基于高考评价体系的生物学科关键能力考查研究

郭学恒，吴成军

2017年，中共中央办公厅、国务院办公厅印发《关于深化教育体制机制改革的意见》明确提出：要注重培养支撑终身发展、适应时代要求的关键能力，并进一步指出认知能力、合作能力、创新能力、职业能力4种关键能力的内涵。2019年，教育部考试中心发布中国高考评价体系，基于全面发展育人目标，将高考考查内容凝练为“核心价值、学科素养、关键能力、必备知识”。其中关键能力是指即将进入高等学校的学习者在面对与学科相关的生活实践或学习探索问题情境时，高质量地认识问题、分析问题、解决问题所必须具备的能力[1]。为提高高考考查关键能力的有效性，应建立关键能力测评框架。通过构建生物学科关键能力测评框架，助力高考发挥立德树人、服务选才、引导教学的核心功能。

一、生物学科关键能力测评框架的构建

生物学科关键能力是指学生经过生物学的学习后，在应对与生物学相关的生活、生产实践及科学探究等问题时，所必须具备的认识问题、分析问题、解决问题的能力[2]。这些能力有助于支撑学生终身发展和适应时代要求。学习生物学，主要是习得生物学概念，发展生物学的学科思维，因此可以从“概念习得”维度分析关键能力；认识问题、分析问题、解决问题的能力是所有学科都致力发展的能力要求，但不同的学科所表现出来的能力是有差别的，可以从“学科表现”的维度分析关键能力；能力是外显的，测评能力更需要设置任务情境，让能力得以表现出来，因此可以从“行为表现”维度分析关键能力的显性程度。由此，生物学科关键能力测评框架可以从概念习得、学科表现、行为表现3个维度来建立。

概念习得，是指通过概念的习得而获得的关键能力。依据概念的习得程度，可以将关键能力划分为理解、运用、迁移3个层次。这3个层次的关键能力按照思维的复杂程度划分，逐层递进。

学科表现，是指理解和运用学科概念、规律、原理分析问题、解决问题的能力。根据学科表现的差异，将关键能力划分为理解能力、探究能力、应用能力、创新能力。其中，理解能力是指对生物学概念、原理、规律的理解；探究能力主要是指开展实验探究的能力；应用能力是指在特定情境中运用生物学概念、原理、规律分析问题、解决实际问题的能力；创新能力表现为发现新问题、提出新解释或者解决新问题的能力。

行为表现，是指受思想支配而表现出来的行为活动能力。依据行为表现的显性程度，将关键能力划分为认知能力、实践能力和创新能力。认知能力仅限于思维层面，行为动词有辨认、比较、解读、推理、归因等；实践能力是在思维基础上进行的实践活动，包括探究能力和应用能力，行为动词有论证、评估、评价等；创新能力是发现新问题、提出新解释，用新思路和新方法解决问题的能力，行为动词有提出、设计等。

概念习得、学科表现、行为表现这3个维度是紧密联系和相互关联的，构成了一个统一的整体。认知能力也是理解能力，主要表现为信息获取和处理内化；探究能力和应用能力是实践能力的学科化表现，是运用概念解决实际问题的能力；创新能力对应的是迁移能力，主要表现为在新情境中解决实际问题的能力。生物学科关键能力测评框架如图1所示。

图1.生物学科关键能力测评框架

学科表现维度4项能力体现了生物学科关键能力的基本内涵，是考查关键能力的重要方面。理解能力是基础，是逻辑联系、逻辑推理、信息加工和处理、判断与表达的高级思维活动；探究能力是学科专业能力的表现；应用能力着眼于综合运用所学知识，解释或解决与生物学相关的生活、生产实践等情境中的问题而体现的能力；创新能力是高阶能力，是综合能力的集中体现。

二、生物学科关键能力的测评

学科表现维度的关键能力包括理解能力、探究能力、应用能力和创新能力，其彰显了学科特质，是生物学科关键能力体系的核心。

（一）理解能力

理解能力是指了解、明白事理而表现出来的知识和技能的倾向。按思维的复杂程度，可将理解能力分为初级水平、中级水平和高级水平3个层级。

初级水平的理解能力是指能辨认和识别对象，并且能对对象命名，知道对象“是什么”。这类水平所表现的行为动词有识别、比较等。例如，基因是指具有遗传效应的DNA片段。这一概念指出了基因的本质特征，通过这个概念可以识别什么是基因。如，通过显微镜观察水体生物，发现有生物呈草鞋样，并不停地游动，就会根据所学草履虫的知识识别该动物为草履虫。这是对草履虫形态结构的理解，是一种低级水平的理解，只需要将已有知识与所观察的对象进行联系。一般对客观对象形态结构的识别大多是知觉水平的理解，如对细胞中各种细胞器的理解。

中级水平的理解是指对客观事物的本质与内在联系的揭示，主要表现为能够理解概念、原理和规律的涵义，知道客观事物“怎么样”。这类水平所表现的行为动词有说明、解释、概述等。例如，理解光合作用的原理，能根据光照强度、二氧化碳浓度等环境因素变化判断光反应和暗反应发生的变化及原因。大多数生物学概念、原理、规律需要达到中级水平的理解层次。

高级水平的理解是指在概念理解的基础上进一步系统化，重新建立或者调整认知结构，达到融会贯通并能够迁移运用，知道客观事物“为什么”。高级水平理解的实质是应用水平。这类水平所表现的行为动词有推理、归因、阐明等。例如，将光合作用和呼吸作用的原理应用于制定作物生长最优措施、提高水果含糖量等问题。高级水平的理解主要体现在运用生物学原理和规律解决新情境中问题的能力。

从行为动词和行为表现两个维度细化理解能力，有助于更好地实施测评和培养（见表1）[3]。

理解重要概念是分析问题和解决问题的基石。对理解能力各层级的考查，可以引导教师重视重要概念的建构，帮助学生深入理解重要概念的内涵关系。下面的试题体现了理解能力的考查。

表1.理解能力测评框架

例1．（2016年北京卷第1题）将与生物学有关的内容依次填入下图各框中，其中包含关系错误的选项是

本题考查了细胞中的化合物、性染色体类型、物质跨膜运输、有丝分裂等概念及其之间的内在联系，从行为动词来看，是“说明”水平，考查了表1中③的行为表现。

例2.（2020年全国III卷第31题）假设某种蓝藻（A）是某湖泊中唯一的生产者，其密度极大，使湖水能见度降低。某种动物（B）是该湖泊中唯一的消费者。回答下列问题：

（1）该湖泊水体中A种群密度极大的可能原因是_______（答出2点即可）。

（2）画出该湖泊生态系统能量流动的示意图。

（3）假设该湖泊中引入一种仅以A为食的动物（C）后，C种群能够迅速壮大，则C和B的种间关系是_______。

本题的3个问题均考查重要概念的理解能力，从行为动词来看，第（1）问考查的是“归因”水平，即表1中⑦的行为表现；第（2）问考查表1中⑧的行为表现；第（3）问考查的是“推理”水平，即表1中⑥的行为表现。

（二）探究能力

探究是指在观察和实验的基础上提出生物学问题，形成猜想并作出假设，设计实验或制定方案、进行实验或完成方案、得出结论的过程。探究还包括对特定的生物学现象或事实，进行观察、提问、讨论和交流的过程。基于生物学自然科学的属性，探究能力是生物学科关键能力考查的主要目标。对探究能力的考查可以引导教学中重视发展学生的科学探究素养。探究能力包括实验操作能力和实验探究能力，这两个维度的能力又可细分为一系列梯度的能力要求[4]（如表2）。

表2.探究能力测评框架

对探究能力的考查涉及实验设计能力、数据处理能力、信息处理和转化能力、具体操作能力、语言表达能力等，这些能力贯穿于整个实验与探究活动之中[5]。下面的试题考查体现了探究能力的不同维度。

例3.（2019年全国I卷第29题，节选）将生长在水分正常土壤中的某植物通过减少浇水进行干旱处理，该植物根细胞中溶质浓度增大，叶片中的脱落酸（ABA）含量增高，叶片气孔开度减小。回答下列问题。

（3）有研究表明：干旱条件下气孔开度减小不是由缺水直接引起的，而是由ABA引起的。请以该种植物的ABA缺失突变体（不能合成ABA）植株为材料，设计实验来验证这一结论。要求简要写出实验思路和预期结果。

本题的第（3）问要求学生设计实验验证结论，考查的是表2中③的行为表现。

（三）应用能力

应用能力是指运用概念、原理、规律和方法对生物学问题进行分析并提出解决方案的能力。应用能力的表现水平能够较好地体现学习效果。应用能力的考查需创设合适的问题情境，要求考生分析情境中的问题，提出解决问题的思路、方法和途径（见表3）。

表3.应用能力测评框架

下面试题体现了应用能力的考查。

例4.（2020年全国I卷第30题，节选）农业生产中的一些栽培措施可以影响作物的生理活动，促进作物的生长发育，达到增加产量等目的。回答下列问题：

（3）农业生产常采用间作（同一生长期内，在同一块农田上间隔种植两种作物）的方法提高农田的光能利用率。现有4种作物，在正常条件下生长能达到的株高和光饱和点（光合速率达到最大时所需的光照强度）见下表。从提高光能利用率的角度考虑，最适合进行间作的两种作物是_____________，选择这两种作物的理由是_______。

在本题的第（3）问中，从株高的角度分析，间作是高矮植株搭配种植于农田，株高作物接受的光照强度大，株矮的作物接受的光照强度小。株高差异不是间作的唯一必要条件，还要考虑两种作物间作后光照强度能否达到光饱和点，从而使光合速率较高、长势较好。作物因株高差异使接受光照强度不同，光饱和点与光合速率的关系等概念是学生所熟悉的，将这些概念很好地应用于具体的生产实践，考查表3中②的行为表现，有助于引导教师在教学中重视培养学生将概念应用于生产实践的应用能力。

（四）创新能力

创新能力是指能针对生物学现象与事实发现新问题、提出新解释或作进一步探究的能力，创新能力还包括分析问题和解决问题过程中所表现出来的新思维、新方法等。对创新能力的考查有助于引导教学中注重培养学生的创新能力，引导学生面对问题能够采用新的思路或新方法，激发创新思维[6]。

对创新能力的考查需要创设新的问题情境，设置新的试题呈现方式或设问方式，使考生能在新情境中积极思考，完成探究性或开放性的任务（见表4）。

表4.创新能力测评框架

下面的试题考查了学生的创新能力。

例5.（2020年全国II卷第38题，节选）植树造林、“无废弃物农业”、污水净化是建设美丽中国的重要措施。回答下列有关生态工程的问题：

（3）在污水净化过程中，除发挥污水处理厂的作用外，若要利用生物来回收污水中的铜、镉等金属元素，请提供一个方案：_______。

本题的第（3）问考查表4中①的行为表现，要求学生提供一个“利用生物回收污水中的铜、镉等金属元素”的方案。这是一道开放性试题，不限定唯一答案，即解决问题的方式可以多样，如种植能吸收铜、镉等金属元素的植物，从植物中回收；在污水中培养能吸收铜、镉等金属元素的微生物，再从微生物中提取这些元素等等。学生采取什么方案，体现了学生采用新方法或新思路解决问题的能力，亦体现了创新性的考查要求[7]。

三、生物学科关键能力的考查路径

（一）基于重要概念的理解与运用考查理解能力和应用能力

概念是能力表现的重要载体，对概念的理解和运用是能力的重要表现形式。运用概念解释、解答问题体现了理解能力，运用概念解决具体问题体现了应用能力。能力水平越高，作为支撑的概念理解和应用就越深入。例如，运用光合作用的概念，可以解释生产实践中控制温度、增加光照强度、提高二氧化碳浓度等措施提高作物产量的原因，并可在实践中制定提高作物产量的具体措施；运用遗传定律的概念，可以解释或解决杂交育种中选育优良性状个体的问题。

生物学是由一系列重要概念所组成的认知体系，学习生物学的主要任务之一是习得概念。关键能力框架中的理解、运用、迁移，就是主要针对习得概念的层面来设计的。对重要概念的理解和运用的考查体现了对关键能力的评价，由此引导教学中重视重要概念的建构学习。

（二）合理创设情境考查探究能力和应用能力

学生在生活、学习和后续的工作中会面临各种各样的实际问题，这些问题需要直面解决，因此，对解决问题能力的考查和引导显得尤为重要。解决问题主要运用的能力包括探究能力和应用能力。探究能力和应用能力的考查需要借助于完成具体任务，即解决真实情境问题的表现进行推测和判断。在真实情境中做出的分析和决策，能够反映学生真实的能力水平。因此，创设真实的任务情境是考查上述能力的前提保证。这些情境可来源于生活、生产和科研三个方面，包括健康生活、遗传现象、生产实践、生物科学进展、科学研究的过程和成果等。

简单的情境对考查关键能力的达成度相对较低，因此需要设置相对复杂的情境。在复杂的情境中分析问题时，学生要能够识别重要信息，将这些信息进行有机整合，进行逻辑的推理和判断，列出解决问题的思路和方法，这些都是表现关键能力的重要方面。

例6.（2019年全国III卷第29题，节选）氮元素是植物生长的必需元素，合理施用氮肥可提高农作物的产量。回答下列问题。

（2）农作物吸收氮元素的主要形式有铵态氮（NH4+）和硝态氮（NO3-）。已知作物甲对同一种营养液（以硝酸铵为唯一氮源）中NH4+和NO3-的吸收具有偏好性（NH4+和NO3-同时存在时，对一种离子的吸收量大于另一种）。请设计实验对这种偏好性进行验证，要求简要写出实验思路、预期结果和结论。

本题以施用氮肥这一常用的作物种植措施为素材，创设农业生产中氮肥选取问题的情境，要求学生对作物吸收氮肥形式偏好性设计实验进行验证，即在相对复杂情境中考查解决实际问题的探究能力。试题情境贴近生活和生产实践，靠近学生学习中所触及的情境类型，构建学生理解和分析问题的平台，使学生能更充分地表现其探究能力，提高评价目标的达成水平。

（三）设置开放性试题考查创新能力

创新能力的考查有助于创新型人才的培养。考查创新能力需要跳出相对固定的考查模式限制，摆脱唯一答案的束缚。因此需要设置开放性试题，创设情境激发学生的创新思维。例如，通过创设新的问题情境，设计开放的作答任务，要求考生综合运用概念和方法等。

例7.拟除虫菊酯是人工合成的神经毒性杀虫剂，通过作用于Na+通道蛋白起作用。自然状态下的野生型果蝇对拟除虫菊酯敏感，无抗性（由D基因控制）。抗性果蝇对拟除虫菊酯不敏感，有抗性（由D1基因控制）。将非抗性雄蝇和抗性雌蝇杂交，子一代为抗性果蝇。子一代果蝇相互交配，子二代中抗性果蝇与非抗性果蝇的比为3∶1。为确定抗性基因D1是否位于X染色体上，有三位同学分别从三种不同的角度对此进行了研究：方法一，用新的方法对实验数据进行统计和分析；方法二，传统杂交技术；方法三，电泳技术。请针对上述三种方法写出大致思路和预期结果。

从题的设计来看，本题有别于传统试题中由一个问题限定于一种既定思维模式的解答方向，而设置3个不同的解答方向，这本身就是一种创新。创新的设计必然打破学生已有的思维定势，要求学生根据提示创新设计出新的思路和方法，这是一种解决问题方法上的创新，较好地考查了学生的创新能力。

考查学生的探究能力，特别是考查学生的实验设计能力，也是创新能力的重要体现。在实验设计活动中，需要学生设计实验方案、预期实验结果、得出实验结论，完成这些任务都需要学生具备一定的创新能力。

四、结语

加强关键能力的考查是发展核心素养的基本要求[8]，也是在高考中践行立德树人的重要举措。建构关键能力测评框架需要更多的理论探讨，也需要实践中的检验和完善。将理论与实践紧密结合，构建的关键能力测评框架能更好地服务于高考评价，以此实现“立德树人、服务选才、引导教学”的核心功能，助力育人方式改革，实现生物学科育人价值[9]，更好地培养时代发展所需要的人才。