论生物学现象解释的要素——...考全国甲卷理科综合第29题_吴开其.pdf

论生物学现象解释的要素 兼析 2022 年高考全国甲卷理科综合第 29 题吴开其1，2崔鸿1(1 华中师范大学生命科学学院武汉430079;2 四川省泸县第二中学泸州646100)摘要完成生物学中现象的解释，离不开“表征解释对象”“确定解释取向”“寻找解释依据”“进行逻辑推理”四个要素。用这些要素对试题中“原因是什么”这类问题剖析，可见生物学中现象解释的归因方式多样，试题中问题的设置应根据提问需要控制其开放程度。关键词生物学现象解释科学解释原因类问题开放性问题试题命制解释是生物学中重要的认知心理活动，利用生物学概念、规律或原理对生物学现象的解释是对生物学核心素养水平划分的重要依据，也是对核心素养评价的重要途径。1生物学现象解释的要素生物学中的解释是人们对生命现象认识的过程，具体是“为什么”“原因是”这类问题的回答，是对生命事物的存在、发生、结果进行推理的过程，包括以下四个要素。1 1表征解释对象生物学中解释的对象是我们能描述的生命现象。主要有三种表征形式:感知觉获得的现象，包括自然界客观事物的大小、颜色、气味、冷热、过程或状态，如一盆向光弯曲的植物;数据、图表、图形等符号所表示的现象，如人体至少可以产生109种抗体;抽象的语言或文字等符号指示的现象，如“神经递质从突触前膜释放作用于突触后膜”这一用言语表达的事实。鉴于现象和本质是相对的，解释的对象也可是现象背后的本质，如“神经递质从突触前膜释放作用于后膜”可解释“兴奋在神经元之间的单向传递”，“突出前膜释放神经递质，突触后膜上有相应的受体”又可进一步解释“神经递质只能从突触前膜释放作用于突触后膜”。1 2确定解释取向解释的取向即现象发生所归因的方向。一个现象可立足于其背后的质料、目的、形式或动力进行阐明。例如，绿色植物为什么能进行光合作用，可有四种解释方向:因为提供有光合作用的场所、结构和原料(质料因)，是植物适应于环境的结果(目的因)，是因为遗传信息记录着光合作用的程序(形式因)，是外部影响和内部代谢联动所致(动力因)。其中目的论取向的解释较为特殊，当考虑个体目标活动时，可以认为是合目的的1，例如以防御目的解释“拟态”。在“四因说”基础上，可更具体地往功能生物学和进化生物学方向归因，分别对应“远因”和“近因”2。例如，迈尔将一种莺的迁徙行为往生态(为了获取食物)、遗传(进化的结果)、内在生理(生物活动周期性结果)、外在生理(外界温度变化)四个角度归因，前两者为远因，后两者为近因。1 3寻找解释依据现象解释的关键在于寻得可靠的依据，按照科学哲学家亨普尔的观点，所给出的解释内容需要从普遍的定律中推演出来3。生物学中通常由一些概念和结论充当“定律”供解释推演。公认的法则、理论或学说作为“定律”，例如以“协同进化理论”解释“某种蛾类昆虫专门给某种兰花传粉”;确定的概念作为“定律”，例如利用“所有生物的发育都受自身基因的调节与表达控制”这样的全称命题对细胞分化的解释;数学统计结果作为“定律”，生物学中存于数学的内在关系也可以预测性地解释生命现象，例如用相邻两个营养级间的传递效率是 10%20%这一归纳解释能量金字塔;将事物固有的特性作为“定律”，例如“密码子具有简并性”可解释“基因发生突变而蛋白质没有发生改变”。1 4进行逻辑推理解释活动从发生看是一个推理的活动，解释要有理有据地“循理”“推类”。演绎推理。从已知推出未知，根据普遍的“定律”去解释具体结果。例如，因为有机物中都含有碳元素，生物体中有大量有机物，所以生物体中碳元素的含量很高。归纳推理。例如解释“生物体中碳元素的含量很高的原因”，除用上述演绎推理外，同时可对“生物体含有碳链构成的蛋白质、核酸、糖、脂类”进行归纳解释。发生学推理。解释一个事件即展示它如何发生。把研究的对象作为在一个事件的发生序列的最后阶段呈现出来的现象，通过描述那一序列的连续阶段来对之进行解释3。例如回答“夏季高温植物出现午休 的解释”就常追溯到“蒸腾作用”。类比推理。类比是根据两个(或两类)对象之间在某些方面的相似或相同推出它们在其他方面也可能相似或相同的一种逻辑方法。综上，生物学中的解释是复杂多样，可以是描述性的，可以是概括性的;可以从目的、内容角度解释，也可从形式、过程进行解释;可以依据事实、概念，也可以依68生物学教学2023 年(第 48 卷)第 5 期据原理和定律解释;既可以用形式逻辑推理，也可以用辩证逻辑阐述。生物学现象解释的特点也充分反映了学科特色，这在高考试题中也充分体现。2以生物学现象解释的四要素审视高考试题2022 年高考全国甲卷理科综合第 29 题:根据光合作用中 CO2的固定方式不同，可将植物分为 C3植物和C4植物等类型。C4植物的 CO2补偿点比 C3植物的低。CO2补偿点通常是指环境 CO2浓度降低导致光合速率与呼吸速率相等时的环境 CO2浓度。回答下列问题。(1)略。(2)正常条件下，植物叶片的光合产物不会全部运输到其他部位，原因是(答出 1 点即可)。(3)干旱会导致气孔开度减小，研究发现在同等程度干旱条件下，C4植物比 C3植物生长得好。从两种植物 CO2补偿点的角度分析，可能的原因是。2 1试题剖析:问题作答背后的现象解释要素本题的后两问均以“原因是”的形式呈现，实质就是要求学生对生物学现象的出现作出解释，这两个问题具体涉及解释要素分析如表 1。表 12022 年高考全国甲卷理科综合第 29 题中现象解释的要素分析题号解释的对象解释的可能取向解释可能的依据、事实或概念解释中可能涉及的逻辑推理第(2)问现象:植物叶片的光合产物不会全部 运 输 到 其 他部位表征结果:光合作用产物一部分保留在绿色叶片，一部分向其他部位转移目的因:从叶肉细胞自身和“其他部位”对有机物需求思考质料因:从光合作用产物的组成出发形式因:从植物遗传物质决定或基因表达出发动力因:从物质输运所需动力出发叶肉细胞既可进行光合作用也需要进行呼吸作用维持生命活动光合作用产生多种有机物，植物中有机物主要以蔗糖的形式运输4 植物中有机物的运输是基因程序性表达的结果有机物运输动力来源为疏导系统两端的“压力势差”4 演绎推理:假设植物叶片中光合作用产物全部运输到其他部位，那么自身叶肉细胞呼吸作用和生长发育受阻归纳推理:综合多个依据进行归纳答题第(3)问现象:在同等程度干旱 条 件 下，C4植物比 C3植物生长得好表征结果:在同等程度干旱条件下，C4植 物 固 定 的CO2比 C3植物多目的因:C4植物长期进化以适应干旱环境的需要质料因:两种植物生长所需原料和叶肉细胞的结构不同形式因:两种植物基因组不同动力因:两种植物光合作用能量转换不同PEP 羧化酶相比 ubisco 对CO2的亲和力更强干旱条件下植物为了降低蒸腾作用，气孔开度减小，CO2吸收能力降低CO2补偿点通常是指环境CO2浓度降低导致光合速率与呼吸速率相等时的环境CO2浓度C3植物和 C4植物光反应阶段的产物相同发生学推理:按“干旱气孔关闭细胞间 CO2浓度降低CO2补偿点不同净光合不同生长状 况 不 同”的 顺 序推理演绎推理:若某植物的CO2补偿点比另一种植物低，那么该植物能利用低浓度 CO2继续生长2 2作答特点:对同一生物学现象有多种解释解释取向不同可导致不同解释。例如第(2)问，若从动力因出发，有机物运输需要能量供应，能量的转化效率不可能是 100%，会限制有机物运输;从质料因出发，植物中有机物主要以蔗糖的形式运输，而在叶绿体的淀粉合成和在细胞质里的蔗糖合成呈竞争反应5，因此不能全部以蔗糖的形式运输到其他器官;从目的因出发，中间代谢产生的次生产物需要继续参与细胞生命活动，不运输到其他部位。归因起点不同可导致不同的解释。例如第(3)问，当解释的起点从干旱开始，则按照“干旱气孔关闭细胞间 CO2浓度降低CO2补偿点不同净光合不同生长状况不同”这样的思路进行解释;若解释的起点从“C4植物的 CO2补偿点比 C3植物的低”开始，以“CO2补偿点不同利用 CO2的能力不同适应干旱能力不同生长状况不同”思路解释;当然解释的起点还可以追溯到“PEP 羧化酶相比 ubisco 对 CO2的亲和力更强”甚至基因组不同的根源。逻辑推理不同可导致不同的解释。例如第(2)问，回答者可采用反向假设并演绎推理，即“若植物叶片中光合作用产物会全部运输到其他部位则”这样的答题思路。也可正向进行发生学的推理，即“植物光合作用的产物有有机物在植物中运输状况是有机物进行最终留在叶肉细胞”这样从开始到结束的推理。2 3设问启示:对学生“原因类”的提问应张弛有度78生物学教学2023 年(第 48 卷)第 5 期“水土不服”与肠道微生物群许龙1谭志霞1，2叶湘漓1，*(1 湖南师范大学医学院长沙410013;2 湖南省长沙市第九医院检验科长沙410004)摘要由于环境、饮食等改变而产生的各种身体不适现象统称为“水土不服”。水土不服的发生与多种因素相关，环境以及饮食的变化是最直接的外因，而肠道微生物群的改变则是最重要的内因;环境、饮食等因素主要通过影响肠道微生物群，最终导致人体出现水土不服。通过合理膳食、适宜补充益生菌及益生元等能够有效缓解水土不服的发生和症状。关键词水土不服肠道微生物群饮食1水土不服概述水土不服，泛指初到异地，因对当地的饮食、气候、环境等不习惯而产生的各种身体不适现象。水土不服在我国古代史料中早有记载。该词最早出自西晋史学家陈寿的 三国志吴志周瑜传，周瑜认为“操驱中国士众远涉江湖之间，不习水土，必生疾病”，并提出可以与之一战，这为后来赤壁之战的胜利埋下了伏笔。此外，红楼梦 中有“薛蟠不惯风霜，不服水土，以进京时，便病倒在家，请医调治”，镜花缘 中有“小山受不惯海面风浪，兼之水土不服，竟自大病卧床不起”等类似的描述。水土不服在西方文献中也屡有报道。上世纪 60 年代，西方学者发现，不论是去卫生条件较差的热带或亚热带地区，还是去经济发达的欧美国家，40%60%的人群都会出现原因不明的腹泻;这类腹泻往往发病突然，多在到达目的地后半天到 7 天内出现。1977 年，此疾病被正式命名为“旅行者腹泻”，意指旅行是导致该疾病的主要原因。随着飞机、高铁等现代交通工具的出现，日行千里早已不是问题，人们在抵达某些与先前居住环境或饮食习惯完全不同的目的地后，或多或少都可能出现不同程度的食欲不振、腹胀、发烧等一系列身体不适症状，这些与旅行者腹泻一样，均属于水土不服的范畴。水土不服给旅行者的出行和健康带来困扰甚至危险，并可能成为潜在的公共卫生安全问题，研究水土不服的发生及防治具有重要的临床价值和社会意义。2水土不服的成因水土不服的发生与多种因素相关。环境以及饮食的变化是最直接的外因，而肠道微生物群则是最重要的内因，水土不服可能是肠道微生物群失调的外在表现。环境、饮食等因素往往通过影响肠道微生物群，最终导致水土不服的发生。2 1环境及饮食因素地域变更或环境改变是引起水土不服的一个重要原因。我国最早的医学著作黄帝内经 中记载了许多气候、地域、饮食、作息等自然因素或环境因素对于疾病的影响;素问异法方宜论中提到，“一病而治各同，皆愈，何也?地势使然也”;把握问题的开放性。开放性问题可充分暴露学生不同的理解，实际提问时需注意几点:鉴于解释的多方向性，用于评价的问题应预设多种答案;允许主体合理假设，提问语气比较温婉，如多用“可能”“尝试”“选择”等词语，在上述试题中的“第二问”特意指出“答出1 点即可”也就表明涉及的现象背后有多种原因;可适当给出作答提示，为作答者提供参考点，拓宽作答者解释思路;鼓励综合解释，由于生命现象背后的复杂机制，单纯从某个角度或围绕某观念难以作出满意的解释，应鼓励作答者全面、综合分析。把握问题的指向性。当需要作答者着重阐明某一关键机制或原理，需要将问题进行适当的限制:一方面可以指明分析视角，例如上述试题的“第三问”，题中特意强调“从两种植物 CO2补偿点的角度分析”。另一方面可以通过情境的设置限定问题分析的范围，例如上述的“第三问”，试题给出“干旱会导致气孔开度减小”“同等程度干旱”“C3植物和 C4植物光反应阶段的产物相同”等有关背景，这样作答更容易将答案聚焦在光合作用的“暗反应”，围绕“补偿点”对“C4植物比C3植物生长得好”做出解释。基金项目:2022 年度四川省教育科研重点课题“高中生物学+PCG 课程融合式学习的设计与实践”，No SCJG22A054;2021 年四川省泸州市第二批名师名校长工作室专项课题“中学生物学单元教学系统设计与实施研究”，泸教科(2021)52 号主要参考文献1 胡文耕 生物学哲学M 北京:中国社会科学出版社，2002:1402 MAY E Cause and effect in biology J Science，1961，134(3489):150115063 HEMPEL CG Aspects of scientific explanation and other essays inthe philosophy of science M New York:Free Press，1965:335，4474 李杰芬 植物生理学M 长春:东北师范大学出版社，1987:97，92945 王小菁 植物生理学M 北京:高等教育出版社，2019:99100 88生物学教学2023 年(第 48 卷)第 5 期