河北 蘇洪波 夏 舟

隨著課程改革的不斷推進(jìn)，科學(xué)教學(xué)實現(xiàn)了從過去重視事實性知識的獲得到現(xiàn)在強調(diào)科學(xué)知識的理解的轉(zhuǎn)變，“解釋”作為師生交流的重要橋梁，既是教師幫助學(xué)生理解概念、規(guī)律和原理的手段，也是學(xué)生建構(gòu)、展現(xiàn)和增進(jìn)科學(xué)知識理解的工具。因此，培養(yǎng)和測評學(xué)生的科學(xué)解釋能力對學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)以及教師反思改進(jìn)科學(xué)教學(xué)具有重要意義。

1.科學(xué)解釋的CER框架

所謂科學(xué)解釋即是用批判性思維和邏輯性思維思考證據(jù)和解釋之間的關(guān)系，其基本成分包括三個要素：主張(claim)、證據(jù)(evidence)、推理(reason)，即CER(圖1)。

圖1

主張(C)是學(xué)生對某一現(xiàn)象、事物或數(shù)據(jù)所做的斷言或結(jié)論。

證據(jù)(E)是支持某種主張的科學(xué)數(shù)據(jù)、學(xué)科概念、規(guī)律或原理等信息。

推理(R)是從一個或幾個已知的命題出發(fā)推出另一個新命題的思維形式。推理既涉及由數(shù)據(jù)到證據(jù)的選擇和使用的邏輯聯(lián)系，又涉及由證據(jù)到主張的邏輯聯(lián)系，即信息加工環(huán)節(jié)。由于這兩部分均是基于對生物學(xué)概念、規(guī)律的理解，因此推理是這三部分(CER)中最難的。

2.科學(xué)解釋水平分級

筆者結(jié)合《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》)、CER框架和SOLO分類理論，將“科學(xué)解釋”進(jìn)行不同水平劃分(表1)。

表1

3.典型測評分析

3.1 理解必備知識，運用演繹-規(guī)律模型科學(xué)解釋

這種類型科學(xué)解釋是運用演繹-規(guī)律模型為某必備知識所蘊含的現(xiàn)象建構(gòu)意義解釋。

必備知識是《課程標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的必修內(nèi)容和選擇性必修內(nèi)容，是由生物學(xué)的基本概念、基本規(guī)律、基本方法組成的學(xué)科基礎(chǔ)知識體系。

演繹-規(guī)律模型的解釋分為兩部分：(1)被解釋項，需要解釋的現(xiàn)象，即測評情境；(2)解釋項，包含陳述前提條件的普適定律，即條件化的必備知識。

【例1】(2019年，全國卷Ⅱ，第29題節(jié)選)某研究小組切取某種植物胚芽鞘的頂端，分成甲、乙兩組，按圖2所示的方法用瓊脂塊收集生長素，再將含有生長素的瓊脂塊置于去頂胚芽鞘切段的一側(cè)，一段時間后，測量胚芽鞘切段的彎曲程度(α角)，測得數(shù)據(jù)如表2所示。據(jù)此回答問題。

圖2

表2

(2)圖2中α角形成的原因是_____________________。

【評析】本題涉及的證據(jù)(E)是必備知識，即在一定濃度范圍內(nèi)，生長素在細(xì)胞水平上起著促進(jìn)細(xì)胞伸長的作用；推理(R)包括演繹-規(guī)律模型、比較思維方法。學(xué)生應(yīng)答的水平劃分見表3。

表3

3.2 即時學(xué)習(xí)知識，運用演繹-規(guī)律模型科學(xué)解釋

這種類型科學(xué)解釋是運用演繹-規(guī)律模型為即時學(xué)習(xí)的新概念、新知識所蘊含的現(xiàn)象建構(gòu)意義解釋。

即時學(xué)習(xí)是在學(xué)以致用的培養(yǎng)理念下，要求學(xué)生從生物學(xué)視角發(fā)現(xiàn)試題情境中文字、圖表、數(shù)據(jù)等蘊含的生物學(xué)信息，判斷這些信息的重要程度，進(jìn)而概括與提煉、組織與運用這些信息解決問題。如2018年全國卷Ⅱ第31題以文字形式呈現(xiàn)“恐懼生態(tài)學(xué)”、2019年全國卷Ⅰ第32題以圖的形式呈現(xiàn)“非等位基因之間的關(guān)系”、2019年全國卷Ⅱ第29題以數(shù)據(jù)表格形式呈現(xiàn)“瓊脂塊中的生長素含量”。

【例2】(2018年，全國卷Ⅱ，第31題節(jié)選)大型肉食性動物對低營養(yǎng)級肉食性動物與植食性動物有捕食和驅(qū)趕作用，這一建立在“威懾”與“恐懼”基礎(chǔ)上的種間關(guān)系會對群落或生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，此方面的研究屬于“恐懼生態(tài)學(xué)”范疇?；卮鹣铝袉栴}：

(2)如果將頂級肉食性動物引入食物網(wǎng)只有三個營養(yǎng)級的某生態(tài)系統(tǒng)中，使得甲、乙兩種植食性動物間的競爭結(jié)果發(fā)生了反轉(zhuǎn)，即該生態(tài)系統(tǒng)中甲的數(shù)量優(yōu)勢地位喪失。假定該反轉(zhuǎn)不是由于頂級肉食性動物的直接捕食造成的，那么根據(jù)上述“恐懼生態(tài)學(xué)”知識推測，甲的數(shù)量優(yōu)勢地位喪失的可能原因是______________________________(答出一點即可)。

【評析】本題涉及的證據(jù)(E)是新概念、新知識，即“恐懼生態(tài)學(xué)”；推理(R)包括演繹-規(guī)律模型、比較思維方法、建構(gòu)模型等。學(xué)生應(yīng)答的水平劃分見表4。

表4

3.3 即時學(xué)習(xí)知識，運用基于統(tǒng)計的模型解釋

這種類型科學(xué)解釋是運用基于統(tǒng)計的模型為即時學(xué)習(xí)的新概念、新知識所蘊含的現(xiàn)象建構(gòu)意義解釋。

原子物理、遺傳學(xué)和量子力學(xué)等在20世紀(jì)取得了舉世矚目的成就，而這些領(lǐng)域中的許多科學(xué)解釋都以統(tǒng)計和概率為核心，因此研究人員拓展了科學(xué)解釋模型，如演繹-統(tǒng)計模型、歸納-統(tǒng)計模型、統(tǒng)計-相關(guān)模型等。這些模型將統(tǒng)計定律納入科學(xué)解釋的證據(jù)(E)，相關(guān)的推理(R)有歸納推理、探求因果聯(lián)系的邏輯方法。

【例3】為了探究某地夏日晴天中午時氣溫和相對濕度對A品種小麥光合作用的影響，某研究小組將生長狀態(tài)一致的A品種小麥植株分為5組，1組在田間生長作為對照組，另4組在人工氣候室中生長作為實驗組，并保持其光照和CO2濃度等條件與對照組相同。于中午12∶30測定各組葉片的光合速率，各組實驗處理及結(jié)果如表5所示：

表5

回答下列問題：

根據(jù)本實驗結(jié)果，可以推測中午時對小麥光合速率影響較大的環(huán)境因素是________，其依據(jù)是_________________。

【評析】本題涉及的證據(jù)(E)是基于實驗數(shù)據(jù)建構(gòu)的新概念、新知識，即“夏日晴天中午時對小麥光合速率影響較大的環(huán)境因素是相對濕度”；推理(R)包括歸納-統(tǒng)計模型、比較思維方法和探求因果聯(lián)系的邏輯方法。學(xué)生應(yīng)答的水平劃分見表6。

表6

3.4 理解必備知識，運用類比模型科學(xué)解釋

這種類型科學(xué)解釋是運用類比模型為某必備知識所蘊含的現(xiàn)象建構(gòu)意義解釋。

類比推理過程需要經(jīng)歷如下兩步：步驟一是確認(rèn)與試題情境具有最多共同要素的熟悉事件；步驟二是以某解釋項與熟悉事件之間存在解釋關(guān)系為前提，推岀該解釋項與試題情境中新異事件也存在解釋關(guān)系。

【例4】(2019年，全國卷Ⅲ，第31題)回答下列與種群數(shù)量有關(guān)的問題。

(1)將某種單細(xì)胞菌接種到裝有10 mL液體培養(yǎng)基(培養(yǎng)基M)的試管中，培養(yǎng)并定時取樣進(jìn)行計數(shù)。計數(shù)后發(fā)現(xiàn)，試管中該種菌的總數(shù)達(dá)到a時，種群數(shù)量不再增加。由此可知，該種群增長曲線為________型，且種群數(shù)量為________時，種群增長最快。

(2)若將該種菌接種在5 mL培養(yǎng)基M中，培養(yǎng)條件同上，則與上述實驗結(jié)果相比，該種菌的環(huán)境容納量(K值)________(填“增大”“不變”或“減小”)。若在5 mL培養(yǎng)基M中接種該菌的量增加一倍，則與增加前相比，K值________(填“增大”“不變”或“減小”)，原因是______________________________。

【評析】第(1)題涉及“類比推理”。熟悉事件是“S型曲線是指種群在經(jīng)過一定時間的增長后，其數(shù)量會趨于穩(wěn)定(K值)的增長曲線。”試題情境是“將某種單細(xì)胞菌……培養(yǎng)并定時取樣進(jìn)行計數(shù)……試管中該種菌的總數(shù)達(dá)到a……不再增加?！痹囶}情境的描述符合“S”型曲線所描述的特征，故該種群增長曲線為“S”型。由“S”型增長曲線可知，在縱坐標(biāo)為K/2處，即種群數(shù)量為a/2時，其切線斜率最大，即單位時間內(nèi)增長的數(shù)量最多，種群增長最快。

第(2)題是應(yīng)用演繹-規(guī)律模型科學(xué)預(yù)測實驗現(xiàn)象。涉及的證據(jù)(E)是必備知識，即環(huán)境容納量是指在環(huán)境條件(即空間和營養(yǎng)物質(zhì)的量)不受破壞的情況下，一定空間中所能維持的種群最大數(shù)量。推理(R)包括演繹-規(guī)律模型、比較思維方法。學(xué)生對第(2)題第三空應(yīng)答的水平劃分見表7。

表7