量评价项目都非常注重对学生高阶思维能力的评价。生物学是自然科学中的基础学科之一，生物学试题中测量学生的高阶思维表现情况时，应主要测量学生在真实、复杂情境中的分析、推理、判断、评价、创造等高阶认知行为的表现情况。

二、基于高阶思维考查的生物学试题分析

1.考查推理能力的试题

此类试题的特点是情境真实且复杂，是学生所不熟悉的，学生在解答时不能简单的通过理解、记忆等低阶思维进行答题，必须通过对真实情境中信息的获取、提炼、分析等高阶思维活动才能解决问题。

【例1】遗传性脑动脉病伴皮下梗死和脑白质病(简称乙型H病)是一种神经系统遗传病，一般在35岁左右开始发病，病情随年龄增长逐渐加重。乙家族的11号和13号个体患乙型H病，系谱图如图1所示(相关基因用B/b表示)。

图1

乙家族的16号和17号个体正在备孕，因双方父母中均有乙型H病患者，夫妇二人到医院做遗传咨询。医生为乙家族的部分个体做基因检测，用限制酶处理乙型H病相关基因片段后得到了表1所示的结果(“√”表示有该长度的DNA片段)。

表1

根据图1和表1中的信息，判断16号和17号所生孩子长大后不患乙型H病的概率是多少，并说明理由。

【答案】16号和17号所生孩子长大后不患乙型H病的概率是1/4。理由是从乙家族的系谱图可知11号和13号患乙型H病，12号和14号不患该病；从基因检测结果可知，酶切片段长度为80和160的碱基对与乙型H病致病基因有关，酶切片段长度为240的碱基对对应的是正常基因，得出11号为杂合子，13号为纯合子，由于11号和13号均患该病，可推知该病为显性遗传病。若为伴X染色体显性遗传病，父亲患病，则女儿一定患病，由15号未患病可知，该病为常染色体显性遗传病。从而得出16号和17号基因型均为Bb，由于不患乙型H病的基因型为bb，故16号和17号所生孩子长大后不患乙型H病的概率为1/4。

【解析】此题在解答的过程中，不能运用遗传病类型判断口诀进行判断，也不能通过简单的推理等思维活动进行解答，需要学生选择性地甄别真实情境中的信息，提炼出“一般在35岁左右开始发病，病情随年龄增长逐渐加重”，且对表中11号、12号、13号、14号的酶切片段长度等信息进行综合分析，推理出与乙型H病致病基因有关酶切片段长度和正常基因的酶切长度。根据酶切长度和表现型，推断出乙型H病是常染色体显性遗传病。同时根据表中的酶切片段正确写出16号和17号的基因型，计算16号和17号所生孩子长大后不患乙型H病的概率。

2.考查发散性思维能力和创造性思维能力的试题

此类试题在情境内容、题干给予的信息、解决的方法和试题的答案等方面都具有一定的开放性。一般答案不唯一，通常有多种解决方案。此类试题需要学生根据已学的生物学原理结合题干中的信息，运用发散性思维和创造性思维回答多种可能性的问题。

【例2】现有转BT基因抗虫棉品种甲和乙及非转基因棉品种丙。在花蕾期对叶片中色素、净光合速率日变化(图2)、胞间CO2浓度日变化(图3)进行了测量。结合图2和图3，推测图中阴影所示区段影响转基因抗虫棉品种乙净光合速率的因素可能有哪些？

图2

图3

【答案】光照强度下降，光合速率下降，引起净光合速率下降；温度下降，光合速率比呼吸速率下降得更快，引起净光合速率下降；虽然胞间CO2浓度基本不变，但气孔导度有可能下降，固定CO2酶的活性下降，造成暗反应速率下降，光合速率下降，引起净光合速率下降等等。

【解析】例2的情境来自真实的科研成果，学生根据情境中的内容思考“在12:30—13:30期间，转基因抗虫棉乙胞间CO2浓度基本不变，净光合速率下降”的原因。此题聚焦了影响光合作用的因素以及净光合速率=光合速率-呼吸速率的关系。由于试题给出了部分信息，因此要求学生多角度、开放式地思考问题，采用发散性思维去回答多个可能性的问题，答案是多样的、开放的，可以测评学生高阶思维能力中的发散性思维能力和创造性思维能力。

3.考查批判性思维能力的试题

此类试题往往呈现某一生物学的观点和结论，要求学生根据试题中提供的信息和已有的生物学知识，对某一问题或观点进行分析、判断，并做出正确的、客观公正的判断。

【例3】甲、乙两位学生从温暖的空调房来到寒冷的户外，觉得非常寒冷。其中甲同学认为从温暖的空调房来到寒冷的户外，机体产热增加；乙同学认为在寒冷环境中机体通过减少汗液分泌、收缩皮肤血管等机制减少散热，为了确保体温恒定，产热必须等于散热，因此产热也将减少。两人为此展开了辩论，你认为谁的主张正确？请指出错误的一方错在何处，并说明理由。

【答案】甲同学的观点正确。乙同学错在认为在寒冷环境中机体产热减少。当由温暖环境来到寒冷环境时，由于机体与环境间的温差加大，导致散热增加，下丘脑-垂体-甲状腺的分泌活动加强，增加产热才能继续维持体温恒定(合理均可)。

【解析】例3需要学生根据已有的人体体温维持相对稳定的机理解释生活中的实际问题。人体体温维持相对稳定的机理是产热和散热达到动态平衡。在寒冷环境下，人体通过骨骼肌战栗、甲状腺激素和肾上腺素分泌增加来增加产热；通过立毛肌收缩、皮肤血管收缩减少散热，从而维持体温相对稳定。在炎热环境下，人体通过汗液分泌增加、皮肤血管舒张等增加散热途径而维持体温相对稳定。根据人体体温维持相对稳定的机理，可以推测寒冷情况下，机体与环境间的温差加大，导致散热增加，下丘脑-垂体-甲状腺的分泌活动加强，产热量也会增加，所以答案为甲同学的观点正确，乙同学观点错误。例3可以实现对学生高阶思维中的批判性思维进行测评。

4.考查评价和设计科学实验能力的试题

考查评价能力的试题一般要求学生根据真实的情境，对问题的观点进行评价，根据学生的思路是否清晰、表达是否全面、表达的理由是否支持相应的观点等对学生进行考查。考查设计能力的试题同时测评着学生的高阶思维能力。

【例4】科研人员以甜瓜为对象，探究温度和CO2浓度对甜瓜光合速率(光合作用合成有机物的速率减去呼吸作用消耗有机物的速率)的影响，结果如图4。依据图4中的研究结果，有人提出两种可能的控制方案以提高甜瓜产量：方案一，CO2浓度设定为1.4～1.6 mL/L，温度设定为30℃；方案二，CO2浓度设定大于1.6 mL/L，温度设定为26℃。你认为这两种方案各自的合理和局限之处是什么？

图4

【答案】从图4可以发现方案一甜瓜的光合速率最大，有利于提高甜瓜的产量。但只根据图4难以判断30℃是否是甜瓜生长的最适温度，还需进一步进行实验验证；方案二温度设定为26℃，为甜瓜生长的较适宜温度，随着CO2浓度增高，直到大于1.6 mL/L，有可能甜瓜的光合速率继续增大，有利于提高甜瓜的产量。但只根据图4难以判断当CO2浓度设定大于1.6 mL/L时，甜瓜生长是否进一步增加，需进一步进行实验验证。此题无论学生答方案一还是方案二，只要支持观点的理由阐释正确，表达清晰、有逻辑，答案就是正确的。此题考查了学生分析数据、阐释自己观点的语言表达能力，同时测评了学生的高阶思维能力。

【解析】例4要求学生根据已有的光合作用和呼吸作用的知识结合图中提供的信息，写出支持方案中各观点的理由，以及在此基础上方案中的局限之处。

【例5】“洛阳红”牡丹，花大色艳，但花期较短。科研人员为了明确遮光对“洛阳红”牡丹花期与花色的影响，进行了探究实验。表2显示了向叶片喷施蔗糖后“洛阳红”牡丹还原糖和花苷素的含量。已知花苷素含量越高，“洛阳红”牡丹花色越浓；遮光可使“洛阳红”花期延长，在50%遮光条件下“洛阳红”的花期更长。请你设计实验探究在何种条件下可以保证“洛阳红”自然花色不受影响且花期更长，并阐述实验设计思路。

表2

【答案】在50%遮光左右设置不同的遮光比例梯度若干组，施加70%浓度的蔗糖溶液，其他条件保持一致,选取花期最长的遮光比例；在70%蔗糖溶液浓度左右设置不同的蔗糖浓度梯度若干组，施加50%遮光,其他条件保持一致，选取花期最长的蔗糖浓度，同时施加选取的遮光比例和蔗糖浓度验证其是否最长，若低于单独条件施加的花期长度则需要进一步选取不同的遮光比例与蔗糖浓度组合，重复实验进行验证。

【解析】例5的试题情境素材来自科学研究的文献。在解答时，学生需要阅读、提取题干中有利于解题的信息，进一步明确探究(探索)什么、研究的对象是什么、怎样的步骤去展开等。此题需提取“花苷素含量越高，‘洛阳红’牡丹花色越浓”以及“50%遮光条件下洛阳红的花期更长”的有用信息，结合对表中数据的解读，寻找解题的线索。解答时，首先要通过分析得到在50%遮光并向叶片喷施0.7 mol/L蔗糖溶液的情况下，花期更长、花色更浓的结论。然后根据获得的结论，进一步探究在何种条件下保证洛阳红自然花色不受影响下，花期更长的问题，最后阐述实验设计思路。此题考查学生实验方案的设计能力、表达能力、创造性能力等高阶思维能力。