探索基于HPS教育的高中生物学试题命制

广西 王上锐

(作者单位：广西柳州高级中学)

HPS(History Philosophy and Sociology of Science)教育把科学史、科学哲学、科学社会学内容纳入科学课程,目的是让学生理解科学的本质，即明晰科学研究过程、领悟科学研究思维、掌握解决问题方法、学习科学家精神。目前，已有越来越多的高中生物学教师关注HPS教育，并将其融入自己的课堂教学中，但考卷中甚少出现与此相关的试题。然而，笔者认为“学”与“考”不应成为两张皮，而应相互裨益。“学”是“考”的基石，“考”既是“学”的延伸，又是“学”的反哺者，故具有引导性和评价性的“考”尤为重要。因此，笔者对近几年全国卷理综生物学试题中有关HPS的试题进行分析，并举例符合HPS教育的试题，提出有关命题建议。

一、科学史加深师生对生物科学发展的理解

生物科学史为人们展现了一幅动静有致的生物科学画卷，每一个科学成果或研究的发现都包含着深邃的科学研究思想、独特而美妙的技巧方法、锲而不舍的科学家精神。生物科学史实中，既有做出关键或突出贡献的科学家及其研究事迹，又有概念、定律、原理等基本学科知识产生及发展的历程。

1.高考例题

(2019年，全国卷Ⅰ，第2题)用体外实验的方法可合成多肽链。已知苯丙氨酸的密码子是UUU，若要在体外合成同位素标记的多肽链，所需的材料组合是 ( )

①同位素标记的tRNA

②蛋白质合成所需的酶

③同位素标记的苯丙氨酸

④人工合成的多聚尿嘧啶核苷酸

⑤除去了DNA和mRNA的细胞裂解液

A.①②④ B.②③④ C.③④⑤ D.①③⑤

【答案】C

【分析】本题源自尼伦伯格首次证明遗传密码的实验，考查翻译过程所需的条件、模板、原料。

2.试题示例

DNA双螺旋结构模型的建立解决了“基因是什么”的问题，同时又产生了新的研究热点“基因是如何起作用的”。在二十世纪中叶，许多科学家都做出了极其重要的贡献。请回答以下问题。

(1)基因主要存在于细胞的________，而合成蛋白质的场所位于________。

(2)克里克认为DNA和蛋白质之间必然还有一种中间物质充当信使。科学家推测，RNA就是信使，理由是________。

(3)克里克首先预见了遗传信息传递的规律，即中心法则。请用文字和箭头表示出中心法则：__________。

(4)细胞内有较多种类的RNA。因此，对于“信使”，主要存在两种假说。假说一：核糖体RNA(rRNA)就是“信使”；假说二：另有一种新合成的RNA是“信使”(称为mRNA)。

①若假说一正确，则细胞内的核糖体种类应成千上万，原因是________；

②若假说二正确，则新合成的信使RNA(mRNA)应与核糖体结合，原因是________。

科学家Monod和Jacob于1960年发现了mRNA，而Brenner和Gross于1961年观察到了mRNA与核糖体结合，最终证实了假说二。

(5)信使RNA上相邻的3个碱基组成1个密码子，并决定1种氨基酸。然而，还需要明确密码子与氨基酸的一一对应关系。年轻的科学家尼伦伯格和马龙找到了一种高效破译方法，其实验过程如下：

a.体外合成全部64种三核苷酸分子(最短mRNA分子)；

b.取20支试管，每支试管中都加入20种氨基酸混合液(其中1种用14C标记，其余19种未标记)，并做好记号；

c.在混合液中添加tRNA分子，并使各种氨基酸分别与各自的tRNA分子结合，如tRNA甘氨酸；

d.取某一种三核苷酸分子(如CGU)和核糖体混合，再向其中分别加入上述氨基酸混合溶液；

e.一段时间后，硝酸纤维膜分别过滤上述反应溶液，记录结果并分析。

(提示：硝酸纤维膜具有一定大小的孔径，仅核糖体-mRNA-tRNA氨基酸复合体不能滤过)

①有些硝酸纤维膜上没有核糖体-mRNA-tRNA氨基酸复合体，原因是________。

②不同硝酸纤维膜上留有同一种核糖体-mRNA-tRNA氨基酸复合体，原因是________。

【答案】(1)细胞核 核糖体

(2)RNA由4种核糖核苷酸连接而成，可以储存遗传信息；RNA一般是单链，而且比DNA短，可以通过核孔

(4)①细胞内蛋白质种类很多，对应着的信使也应该有很多种 ②蛋白质合成的场所位于核糖体，信使必须与核糖体结合，才能指导蛋白质合成

(5)①有些密码子是终止密码子，不能决定任何一种氨基酸 ②不同的密码子可能决定同一种氨基酸

【分析】本题以人教版必修2《遗传与进化》第4章“基因的表达”为情境切入，以mRNA的发现及遗传密码的破译过程为载体，依科学发展史(既有时间轴，又有发展轴)而设计问题。设问由浅入深，逐次解决科学发展史中的问题。其中，最难的问题是关于“信使”两种假说的证明过程，但是本题通过考查推理过程而化解。本题提供了尼伦伯格和马龙的实验过程，重在考查实验结果分析而非实验过程。整道试题，既补充了教材中简化了的内容，又使研究过程立体化，并让学生构建出清晰而具逻辑性的知识结构。更重要的是，本题设问和作答都紧扣题目信息，且贴近高中生物学教材。

3.命题建议

包含科学史的试题不能只考查人物、事件、时间或研究结果和结论，而应深挖生物科学发展史中科学家遇到的问题、解决问题的方法和技巧、科学研究的思想和思维、对结果或数据的分析与质疑等。因此，笔者认为命制包含科学史的试题应该考虑如下几点：(1)科学史试题有助于学生构建出完整的学科知识体系；(2)侧重考查科学研究过程中的方法、技术、实验原理等；(3)情境材料可以源自科学家的研究论文，但是必须适当简化，以达到高中生认知水平；(4)适当增加以我国科学家研究工作及成果为载体的试题，以增强学生的民族自豪感。

二、科学哲学有助于师生对生物科学本质的理解

科学哲学指的是“科学的哲学理论”，其主要研究科学方法论、科学认识论、科学的逻辑结构等。其本质上就是强调逻辑实证主义。逻辑实证主义是用数理逻辑的方法对科学理论的结构做静态的逻辑分析，并致力于逻辑重建。现在所说的科学，成型于16世纪，从根本上讲是逻辑实证主义发展、完善的结果。逻辑实证主义发展、完善的关键是1644年笛卡尔明确提出了“假说-演绎法”，这是近代科学发展史上的一座丰碑。确切地说，生物科学发展至今，所取得的重大成就，本质上就是“假说-演绎推理-实证”的科学实验历史。因此，科学哲学对学生的影响深远且巨大，如形成正确的科学研究思想体系、积极寻找解决问题路径的决心、实事求是的价值观。

1.高考例题

(2019年，全国卷Ⅲ，第29题节选)氮元素是植物生长的必需元素，合理施用氮肥可提高农作物的产量。回答下列问题。

2.试题示例

果蝇的雌雄性别分化依赖于X染色体的数目，与Y染色体无直接关系(性染色体组成为XXX或仅含Y的胚胎死亡)。通常白眼雌果蝇(XaXa)和红眼雄果蝇(XAY)交配，后代雄果蝇都是白眼的，雌果蝇都是红眼的。摩尔根的合作者布里吉斯(Bridges)在某次实验中发现白眼雌果蝇和红眼雄果蝇杂交产生的子一代中出现了一只白眼雌果蝇。其通过大量的观察发现，在上述杂交中，2 000～3 000只红眼雌果蝇中会出现一只白眼雌果蝇。请回答下列有关问题。

(1)布里吉斯根据观察到的现象，提出了两种假说进行解释。请你利用所学知识完整阐述。

①基因突变假说：____________。

②染色体数目变异假说：____________。

(2)由于基因突变自然发生的频率非常低，因此布里吉斯倾向于第二种假说。若染色体数目变异假说正确，则子一代雄果蝇群体中必然会出现________个体。

(3)请用遗传图解的形式阐述第二种假说的亲子代遗传过程。(提示：必须写出配子的基因型)

(4)布里吉斯为了验证上述假说，他对子一代白眼雌果蝇的唾液腺细胞进行显微镜观察。如果该细胞内性染色体数目为________条，则说明第二种假说正确；如果该细胞内性染色体数目为________条，则说明第二种假说可能有误。

【答案】(1)红眼雄果蝇XAY在减数分裂的过程中发生了基因突变产生了含Xa的精子，与白眼雌果蝇XaXa产生的含Xa的卵细胞结合，形成子代白眼雌果蝇 白眼雌果蝇的卵原细胞在减数分裂过程中两条Xa未分离，产生含XaXa的卵细胞，与红眼雄果蝇XAY产生的含Y的精子结合，形成子代为XaXaY的白眼雌果蝇

(2)红眼雄果蝇

(4)3 2

【分析】本题材料源自人教版必修2《遗传与进化》第2章“基因和染色体的关系”第3节“伴性遗传”课后拓展题，让学生根据实验现象和疑问提出假说。假说不是疑问，不是问号，而是根据已知的科学事实和科学原理，对所研究的自然现象及其规律提出的推测和说明。简单地说，就是基于自我认知水平而提出一个暂时的但是可以被接受的解释。学生可以参照孟德尔的假说来回答第(1)小题，但数据统计发现重点高中学生本小题平均分为2分，说明此题难度确实较大，也说明教师在讲解孟德尔分离定律和自由组合定律时，没有让学生真正理解什么是“假说-演绎法”。最终，布里吉斯的假说是通过显微镜观察和计数染色体而得到证实的。

3.命题建议

目前的高考理综生物学全国卷很少有考查到典型“假说-演绎法”的试题，尤其是对“假说”的考查。只有实验探究试题中隐含有实验实证的思想，但是不能完全呈现“假说-演绎法”的思想精髓。“假说-演绎法”的精髓在于在观察和分析的基础上提出问题并产生一个假说，这个假说的合理性有多大，即归纳所得结论的可靠性有多大，需要通过一个未来事件的预测以及实验检验该预测的准确性。因此，命制包含科学史的试题应该考虑如下几点：(1)在遗传或实验探究试题中考查；(2)以实验过程中偶然发生的结果(或生活中的现象)作为试题情境介入；(3)侧重考查提出假说的能力；(4)考查实证能力(实验方法、技术、结果或数据分析)；(5)必须保证有基础得分点。

三、科学社会学利于学生的学以致用

科学和技术的发展，归根结底是让人更好地生活和发展，因此，可以说人的功利性是科学与技术形成及不断进步的源泉。当前举世瞩目的全球性问题如人口、食物、环境、卫生、健康、能源等，都依赖于生物科学的发展以及生物技术的进步。科学社会学使科学不局限于象牙塔内，而是走向普罗大众，走向芸芸众生。科学社会学使学生觉得所学有所用，这也是培养学生社会责任学科核心素养的坦途。

1.高考例题

(2018年，全国卷Ⅲ，第32题节选)如图是某农业生态系统模式图。

据图回答下列问题：

(2)根据生态系统中分解者的作用，若要采用生物方法处理生活垃圾，在确定处理生活垃圾的方案时，通常需要考虑的因素可概括为3个方面，即________。

【答案】(2)待分解垃圾的性质，引进的分解者生物的种类，处理环境的理化条件

【分析】随着我国社会的发展，生产生活产生的垃圾量也日趋增加。为了最大限度地实现垃圾资源利用、减少垃圾处置量、改善生存环境质量、降低垃圾对于地下水的污染，垃圾分类政策应运而生。在各类垃圾中，与人们密切相关的是生活垃圾。学生必须要联系人们平时生活中的生活垃圾有哪些，再联系题目信息“采用生物方法处理”，然后形成正确的解决问题逻辑链：不同种类的垃圾→对应不同种类的分解者生物→给予最适宜的理化条件，最后才能正确作答。

2.试题示例

农业生产过程中，虫害对作物的减产影响非常巨大。因此，我国劳动人民发明了各种各样的防治虫害方法。如唐朝开皇四年姚崇提出：“蝗既解飞，夜必赴火，夜中设火，火边撅坑，且焚且瘗，除之可尽。”与现代人们利用黑光灯诱捕害虫的方法如出一辙。请回答下列有关问题：

(1)“蝗既解飞，夜必赴火”说明蝗虫利用的信息种类是________，该种类信息可以来源于________和________。

(2)种群密度是指________,因此利用黑光灯诱捕害虫的方法进行种群密度调查，可以得到其种群密度的________(填“估算值”或“实际值”)。

(3)首选黑光灯进行种群密度调查的害虫，一般具有哪些特征________(至少答出三点)。

(4)利用黑光灯对害虫进行种群密度调查，所得到的数值与真实情况偏差较大，可能的原因有________(答出两点)。

【答案】(1)物理信息 无机环境 生物

(2)单位面积或单位体积中的个体数 估算值

(3)趋光性、难以标记、个体小、活动能力强

(4)调查空间没有封闭，有较多的个体迁入或迁出；不同气候条件下，捕获量偏差较大

【分析】本题以唐朝姚崇的灭蝗策为切入点，主要以必修3《稳态与环境》第4章“种群和群落”第1节“种群的特征”中种群密度调查方法为考查载体，考查黑光灯的使用。第(3)小题的设问很巧妙，首选黑光灯，说明不适宜采用样方法或标记重捕法。学生全面分析：不宜采用样方法，说明个体活动能力较强；不宜采用标记重捕法，说明个体难以标记或个体小；题干又提供了信息“夜必赴火”，因此，正确答案是“趋光性、难以标记、个体小、活动能力强”。第(4)小题，学生如果仔细观察校园中的黑光灯通常挂在空旷的地方，则能联想到上述答案。总而言之，本题材料贴近生活，目的是促使学生留意身边事物和热爱生活。

3.命题建议

关于科学社会学的试题，高考中多有涉及。但是，笔者认为此类试题的设计，应尽可能从小的点切入，层层拨开，最后必然要回到实际生产生活问题的解决层面。因此，命制包含科学社会学的试题，应考虑如下几点：(1)以学生熟识的人、事、物为试题情境；(2)情境材料的选择，应坚持公平性原则；(3)需涉及解决实际困难方法或技巧的考查；(4)需引导学生热爱生命、热爱生活。

总而言之，未来可能会越来越多地出现聚焦HPS教育的高考试题，高中生物学教师们应该不断锤炼自己的命题本领，以提高学生的学业水平。