试论科学思维在高考生物学试题的渗透及培养策略

余中宾 黄文文 黄涛

摘要 以2021年全国I卷生物试题为例，分析科学思维在高考生物学试题中的渗透体现，并阐述科学思维在高中生物学教学中的培养策略。

关键词 科学思维 高考生物试题 培养策略

中图分类号 G633.91

文献标志码 B

科学思维是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，对生命规律本质的判断及其相互关系的解释，以及对生命现象发展变化做出预测具有重要意义，是建构生物学概念、形成生命观念的重要方式。科学思维所包含的批判质疑、勇于探究的科学精神，是学生适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，是高考生物的重要考查方向。与识记基础知识、并在特定情境中进行应用和判断相比，科学思维在试题中考查更注重依据题设的生物学情境中事实、证据，进行演绎推理、归纳综合，创造性、批判性地解决问题和验证解答的过程，并最终得出结论。近几年考查科学思维的试题的分布和分值都很平稳（表1），但是从答题和实际得分的反馈情况来看，学生作答普遍停留在强行的机械记忆层面，逻辑混乱，表述不清，往往答非所问，科学思维的渗透和运用亟待提升。

12021年全国I卷中考查科学思维生物试题的分析

2021年全国I卷生物试题对科学思维的考查与往年一致，有选择题和非选择题。选择题强调了以题设信息为依据，对选项表述中推理的过程或结论进行判断。

[例1]5.在格里菲思所做的肺炎双球菌转化实验中，无毒性的R型活细菌与被加热杀死的S型细菌混合后注射到小鼠体内，从小鼠体内分离出了有毒性的S型活细菌。某同学根据上述实验，结合现有生物学知识所做的下列推测中，不合理的是（）

A.与R型菌相比，S型菌的毒性可能与荚膜多糖有关

B.S型菌的DNA能够进入R型菌细胞指导蛋白质的合成

C.加热杀死S型菌使其蛋白质功能丧失而DNA功能可能不受影响

D.将S型菌的DNA经DNA酶处理后与R型菌混合，可以得到S型菌

参考答案：D。

分析：此题可从结构和功能适应观角度审视，DNA是使细菌具有转化功能和细菌形态特征的结构基础。多糖荚膜是S型菌的结构，具有抵抗宿主吞噬细胞的的吞噬，有利于细菌的生存和繁殖的功能;DNA是遗传物质，通过指导蛋白质的合成控制生命活动，使R型菌具有了S型菌的特征。这个过程属于一般推理过程。依据蛋白质变性后不可恢复，DNA在高温处理后能恢复活性的原理，蛋白质不受DNA酶影响，DNA被DNA酶处理后会失去活性，不再具有转化的功能，体现了类比判断思维。

[例2]6.某种二倍体植物的n个不同性状由n对独立遗传的基因控制（杂合子表现显性性状）。已知植株A的n对基因均杂合。理论上，下列说法错误的是（）

A.植株A的测交子代会出现2n种不同表现型的个体

B.n越大，植株A测交子代中不同表现型个体数目彼此之间的差异越大

C.植株A测交子代中n对基因均杂合的个体数和纯合子的个体数相等

D.n≥2时，植株A的测交子代中杂合子的个体数多于纯合子的个体数

参考答案：B。

分析：本题是典型的依据构建数学模型进行分析和判断的。利用乘法原理的数学模型解释多对独立遗传的基因遗传后代多样性特点是重要的科学思维。在每一对基因完全显性的前提下，具有独立遗传的多对基因的植株测交产生后代的种类及比例是由配子种类及比例决定的，且表现型和基因型是一一对应，测交子代种类情况见表2。

由表2可知，n越大，测交子代的表现型的种类越多。但是，每一种子代的所占概率彼此相同，其数量是由子代总数决定的。

另外，第32题的遗传设计杂交实验中，黄体雌果蝇（XaXa）的两个亲本都能产生Xa配子，从亲代产生配子的种类及比例是解决遗传子代种类及表现型问题的关键思维角度，是创新思维的体现。数学思维的乘法原理是解决多对独立遗传基因的个体杂交后代概率问题的有效方法，例如32（2）题中（3∶1）（1∶1）=3∶1∶3∶1。

[例3]29.生活在干旱地区的一些植物（如植物甲）具有特殊的CO2固定方式。这类植物晚上气孔打开吸收CO2，吸收的CO2通过生成苹果酸储存在液泡中;白天气孔关闭，液泡中储存的苹果酸脫羧释放的CO2可用于光合作用。回答下列问题：

（1）略。

（2）气孔白天关闭、晚上打开是这类植物适应干旱环境的一种方式，这种方式既能防止，又能保证正常进行。

（3）若以pH作为检测指标，请设计实验来验证植物甲在干旱环境中存在这种特殊的CO2固定方式。（简要写出实验思路和预期结果）。

参考答案：（2）水分过度散失光合作用（暗反应）（3）实验思路：取若干生理状态相同的植物甲，平均分为A、B两组并于夜晚测定其细胞液pH。将A组置于干旱条件下培养，B组置于水分充足的条件下培养，其他条件保持相同且适宜。一段时间后，分别测定A、B两组植物夜晚细胞液的pH并记录。预期结果：A组pH小于B组，且B组pH实验前后变化不大，说明植物甲在干旱环境中存在这种特殊的CO2固定方式。分析：第（2）问的答案可以通过气孔具有在蒸腾作用中的散失水、光合作用过程中吸收CO2的生理作用进行归纳概括，属于由此及彼的推理过程。第（3）问首先需要确定实验自变量和因变量，挖掘出在题设条件下的CO2含量和溶液pH的对应关系，并以此预测可能的结果、得出结论。解决此类设计实验思路试题是利用创新和批判性思维等关键科学思维能力的体现。

2在生物学教学中培养科学思维的教学策略

高考生物试题对科学思维能力的考查，一般体现在学生获取生物学信息时分析和判断的思维逻辑层次、解释生物学现象及规律时使用科学方法进行逻辑推理的熟练程度，以及对解决题设问题时综合探究能力强弱。教师可以从以下方面培养学生的科学思维核心素养。

2.1在生物科学史学习中树立重视科学思维逻辑的观念

生物学科学史是指科学家对生命现象的研究过程，及其研究过程中发现的生物学知识原理、规律和采用的科学方法等。生命现象和规律的研究需要清晰的逻辑思维过程和严谨的科学方法，才能进行有效质疑、论证、解释、评价等。教师可利用科学史中前后事件延续的逻辑关系，用前一个科学史事件预测后一个科学史事件，或者由后一个科学史事件印证前一个科学史事件，为学生提供了运用科学思维的典范，是学生构建生物学概念、深刻领悟科学方法和树立科学思维观念的绝佳教学载体。例如，对生物膜的成分和结构的探究历程中，欧文顿利用500多种化学物质进行上万次的通透性实验后，综合归纳推断出细胞膜的主要成分是脂质;后续科学家预测出细胞膜是两层结构、推测出细胞膜含有蛋白质的依据是什么？罗伯特森使用电子显微镜的观察细胞膜，提出的暗-亮-暗的三层静态模型的假说为什么被质疑？科学家们又如何创造性地进行实验证明细胞膜具有流动性，并综合概括出流动镶嵌模型的？这些问题的解决往往前后科学史事件相互印证，严谨的逻辑思维过程在盘旋上升的科学发展中起到了重要作用。

2.2在科学实验中培养有效的科学思维的能力

培养有效的科学思维，首先要使学生学会观察与思考。很多生物学概念和结论都是建立在实验研究的基础之上。若脱离了科学思维，实验现象的观察是机械的，探究过程的分析和逻辑是混乱的，会导致实验设计题失分严重。教师结合科学思维训练引导学生实验探究，通过实验来发现和验证生命规律的特点，有利于培养学生科学思维的推理演绎、批判性评价和创新性能力。例如，燕麦胚芽鞘的向光弯曲生长是由于生长素在背光侧的浓度大于向光侧导致的。教师要鼓励学生进行批判性思维：是不是生长素浓度越大，生长速度越快？引导学生从稳态平衡观和适应观角度做出预测，并设计实验验证自己的想法。学生会主动确定实验探究的浓度梯度自变量和植物生长程度的因变量，并调整探索最适深度的范畴，从而深刻理解生长素的生理作用特点。

2.3在科学方法中理解科学思维的本质

2019年人教版高中生物学新教材增加了“科学方法”专栏，说明高中教学对科学方法的重视。科学方法需要科学思维支持，不少学生忽视科学方法的理解和感悟，不理解科学思维运用的本质，从而困惑于生物试题中运用科学思维的角度，往往出现了平时训练“看参考答案能够了解题设问题，不看答案的解题却答非所问，同一道试题过几天再做还是不会”的现象。例如，乘法原理在理论上很好地用每一对性状的3∶1分离比，推理出两对性状的豌豆杂交实验的9∶3∶3∶1自由组合现象。两对性状的自由组合现象的实质是控制两对性状的两对基因位于非同源染色体上，并通过测交进行演绎推理和验证。但是，测交后代的表现型及比例是由待测个体产生四种数量相同的配子比例决定的。一旦出现测交或者自交的异常结果，乘法原理的解释就可能行不通，需要调整思维从配子致死或者基因在染色体上的位置角度重新考虑。不少学生由于缺乏理解科学思维的实质，而对此类遗传试题束手无策。再如，减法原理的实质就是艾弗里将S型细菌的各种物质分开，看是否单独起到转化的作用，如果抛开减法原理的本质，就不会理解转化实验采用的科学方法。

2.4在综合表达训练中养成运用科学思维作答的习惯

高考试题的问题设计由浅入深、由易及难、由表及里的过程是离不开科学思维作支撑。非选择题中浅显容易的问题主要考查基本概念、过程和规律的理解和掌握，后续深层次、较难回答的问题需要逻辑推理、获取信息、综合分析与明确表达，渗透了对科学思维能力的考查。科学思维支撑着学生专业语言表达与文字书写逻辑性。作答的思维混乱、表述不清，与学生平时不注重善用科学思维的推理、不会用专业语言回答“原因是”“依据是”“可以得出的结论是”或“写出实验思路和预期结果”试题有关。前两者考查科学思维的演绎推理能力;后两者主要考查归纳和概括与创新性思维能力，如2021年高考全国I卷29题（3）、30题（3）和32题。可以预见这类试题在高考生物中还会加强。平时训练时，教师要遵循科学思维规律，如“根据现象提出问题—作出解释—类比推理—实验验证”。教师要引导学生在审题时抓住关键信息，分析其逻辑因果关系，用准确的专业术语答题等，在长期的训练中形成一定的作答的思维习惯，如“实验思路和预期结果”类试题的构建（图1）。

3对生物学高考考查科学思维的反思

生物学高考对科学思维的考查，是达到教育部考试中心要求的“试题在思维深度、作答难度等为前提进行梯度设置，更好地实现试题的区分目标”的有效考查方式，有利于区分学生的综合能力水平，是检验对生物学学科核心素养培育目标是否达成的有效途径之一。科学思维培养对教师提出更高的要求，需要教师认真研究高考生物学试题中科学思维渗透的特点和命题趋势，并以此为根据广泛涉猎丰富的蕴含科学思维的生物学材料，结合新课程标准、新教材进行有效筛选、精心设置题设问题。

总之，高考生物对科学思维的能力和方法考查是高考生物学试题发展的必然趋势。生物学高考注重领悟与体验，结合实验探究，强调对学生的科学思维培养，符合生物学科素养培育的要求。学生的生物学习能力的提高并不是仅靠已有知识的拼凑，而是依靠发展良好的科学思维，满足终生发展的需求。

参考文献：

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