基于生物学核心素养的高考命题研究

  摘 要:生物学核心素养由生命观念、理性思维、科学探究和社会责任组成,这些要素具有跨学科性质,但在生物学科中具有独到的价值。阐释这些要素在生物学定义和价值,为“基于生物学核心素养”而进行的高考命题指明了方向;高考中既要考察四个素养的不同层次,又要着重考察理性思维和科学探究,并且尽量在真实的情境中作答,还要改变考题的呈现形式,以充分利用好“高考指挥棒”的作用,为发展学生的生物学核心素养这一生物学课程的根本目的服务。

  关键词:高考改革;高考命题;生物学核心素养;新课标

  2014年4月,教育部颁布的《关于全面深化课程改革,落实立德树人根本任务的意见》(以下简称《意见》)明确提出将“发展学生核心素养体系”的研制与构建作为推进课程改革深化发展的关键环节。《意见》的出台,为课程改革指明了方向,即落实立德树人是课程改革的核心和根本任务,发展学生的核心素养是育人的重要目标。《意见》还指出当前存在的差距,如“重智轻德,单纯追求分数和升学率,学生的社会责任感、创新精神和实践能力较为薄弱”“与课程改革相适应的考试招生、评价制度不配套,制约着教学改革的全面推进”,等等。《意见》十分明确地告诉我们,不仅课程标准需要基于核心素养来设计和实施,学生的学业评价标准和高考考试标准同样需要围绕着核心素养来进行设计。

  2016年2月公布的“中国学生发展核心素养”(征求意见稿)中提出要发展学生9大核心素养。基于此,生物学课程标准、生物学学业评价标准、生物学高考考试标准都需要基于生物学核心素养来设计和实施。

  1  生物学核心素养的界定及解读

  1.1  生物学核心素养的定义

  基于核心素养的定义,生物学核心素养是指学生在接受生物学教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展所需要的必备品格和关键能力,是学生通过学习生物学内化的带有生物学科特性的品质,是学生科学素养的关键成分。 

  1.2  生物学核心素养的要素分析

  生物学核心素养由四个要素组成:生命观念、理性思维、科学探究、社会责任。这四个要素是一个统一的整体:生命观念是生物学核心素养的基础和支柱;生命观念的形成过程中离不开理性思维和科学探究,理性思维和科学探究互为倚重,理性思维是科学探究的重要内涵,科学探究是理性思维的实证过程;在形成生命观念、进行理性思维和科学探究的过程中,最终形成一定的社会责任意识和义务。它们的关系如图1所示。

图1  生物学核心素养四个要素之间的关系

  核心素养是跨学科的,同样生物学核心素养也具有跨学科的性质。生命观念、理性思维、科学探究和社会责任是科学课程所共有的素养,是跨学科的。例如,生命观念中的“结构与功能的统一观”,不仅在生命个体或系统中表现出来,在其他学科中也能表现出来。有机化学分子中的结构基团与其功能是统一的;物理机械中的结构与其功能也是统一的;生活中各种物理设施的结构与其功能同样是相一致的。理性思维、科学探究和社会责任更是如此。因此,生物学核心素养与其他学样的核心素养一样,具有跨学科性质。

  与其他学科一样,每个学科的核心素养也有其独特性,各个学科强调或侧重于本学科中一些重要的特性,是核心素养分级组分中最具特色的部分。例如,“结构与功能的统一观”在生物学科中就体现出了生物学科的独特价值:从宏观来看,个体和生态系统的结构和功能是统一的;从中观来看,细胞(包括细胞的各个结构)、器官、系统的结构与功能是统一的;从微观来看,构成细胞的大分子(蛋白质和核酸)的结构与其功能也是统一的。如果我们用这些生物学中的鲜活的事例来引导学生认识“结构与功能的统一性”这一生命观念,便有了独特的价值:生命的各个层次因为其结构与功能的统一性,让我们认识到生命是精致的,有什么样的结构就会表现出相应的功能。由此,我们可以形成这样的生命认知:从结构上可以推测其生理功能,从生理功能上可以推测其结构特点,生物体的结构与其功能的统一性体现了生物适应环境的特点。

  1.2.1 生命观念  

  生命观念是指对生命现象的相互关系或特性进行分析后所进行的抽象,是经过实证后的想法或观点,它有助于理解或解释较大范围的相关事件和现象。

  生命观念不等同于生物学重要概念,具有跨概念性和上位性,是众多概念的归纳、总结和提炼。生物学中最重要的一些生命观念及其阐释如下。

表1  生物学中生命观念的阐释及概念支撑

生命观念

生物学阐释

概念支撑例证

结构与功能观

生物体的结构与功能是相适应的,是生物长期进化所形成的,是生物适应环境的一种体现

●动物各个器官的结构和功能是统一的(个体水平)

●植物六大器官的结构与功能是统一的(个体水平)

●细胞及细胞器的结构与功能是统一的(细胞水平)

●蛋白质和核酸的结构决定其功能(分子水平)

物质与能量观

物质的合成与分解总是伴随着能量的吸收或释放而进行;生态系统中的物质循环总是伴随着能量的流动而展开

●光合作用是将无机物合成有机物,将太阳能转变为化学能,并将化学能贮存在合成的有机物中

●呼吸作用是细胞将有机物分解,同时释放能量的过程

●在生态系统中,物质的循环总是伴随着能量的流动而进行

进化与适应观

适者生存,不适者被淘汰,生物是不断进化的,进化是生物适应环境的表现;生物适应环境的形式是多种多样的

●生物的进化顺序是:从水生到陆生,从简单到复杂,从高等到低等

●种内进化的本质是种群基因频率的定向改变

●种间生物可以进行协同进化

●生物与环境之间也是相互影响的

●进化的结果就是生物多样性的形成

稳态与平衡观

生命系统是一个稳态和平衡的系统,稳态和平衡是通过调节来实现的

●细胞生活在一个液体环境中,液体中各种物质的含量及理化因子是处于动态平衡之中的

●人体的稳态是通过神经-体液-免疫的调节来实现的

●植物体内各种激素的调节共同维持了植物的生长和发育

●生态系统的稳定性分为抵抗性稳定性和恢复力稳定性

  1.2.2 理性思维  

  理性思维是一种建立在证据和逻辑推理基础的思维,它是一种有明确的思维方向,有充分的思维依据,能对事物或问题进行观察、比较、分析、综合、抽象与概括的一种思维。理性思维的类型有:比较与分类、分析与综合、归纳与演绎、抽象与概括、建立模型、批判性思维,等等。

  比较与分类  比较是人们根据一定的认识和实践目的,把一事物与其他事物的属性和特征加以比较,以确定事物之间的共同点和差异点的思维方法;分类是根据对象的共同点和差异性,把对象分为不同种类的逻辑思维方法。比较是分类的基础,只有比较对象的共同点和差异性,才能进行科学的分类。分类分为“分”和“类”,“分”的依据是对象的不同点,“类”的依据是对象的相同点,分类体现了客观事物的共性与个性的差异,有助于人们更好地认识客观事物的本质特点。

  分析与综合  分析是把研究对象的整体分解为部分或局部,对部分或局部分别进行研究的思维方法;综合与分析相反,是从整体上去认识和把握研究对象的思维方法。分析是综合的基础,综合是分析的发展,分析之后要进行综合,综合之后要进行分析,二者相互依存,相互渗透甚至相互转化。自然科学中的任何活动都离不开分析,无论是观察与实验,比较与分类,还是归纳与演绎都离不开分析,分析是最基本的科学方法。在分析的基础上进一步综合,是思维的延续和发展。概念的形成就是分析与综合的结果。

  归纳与演绎:归纳就是在个别中发现一般的推理形式和思维方式;演绎就是在一般中发现个别的推理形式和思维方式。归纳与演绎的实质表明,它们是两个对立的方面,是两个方向相反的认识方法,它们既是对立的又是统一的。人们对事物的认识往往从个别开始,然后扩展到一般,再从一般进一步认识个别。一些概念的形成就归纳的结果,对这些概念进行检验和运用体现了演绎的思维方法。

  抽象与概括  抽象是指抽取客观事物的一般的、本质属性的思维方法;概括是指把抽象出来的个别事物的本质属性连接起来,推及到其他同类事物上去,从而归结全类事物的共性的思维方法。抽象与概括是形成概念的重要思维方法。大多数生物学概念的形成都是抽象与概括的结果,抽象与概括是生物分类中常用的思维方法。

  建立模型  又称建模,就是为了理解事物而对事物作出的一种抽象。生物学中的模型类型有物理模型、数学模型和概念模型。从广义来看,概念的建构过程就是建立模型的过程,概念的形成就是模型的形成过程;从狭义来看,建模是研究系统的重要方式,凡是用模型描述系统的因果关系或相互关系的过程都属于建模。

  批判性思维  是指具有目的性和反思性的判断。批判性思维既包括阐释、分析、推理、评估、解释和自我调整等认知技能,也包括好奇、敏锐、求真等思维习性 [2]。批判性思维是探究的重要工具,求证、理性、开放、灵活、正确评价、审慎作出判断、愿意重新考虑并做出调整,是批判断性思维的特点,也是核心素养的重要特点。

  1.2.3 科学探究  

  科学探究强调的是学习方式和研究方式,同时也是学习科学知识、发展理性思维、形成科学态度和精神的一种过程。科学探究是一种综合的能力,其本质是提出问题和解决问题,其核心内涵包括探究的问题、方法、过程、结果和交流,科学探究还包括科学态度和精神。学科教学中的科学探究一般包括提出问题、作出假设、制订计划、实施计划、得出结论、表达和交流几个环节。

  科学探究的最高素养水平为一系列的能力所组成:(1)观察能力:能够恰当选用并熟练运用工具展开观察;(2)提出问题的能力:针对日常生活的真实情境提出清晰的、有价值的、可探究的生命科学问题;(3)制订并实施方案的能力:基于对相关资料的查阅,设计并实施恰当可行的方案;(4)获取证据或数据的能力:运用多种方法如实记录,并创造性地运用数学方法分析实验结果;(5)表达和交流的能力:能够在团队中起组织和引领作用,并运用科学术语阐明实验结果,展开交流。

  1.2.4 社会责任 

  随着生物科学的迅猛发展,生物科学技术正在越来越多地走入社会,进入人们的生活。如转基因、克隆、基因测序、检测和治疗、胚胎分割和移植等技术一方面服务于大众,另一方面又在某些层面和程度上引起人们的担心和质疑。因此,学习生物学,就应该具有生物学科的社会责任意识和担当能力,应该基于生物学的认知积极主动地参与与个人和社会事务相关的讨论,作出理性的解释和判断,并尝试解决生产生活中的生物学问题。

  与生物学有关的社会责任主要涉及三个方面:(1)关注生物学中的社会议题,参与讨论并作出理性解释,辨别迷信和伪科学;(2)主动向他人宣传健康生活、关爱生命和保护环境等相关知识;(3)结合本地资源开展科学实践,尝试解决现实生活中与生物学相关的问题。

  2  如何在高考中体现核心素养的考查

  新一轮课程改革强调发展学生的核心素养,因此,未来的高考和学业水平考试应该与课程改革的目标统一起来,这有利于将教学和测评统一起来,学有所考,用考来促进学,以达到共同发展学生核心素养的目的。

  生物学高考同样要体现生物学核心素养的考查目标。目前的生物学科在高考中主要考查理解能力、获取信息的能力、实验与探究的能力、综合运用知识的能力。这四项能力并不能完全涵盖生物学核心素养的四项要素。因此,新的高考生物学考试大纲需要进行调整,应该与新的课程标准的学科核心素养保持一致,同时生物学高考命题也需要围绕生物学核心素养来实施。

  2.1 重视理性思维和探究能力的考查

  如何在高考试题中考查生命观念、理性思维、科学探究、社会责任?关于生命观念的考查,如果以直接提问的形式考查“结构与功能观”“物质与能量观”“进化与适应观”“稳态与平衡观”,显然是将素养的考查机械化和简单化了,同时也给命题带来很大的难度。可以采取的形式有:(1)让学生从所给材料中总结或提炼出生命观念;(2)生命观念是由众多重要的生物学重要概念支撑的,可以考查学生对这些概念的理解、迁移和运用的能力,即以重要概念为载体,重点考查学生的理解和运用概念的能力。

  理性思维和探究能力应该是高考考查的重点。生物学作为一门科学课程,具有科学课程的共同特点,即注重证据和逻辑。对证据的选择、分析和判断是理性思维的结果,逻辑推理既是理性思维的过程,也是理性思维的要求。探究过程和方法,以及探究过程中表现出来的逻辑推理能力,超越了学生所需要获得的重要知识,是核心素养中关键能力的直接表现,必须在新的生物学高考中予以重视。

  2.2 设置核心素养的考查级别

  高考的主要功能是选拔,但是,如果过分强调高考的选拔功能,就会对日常教学造成负面影响。目前高考录取率已经超过70%,上大学是大多数高中学生的必由之路,因此,仅为选拔而进行的高考显然违背了当前的社会环境。另一方面为降低学生的学业负担和高考压力,应该准确地对核心素养进行分级,并确定每项素养的不同级别水平。在一份试卷中对各项素养的不同级别分别进行考查,使不同级别的核心素养都有体现,防止只测试最高水平的核心素养,这样有利于不同水平的学生对不同级别的核心素养的发挥。

  2.3 设置真实的作答情境

  什么情况下才能真实地表现出学生的关键能力和必备品格?当然是在真实的情境下。因此,高考试题需要创设一定的情境,让学生在情境中表现自己的真实水平。一般简单的情境达不到检测目的,因此,需要设置相对真实的情境。情境越真实越能反映学生的核心素养水平,情境可来源于科学技术与社会的联系,可来源于科学研究的过程和成果,可来源于真实的现实生活。在真实情境中考核学生的生物学核心素养,应该成为高考命题的重要方向。

  2.4 通过设计新题型考查逻辑思维和语言表达能力

  目前的生物学高考试题有单选题和非选择题2种题型,其中非选择题的形式是填空题。这种碎片化的知识与能力考核形式极大地限制了学生的思维水平的发挥,也无法真实准确地考查学生的能力状况。

  生物学核心素养要求用正确的生命观念和理性思维来看待与分析社会、生产和生活中所遇到的生物学问题和其他问题,用理性思维和科学探究的精神来解决这些问题,正确分析自己所需要承担的社会责任并勇于实践。因此,碎片化的知识与能力考核是无法推动生物学教学与教育的发展的,无法满足落实发展学生的核心素养这一根本目标。因此,应该设置相应的问题情境,将填空式作答改为问答式作答,让学生充分地表达自己的思维状况和逻辑推理水平,同时可以检测学生的语言表达能力,为学生进一步学习和走入社会奠定基础。

  3.基于核心素养的生物学高考试题编制例析

  例1:

  某海岛生活一种黑尾鸥的海鸟,因为人为环境的破坏,导致黑尾鸥的数量急剧下降,为了保护黑尾鸥,人们将该岛设为自然保护区并进行了科研调查,下表为黑尾鸥14年间的种群增长速率。

  回答下列问题:

  (1)除了建立自然保护区保护黑尾鸥这一措施外,有人认为还可以采取迁地保护,你认为可行吗?说明你的理由。

  (2)为了调查黑尾鸥的种群数量变化,采取最合理的调查方法是什么?原因是什么?

  (3)14年间,黑尾鸥的种群数量的增长呈现型曲线,黑尾鸥在年的数量达到了最大值,这是海岛所能维持的种群最大的数量,称为        量。

  (4)岛上有一种专吃黑尾鸥的蝮蛇,为了更好地保护海岛的生态系统,有人认为应该在14年以后开始捕杀蝮蛇,你的观点和理由是什么?

  本题题干基本来自一个真实的情境,试题设问既有填空式,也有问答式,设问相对具有开放性。

  本题所涉及的生物学核心素养的表现及级别如下:

表2  核心素养的表现及级别

题号

考查的核心素养

核心素养表现

素养级别

(1)

生命观念

理解保护多样性常用的两种措施:迁地保护和就地保护(建立自然保护区);分析黑尾鸥的生活和活动特点,采用恰当的保护措施。

生命观念的2级水平

(2)

科学探究

分析黑尾鸥的活动特点,采取最适宜的标记重捕法进行调查

科学探究的2级水平

(3)

理性思维

分析题干中提供的数据,绘制直观的曲线图,得出相应的结论

理性思维的3级水平

(4)

社会责任

认同保护生物多样性需要遵循自然规律,蝮蛇有利于维持海岛生态系统的稳定性

社会责任的3级水平

  注:素养一般分为4级水平,1级为基础,2级为中级,3级为高级,4级为最高

  例2:

  Ⅱ型糖尿病患者多以胰岛素抵抗为主,即靶器官对胰岛素反应性降低,并与肥胖高度相关。研究小组进行了如下实验:对照组大鼠一直饲喂普通饲料,实验组以高糖高脂饲料饲喂大鼠,制造胰岛素抵抗糖尿病模型,然后再将其分为模型组与模型运动组(即加强运动),经过6周训练后,各组体重、血糖指标和脂肪细胞瘦素受体蛋白表达情况如下表。

  回答问题:

  (1)表中的血糖浓度和胰岛素水平是一种什么关系?

  (2)瘦素是脂肪细胞分泌的一种激素,可以调节摄食中枢的活动,促进脂肪分解成葡萄糖。在模型组中可以明显看出,大鼠的瘦素水平高于对照组,但大鼠体重并没有降低,从表中数据分析,这主要是什么原因影响了脂肪的分解?

  (3)从表中的数据分析,运动是从哪两个方面来达到缓解糖尿病的目的的?

  (4)设置对照组的目的是什么?模型组和模型运动组是什么关系?

  (5)从上述实验的结论中,你针对糖尿病病人能提出哪些好的保健意见?

  本题题干来自科学实验的方法和数据,需要学生依据实验的具体情况作答。题目设问为问答式,部分设问具有一定的开放性。

  本题涉及的生物学核心素养的表现及级别如下:

表3  核心素养的表现及其级别

题号

考查的核心素养

核心素养表现

素养级别

(1)

生命观念

知道血糖浓度的平衡是胰岛素等激素分子进行调节的结果

生命观念的1级水平

(2)

理性思维

比较对照组和模型组中的瘦素、胰岛素和瘦素受体蛋白的水平,能够作出准确的判断

理性思维的3级水平

(3)

理性思维

依据题干中的数据分析运动的两方面作用:可以促进瘦素水平或瘦素受体蛋白水平的提高,以加强脂肪的分解,减轻体重;可以促进胰岛素的敏感性升高,从而加快葡萄糖的分解

理性思维的4级水平

(3)

科学探究

明确对照组、模型组和模型运动组的作用,理解设置对照组和实验组的必要性

科学探究的2级水平

(4)

社会责任

关注饮食和运动对于糖尿病病人的影响

社会责任的2级水平

  基于核心素养进行高考命题,是未来高考命题和各类考试命题的指导方向和原则,是教育教学活动中的必答题。这对于课程改革的顺利推进、引领课堂教学改革和高校选拔合格人才都具有十分重要的战略及现实意义。但这又是一项高难度的创新工作,需要更多人贡献智慧,更多的研究者和一线教师进行深入地研究和实践。

  参考文献

  [1] 吴成军.初中生物学科学方法体系的建构及其教学建议.中学生物教学[J],2014(10):4. 

  [2] Santa Clar(美).教建颖,李琼译.批判断性思维:它是什么,为何重要.工业和信息化教育[J],2015(7):10.

  本文发表于2016年第10期的《中国考试》杂志


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