學(xué)習(xí)探索情境類試題對(duì)科學(xué)探究的考查例析

郭生鑫 姜萬錄

中國高考評(píng)價(jià)體系說明明確指出：命題要結(jié)合真實(shí)的情境載體，考查學(xué)生的遷移應(yīng)用能力.試題情境可以分為兩類：生活實(shí)踐情境和學(xué)習(xí)探索情境.其中學(xué)習(xí)探索情境源于真實(shí)的研究過程或?qū)嶋H的探索過程，涵蓋學(xué)習(xí)探索與科學(xué)探究過程中所涉及的問題.這類試題往往和科學(xué)研究密切相關(guān)，不僅展示科學(xué)探究的步驟，而且還體現(xiàn)科研工作者的思維過程和研究方法，能很好的考查學(xué)生在解決問題的過程中運(yùn)用創(chuàng)新思維的能力，下面結(jié)合實(shí)例解析這類試題考查方式.

一、對(duì)科學(xué)探究過程進(jìn)行考查

科學(xué)探究是人們?cè)谘芯孔匀豢茖W(xué)問題時(shí)所采用的方法，泛指科學(xué)家用于研究人類未知的自然界各種活動(dòng).其形式是多種多樣的，其要素有：提出問

題、猜想與假設(shè)、制定計(jì)劃與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與收集證據(jù)、結(jié)論與解釋、反思與評(píng)價(jià)、表達(dá)與交流.科學(xué)探究的每一個(gè)要素都可成為生物學(xué)試題考查的內(nèi)容，這類試題不僅能夠反映學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解，還能考查學(xué)生對(duì)科學(xué)的思想觀念和科學(xué)家研究自然界所用方法的領(lǐng)悟情況.

例1 1969年，道格·科曼將實(shí)驗(yàn)室中的兩類體型異常肥碩的小鼠（稱為db鼠和ob鼠）分別與正常鼠進(jìn)行了連體實(shí)驗(yàn).連體實(shí)驗(yàn)指將兩只鼠從肩膀到盆腔之間的皮膚連在一起，讓兩者的血液循環(huán)聯(lián)通.回答下列問題：

（1）實(shí)驗(yàn)前，科曼曾設(shè)想兩只小鼠肥胖的原因是血液中缺乏某種可以抑制食欲的物質(zhì)，若設(shè)想成立，則連體小鼠中的肥胖鼠的攝食量變化應(yīng)為.

（2）連體小鼠經(jīng)過一段時(shí)間恢復(fù)后，得到實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示.

表1

實(shí)驗(yàn)處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果

db鼠和正常鼠連體db鼠攝食量變化不大，正常鼠攝食量明顯減少

ob鼠和正常鼠連體ob鼠攝食量明顯減少，正常攝食量變化不大

①根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，小鼠肥胖的原因并不是血液中缺乏某種抑制食欲的物質(zhì)，科曼重新作出假設(shè)：db鼠血液中存在能抑制食欲的物質(zhì)且比正常鼠血液中濃度高，但db鼠，從而導(dǎo)致肥胖.而ob鼠肥胖的原因可能是缺乏該抑制食欲的物質(zhì).

②新的假設(shè)能完美解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為進(jìn)一步驗(yàn)證，可將db鼠和ob鼠進(jìn)行連體，若實(shí)施實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，說明新的假設(shè)成立.

③為排除手術(shù)等對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，實(shí)驗(yàn)中還需增設(shè)作為對(duì)照.

（3）1995年，這種能夠抑制食欲的化學(xué)物質(zhì)終于被確認(rèn)且被命名為瘦素.某研究小組分別將兩組小鼠做切除甲狀腺及假手術(shù)處理，發(fā)現(xiàn)切除甲狀腺導(dǎo)致血清瘦素水平上升.欲利用切除甲狀腺的小鼠繼續(xù)實(shí)驗(yàn)證明甲狀腺激素能抑制瘦素分泌，請(qǐng)寫出簡(jiǎn)要方案：

①分組.實(shí)驗(yàn)組：;對(duì)照組：.

②培養(yǎng)與檢測(cè)：.

（4）已知高脂飲食及年齡增長(zhǎng)都可引起瘦素分泌增多.若持續(xù)給兩組正常幼鼠分別喂食普通飼料和高脂飼料，請(qǐng)?jiān)谝粋€(gè)坐標(biāo)圖中用曲線預(yù)測(cè)血清瘦素（pg/ml）水平的變化.

解析 本題是以科曼所做“連體老鼠”實(shí)驗(yàn)探究肥胖的原因?yàn)榍榫?，著重考查學(xué)生依據(jù)假設(shè)進(jìn)行預(yù)期、依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果修正原假說、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果等科學(xué)探究相關(guān)要素.

（1）科曼通過外科手術(shù)，把肥胖小鼠和體型正常小鼠從肩膀到盆腔之間的皮膚連在一起，將兩者的血液循環(huán)聯(lián)通做成連體，這樣兩只小鼠體內(nèi)物質(zhì)就能通過血液循環(huán)進(jìn)行交流.按照他實(shí)驗(yàn)前的猜測(cè)如果兩只小鼠肥胖的原因是血液中缺乏某種可以抑制食欲的物質(zhì)，在和正常小鼠連接后，正常的小鼠可以產(chǎn)生可以抑制食欲的物質(zhì)，連通后肥胖小鼠可以從正常老鼠血液中獲取抑制食欲的物質(zhì)就能夠減肥，所以肥胖小鼠的攝食量應(yīng)減少.

（2）連體小鼠經(jīng)過一段時(shí)間恢復(fù)后，得到實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果確不像預(yù)期的那樣，而是正常小鼠與db鼠連體共生，正常飼喂一段時(shí)間后，正常小鼠攝食量明顯減少，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可推知，db小鼠肥胖的原因并不是血液中缺乏某種抑制食欲的物質(zhì)，可能是不能識(shí)別抑制食欲的物質(zhì).因此，科曼重新作出假設(shè)：db鼠血液中存在能抑制食欲的物質(zhì)且比正常鼠血液中濃度高，但db鼠不能識(shí)別抑制食欲的物質(zhì)，從而導(dǎo)致肥胖.可將正常小鼠與ob小鼠連體共生，正常飼喂一段時(shí)間后，正常小鼠無變化，ob小鼠攝食量略微減少，說明ob小鼠肥胖的原因可能是抑制食欲的物質(zhì)分泌不足引起的.

新的假設(shè)能完美解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為進(jìn)一步驗(yàn)證，可將db鼠和ob鼠進(jìn)行連體，則ob鼠可以獲得該物質(zhì)，ob 鼠攝食量下降，db 鼠攝食量變化不大.為了使實(shí)驗(yàn)更具有說服力，實(shí)驗(yàn)需要增加正常鼠的連體實(shí)驗(yàn)排除手術(shù)等對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響.

（3）欲利用切除甲狀腺的小鼠繼續(xù)實(shí)驗(yàn)證明甲狀腺激素能抑制瘦素分泌，其實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖羌谞钕偌に啬芤种剖菟胤置?，所以?shí)驗(yàn)材料是切除甲狀腺的小鼠，自變量是是否有甲狀腺激素，因變量是瘦素的含量，通過設(shè)置對(duì)照實(shí)驗(yàn)來研究，由于切除甲狀腺的小鼠甲狀腺激素減少，血清瘦素水平上升，通過是否補(bǔ)充甲狀腺激素，檢測(cè)血清瘦素含量變化即可證明.實(shí)驗(yàn)思路如下：

①分組：實(shí)驗(yàn)組：切除甲狀腺小鼠注射適量的甲狀腺激素或飼喂適量的甲狀腺激素（含甲狀腺激素的普通飼料）;對(duì)照組：切除甲狀腺小鼠注射適量的生理鹽水或飼喂適量的清水（普通飼料）.

②培養(yǎng)與檢測(cè)：相同環(huán)境培養(yǎng)，測(cè)定血清瘦素含量.

（4）根據(jù)題干的信息“高脂飲食及年齡增長(zhǎng)都可引起瘦素分泌”，所以坐標(biāo)曲線如圖1所示.

圖1

答案：（1）減少;

（2）①不能識(shí)別抑制食欲的物質(zhì);

②ob鼠攝食量下降，db鼠攝食量變化不大;

③正常鼠的連體實(shí)驗(yàn).

（3）①實(shí)驗(yàn)組：切除甲狀腺小鼠注射適量的甲狀腺激素或飼喂適量的甲狀腺激素（含甲狀腺激素的普通飼料）;對(duì)照組：切除甲狀腺小鼠注射適量的生理鹽水或飼喂適量的清水（普通飼料）;

②相同環(huán)境培養(yǎng)，測(cè)定血清瘦素含量（答不全不得分）.

（4）見解析.

二、對(duì)科學(xué)探究思維方法進(jìn)行考查

科學(xué)研究是一個(gè)在不斷試錯(cuò)中改進(jìn)的過程，在研究過程中為了達(dá)到某種目的要選擇不同研究方法，涉及到從事研究的計(jì)劃、策略、手段、工具、步驟以及過程.科學(xué)探究的基本方法有觀察法、實(shí)驗(yàn)法、調(diào)查法和資料分析法等.在生物學(xué)試題中，通過展示科研工作者從事某一項(xiàng)研究，多方位、多角度地采用不同的方法發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題，進(jìn)而對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維進(jìn)行考查.

例2 某植物的白花和紅花由一對(duì)等位基因A/a控制，取白花植株自交，子代表現(xiàn)為白花∶紅花=1∶1，重復(fù)多次均為上述結(jié)果.請(qǐng)回答下列問題：

（1）植物花色的顯性性狀為;能否判斷為AA純合致死并解釋原因..

（2）取白花植株進(jìn)行單倍體育種，發(fā)現(xiàn)所有植株均開紅花，出現(xiàn)上述結(jié)果的原因是.

（3）經(jīng)顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，白花植株體細(xì)胞中基因A、a所在的同源染色體中的一部分缺失，則缺失片段上（填“是”或“否”）含有等位基因A/a，原因是.

（4）請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)第（3）題中的分析進(jìn)行驗(yàn)證，并寫出預(yù)測(cè)結(jié)果.

解析 本題是以某植物花色遺傳為情境，展示科學(xué)探究的研究過程，在研究中采用不同的研究方法即實(shí)驗(yàn)法和觀察法，探究花色遺傳的本質(zhì)和規(guī)律.

實(shí)驗(yàn)法是在控制的條件下觀察、測(cè)量和記錄實(shí)驗(yàn)對(duì)象變化的一種研究方法，是科學(xué)研究中因果研究的最主要方法.其目的是要精確地確定變量間的函數(shù)關(guān)系，證實(shí)變量間因果關(guān)系的假設(shè).

（1）根據(jù)題中實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，取白花植株自交，后代出現(xiàn)紅花，表明發(fā)生了性狀分離比，說明白花對(duì)紅花為顯性，則親本白花的基因型為Aa，子代表現(xiàn)為白花∶紅花=1∶1，重復(fù)多次均為上述結(jié)果.若AA純合致死，白花自交后代應(yīng)出現(xiàn)2∶1的性狀分離比，與預(yù)期不符.

（2）取白花植株進(jìn)行單倍體育種，單倍體育種是通過花藥離體培養(yǎng)得到單倍體植株，再經(jīng)過人工染色體加倍獲得正常植株，其結(jié)果發(fā)現(xiàn)所有植株均開紅花，說明親代白花植株含基因A的花粉不育.

為進(jìn)一步探究A花粉不育的原因，試題中采用了觀察法，觀察法是指研究者有目的、有計(jì)劃地在自然條件下或限定條件下，用自己的感官和輔助工具（放大鏡、顯微鏡等儀器以及照相機(jī)、錄像機(jī)、攝像機(jī)等工具）觀察被研究對(duì)象，從而獲得資料的一種方法.科學(xué)的觀察是有計(jì)劃、有目的的，觀察時(shí)要全面、細(xì)致、實(shí)事求是，并及時(shí)記錄.

（3）經(jīng)顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，白花植株體細(xì)胞中基因A、a所在的同源染色體中的一部分缺失，再結(jié)合題干信息，白花植株自交，子代表現(xiàn)為白花∶紅花=1∶1， 若A/a位于缺失片段上，則子代不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)白花和紅花，所以缺失片段上不含有等位基因A/a.

（4）為了驗(yàn)證（3）題中假設(shè)，讓白花植株作母本，紅花植株做父本進(jìn)行雜交實(shí)驗(yàn)，觀察子代的性狀及比例.如果子代表現(xiàn)型及比例為白花∶紅花=1∶1 即可證明.

答案：（1）白花 不能，若AA純合致死，白花自交后代應(yīng)出現(xiàn)2∶1的性狀分離比;

（2）親代白花植株含基因A的花粉不育;

（3）否 若A/a位于缺失片段上，則子代不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)白花和紅花（其他答案合理即可）;

（4）讓白花植株作母本，紅花植株做父本進(jìn)行雜交，觀察子代的性狀及比例 預(yù)期結(jié)果∶子代表現(xiàn)型及比例為白花∶紅花=1∶1.

總之，科學(xué)探究不僅是一種方法，更是一種理念，通過試題能更好地考查學(xué)生對(duì)科學(xué)探究過程和思維方法的掌握，進(jìn)而提高學(xué)生學(xué)習(xí)能力和備考能力，提升生物學(xué)科核心素養(yǎng).

（收稿日期：2021-09-20）