基于科学解释模型和SOLO 分类理论谈科学解释试题测评

河北

目前科学教育正在从过去重视对事实知识的获得，到现在重视对科学知识与探究历程的理解转变，因此鼓励学生表达和论证观点，能促进他们更好地理解学科概念。科学解释类试题不仅可以作为评价学生对概念理解程度的工具，而且也是测评科学思维品质的重要手段，具有很好的区分度，因此成为每年试题命制的重要视角。本文尝试从科学解释模型、基于SOLO 分类理论对学生作答科学解释类试题进行分级两个角度谈谈笔者的一点思考，以期对教师和学生的高考复习起到抛砖引玉的作用。

一、科学解释

（一）定义

科学解释包括用批判性和逻辑性思维思考证据和解释之间的关系。

科学解释包括三个要素：提出主张、使用证据和科学推理支持主张。主张是对某一现象或数据所做的陈述。证据主要指《中国高考评价体系》中必备知识，即《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）规定的必修内容和选择性必修内容，由生物学的基本概念、基本规律、基本方法组成的学科知识体系。科学推理主要指《课程标准》中科学思维的要素，如归纳与概括、演绎与推理等。

（二）模型

现行高考生物测评涉及的科学解释模型主要有如下三种：

1.演绎-规律解释模型（D-N 模型）

该模型由亨普尔和奥本海默于1948 年提出。该模型建立的假设是“自然界的图景可以被表达和概括出来作为‘自然定律’”。科学解释就是为某自然定律所蕴含的现象建构意义，即从一般性的前提出发，通过推导得出具体陈述或个别结论。

该模型的解释分为两部分：

（1）被解释项：描述需要被解释的现象的句子，是考生需要完成的测评情境；（2）解释项：引用的以解释现象的句子集合，包括陈述前提条件的句子（条件） 和引用普适定律的句子（必备知识或“超标”的生物学概念）。

例如“从细胞水平解释胚芽鞘向光弯曲生长的原因”：

被解释项：在单侧光照射下，胚芽鞘向光弯曲生长。

解释项：多细胞生物体体积的增大，既靠细胞生长增大细胞的体积，还靠细胞分裂增加细胞的数量；背光侧与向光侧的细胞体积显微图像。

科学解释：在细胞数量相同的情况下，背光侧细胞体积大于向光侧细胞体积，因此胚芽鞘向光弯曲生长。

2.归纳-统计模型（I-S 模型）

该模型提出的背景是20 世纪时原子物理、遗传学和量子力学等领域取得了举世瞩目的成就，而这些领域中的许多科学解释都以统计和概率为核心。亨普尔拓展了科学解释模型，提出了归纳-统计模型，即透过个别事物和现象认识隐藏在其中的普遍规律和本质。

例如建构细胞分化的概念：

被解释项：实例①比较构成人体组织的细胞的形态、结构和功能；实例②比较植物体的不同细胞的形态、结构和功能。

解释项：由实例①和实例②分别归纳概括，可得人体或植物体的各种细胞在形态、结构和功能上各不相同，但它们都源自早期胚胎细胞。进一步归纳概括，可得①细胞分化在自然界的生物体中普遍存在；②“细胞在发育过程中已在形态、结构和功能上发生了变化”这一细胞分化概念的基本内涵。

科学解释：细胞分化是在个体发育中，由一个或一种细胞增殖产生的后代，在形态、结构和生理功能上发生稳定性差异的过程。

3.类比推理模型

类比推理模型的假设是新异事件与经验中的熟悉事件具有许多共同要素；某解释项与熟悉事件之间存在解释关系，推出该解释项与新异事件也存在解释关系。

例如萨顿提出的“基因在染色体上”的假说：

被解释项：染色体与基因的相似性（见表1）。

解释项：基因控制生物体性状；遗传物质是亲代与子代之间传递遗传信息的物质。

科学解释：染色体控制生物体性状，是遗传物质。进一步推论，可得基因是一种物质，位于染色体上。

表1 染色体与基因的相似性

二、典型试题分析

笔者基于SOLO 分类理论对学生作答进行分级。（SOLO 分类评价法见笔者发表在《教学考试》2019 年第4 期《SOLO 分类评价法在“原因类”试题中的应用》一文）

【例1】（2019 年，全国卷Ⅲ，第30 题节选）动物初次接受某种抗原刺激能引发初次免疫应答，再次接受同种抗原刺激能引发再次免疫应答。某研究小组取若干只实验小鼠分成四组进行实验，实验分组及处理见表2。

表2

回答下列问题。

（3）A 组小鼠再次注射抗原甲，一段时间后取血清，血清中加入抗原甲后会出现沉淀，产生这种现象的原因是_____________________________。

【答案】（3）抗原与抗体特异性结合

【试题分析】

（1）类型判断：基于对必备知识的理解，运用演绎-规律模型解释生活、学习和实践情境。

（2）必备知识：抗体是机体受到抗原刺激后产生的，并且是能与该抗原发生特异性结合的具有免疫功能的球蛋白，主要分布于血清中，也分布于组织液及外分泌液中。

（3）学生作答：学生作答的水平划分见表3。

表3 学生对例1 作答的水平划分

【例2】（2016 年，全国卷Ⅲ，第30 题节选）回答下列问题：

（2）在饥饿条件下，一段时间内人体血浆中葡萄糖和酮体浓度变化的趋势如图1 所示。酮体是脂肪酸分解代谢的中间产物，其酸性较强。人在某些情况下不能进食时，需要注射葡萄糖溶液，据图1 分析，注射葡萄糖溶液除了可以满足能量需求外，还可以__________________。

图1

【答案】（2）避免因酮体浓度升高而引起的内环境pH 下降

【试题分析】

（1）类型判断：基于对“超标概念”的理解，运用演绎-规律解释模型解释生活、学习和实践情境。

（2）必备知识：“超标概念”，即以文字的形式呈现“酮体是脂肪酸分解代谢的中间产物，其酸性较强”；以曲线图形式呈现“血浆中酮体浓度与葡萄糖浓度呈负相关”。

（3）学生作答：学生作答的水平划分见表4。

表4 学生对例2 作答的水平划分

【例3】（2016 年，全国卷Ⅰ，第30 题节选）为了探究生长条件对植物光合作用的影响，某研究小组将某品种植物的盆栽苗分成甲、乙两组，置于人工气候室中，甲组模拟自然光照，乙组提供低光照，其他培养条件相同。培养较长一段时间（T）后，测定两组植株叶片随光照强度变化的光合作用强度（即单位时间、单位叶面积吸收CO2的量），光合作用强度随光照强度的变化趋势如图2 所示。回答下列问题：

图2

（3）播种乙组植株产生的种子，得到的盆栽苗按照甲组的条件培养T 时间后，再测定植株叶片随光照强度变化的光合作用强度，得到的曲线与甲组的相同。根据这一结果能够得到的初步结论是________________。

【答案】乙组光合作用强度与甲组的不同是由环境因素低光照引起的，而非遗传物质的改变造成的

【试题分析】

（1）类型判断：基于对实验证据的理解，运用归纳-统计模型解释科学实验和探究情境。

（2）必备知识：基因与基因、基因与基因产物、基因与环境之间存在着复杂的相互作用，这种相互作用形成了一个错综复杂的网络，精细地调控着生物体的性状。

（3）学生作答：本题还涉及比较思维方法和探求因果联系的逻辑方法。学生作答的水平划分见表5。

表5 学生对例3 作答的水平划分

【例4】（2019 年，全国卷Ⅰ，第6 题）某实验小组用细菌甲（异养生物）作为材料来探究不同条件下种群增长的特点，设计了三个实验组，每组接种相同数量的细菌甲后进行培养，培养过程中定时更新培养基，三组的更新时间间隔分别为3 h、10 h、23 h，得到a、b、c 三条种群增长曲线，如图3 所示。下列叙述错误的是 （ ）

图3

A.细菌甲能够将培养基中的有机物分解成无机物

B.培养基更换频率的不同，可用来表示环境资源量的不同

C.在培养到23 h 之前，a 组培养基中的营养和空间条件都是充裕的

D.培养基更新时间间隔为23 h 时，种群增长不会出现“J”型增长阶段

【答案】D

【试题分析】

（1）类型判断：基于对必备知识的理解，运用类比推理模型解释科学实验和探究情境。

（2）必备知识：种群的“J”型增长模型和“S”型增长模型比较。

（3）解题思路：由“培养基的更新时间间隔分别为3 h、10 h、23 h”可知，提供给不同组细菌生长的营养物质的量是不同的，即①a 组的环境资源量最充裕；②a 组细菌种群增长曲线大致呈“J”型。综合①②发现：a 组细菌培养条件、结果与种群的“J”型增长模型、时间-种群数量曲线均相似，因此可以推理得出“a 组培养基中的营养和空间条件都是充裕的”，C 正确。培养基更新时间间隔为23 h（c 组）时，培养初期的曲线与a 组（已判断符合“J”型增长）重合（相似），因此c 组在培养初期出现“J”型增长阶段，D 错误。

基于以上分析，科学解释测评不仅涉及对必备知识的理解、从情境中提取与主张相关的证据，还有科学解释模型的运用，因此在备考过程中，教师和考生可以从上述三个角度分析考生的作答，以达到精准复习的目的。