高考生物學探究實驗試題的題型分析*

王月玲 武佳佳 郭靜宇 王冠懿

（1 山西省教育科學研究院 山西太原 030009 2 山西省忻州市第一中學 山西忻州 034000 3 中南大學信息科學與工程學院 湖南長沙 410000 4 中南大學數學與統計學院 湖南長沙 410000）

《中國學生發展核心素養》 的發布使核心素養的培養成為新一輪課程改革的新指向和新動力。 生物學學科核心素養包括生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任4 個方面［1］，其中科學探究既是學習科學的目的， 又是學習科學的方式。 探究是科學研究的基本方法，將科學探究作為生物學學科的核心素養，彰顯了生物學作為自然科學的屬性。

1 科學探究的屬性

科學研究是以實驗為載體得出理性結論的過程，經歷從實證到理論再到實踐的階段。科學探究是科學研究的基本方法。

早在1994 年， 國際科學界就倡議和推動在中、小學開展探究式的科學教育活動。 2005 年，韋鈺院士《探究式科學教育教學指導》的出版，讓探究式教學在中國真正落地生根。 隨著教育部幾期探究式教學研討班的組織， 探究式教學受到了教育界越來越多的重視。 實施探究式的教育成為教育改革的重要組成部分， 是培養創新性人才的重要 途 徑［2］。

探究活動是培養科學探究很好的途徑和載體， 實施探究活動要讓學生親歷和體驗科學探究的歷程， 所以探究活動在一定程度上是現實科學研究的濃縮和再現。 科學探究能力包含的內容非常廣，通常認為包括提出問題、做出假設、制訂計劃、實施實驗方案、收集證據、得出結論、表達和交流等方面［3］。 探究實驗試題可就探究過程的某一方面進行考查，但在教學實踐中，探究活動應該是一個完整連續的過程。 雖然探究活動不一定必須進行實驗， 但通過實驗培養學生的探究能力是一個很好的途徑。

通過探究活動， 學生可學習科學探究的基本步驟，掌握核心的科學概念和原理，從中培養學生的科學思維及實事求是、尊重他人、小組合作的科學精神和態度。

2 當前學生探究能力測評的手段

在我國教學大綱時代的教材中， 對學生設計實驗的要求很少， 這一現實使得實驗試題的選材和題量都受到了很大的影響， 因此，1999 年以前的生物學高考試卷中幾乎沒有要求設計實驗方案的題目。 2002 年的《生物學科考試說明》雖提到了實驗能力的要求，但仍比較模糊。 2003 年的考試大綱在原來的基礎上，就實驗原理、實驗方法、實驗步驟等方面進行了細化，同時首次將“探索性實驗”寫入考試說明［4］。

雖然“培養學生的科學探索能力”意義重大，但從命題技術角度看， 考查探究實驗能力的最好形式還是像科學探究活動那樣， 按探究活動的幾個步驟展開。 但由于我國中學教學及高考試卷的實際情況，以及高考閱卷時間、經費的限制，探究性實驗試題的數量和分值受到很大限制。 即使在提出“科學探索能力”的當年，實驗試題更多的仍是考查驗證性實驗，而非探究性實驗。在考查內容上，也更多考查實驗操作的完善、實驗結果的分析和對實驗結果的解釋， 而考查實驗思路設計的題目并不多（圖1）。 從2007 年高考新課程全國卷開始，用考查實驗思路代替考查實驗步驟。思路重視思維， 凸顯核心能力， 減少步驟中一些細節的考查，使得生物學能力的測量更科學、更直接。

圖1 確定探究課題、完善實驗步驟、設計實驗思路、結果分析解釋在歷年高考中的分值

在探究試題的素材方面，基本上都是學生熟悉的知識點。雖然探究的本質是個體對未知的探索研究過程，但高考作為一種選拔性考試，如果試題命制為完全開放性試題，在評分標準的制定和閱卷的把控上很難做到“給一分有理，扣一分有據”和“一把尺子量到底”的閱卷原則，所以，試題素材的完全開放并不符合現階段我國高考的實際。

2.1 對實驗過程的考查 廣義的實驗題目包括考查學生的實驗操作、實驗設計、判斷實驗結果或實驗現象、根據實驗現象推導實驗結論、分析和解釋實驗現象及實驗結果等能力。 從考查探究能力的角度看，實驗設計中對自變量的識別和控制、對因變量的轉化和檢測是探究能力測評的關鍵，而完善實驗操作、分析或評價實驗結果的題目，更傾向于以實驗為問題背景對生物學的基本概念和原理的考查，嚴格意義上說，屬于科學思維方面的考查。 例如2009 年“為驗證pH 對唾液淀粉酶活性的影響”的實驗。 此外，實驗本身來源于教材，學生比較熟悉，在作答過程中，學習經驗可能起到較大的作用。

在科學研究中，研究起點的確立非常重要，就像現代科學研究中常用的“假說-演繹法”一樣，提出假說本身就是一種創新，沒有假說，再強的演繹也沒有基礎。在探索未知世界的茫茫黑夜中，第1 個發現者或發明人開啟了希望的大門， 為后來者找到了通往成功的路徑， 其地位和作用無可替代。從這個角度上說，由學生自主設計實驗的題目更能考查學生的實驗探究能力和創新能力。

2.2 對實驗設計的考查 實驗設計的目的是“在最大程度控制無關變量的基礎上研究自變量和因變量的關系”［5］，可見變量設計的重要性。 根據自變量的數量， 可簡單分為單一自變量實驗設計和多自變量實驗設計2 種。 根據自變量呈現的明確程度，即自變量能否直接識別和是否需要轉化，可分為直接呈現的自變量和相對隱蔽的自變量2 種類型，例如2017 年全國卷Ⅰ第29 題要求“設計實驗確定一種病毒的類型”就屬于相對隱蔽自變量的題目。

在科學研究中， 探究課題的目的往往是明確的，因變量的轉化相對于自變量也相對容易，所以自變量相對隱蔽， 這樣的探究更接近于真實的探究過程。 “有待于新的研究思路和研究方法”說得更多的是自變量的創新性設計， 進而可對因變量作出檢測，最后能根據結果得出結論。

如果學生在設計實驗時不拘泥于固定的套路，而是基于基本的生物學知識和創新性的思路， 這樣的實驗探究才是真正的探究。這一目標的達成，一方面對人才的選拔有積極的意義， 另一方面對應試刷題和機械訓練也有一定的抑制作用。

2.2.1 單一自變量的實驗設計 單一自變量實驗設計考查“一個自變量與一個因變量之間關系”。根據組別可分為2 種類型：單組前、后測實驗與2 組前、后測實驗，2 類實驗異同見表1 所示。

表1 單一自變量設計2 類實驗異同對比

高考試題中很少考查單組前、后測實驗設計，例如2008 年全國Ⅰ卷“驗證胰島素具有降低血糖含量的作用”，以正常小鼠每次注射藥物前后癥狀的變化為觀察指標。沒有專門設計對照組，實驗設計形成了前后對照。 大部分試題的實驗設計還是以2 組的前、后測實驗設計為主。這一類題目的自變量直接呈現， 學生很容易根據平時訓練的實驗組、對照組的設計思路進行機械套用，對實驗探究能力的考查意義不很明顯。 這一類型的題目雖然有時也是一個自變量，但自變量是可變化的。例如2008 年全國新課標卷“探究玉米粒提取液促進淀粉分解的最適溫度”， 雖然自變量僅溫度一個，但溫度是可變化的。

2.2.2 多變量實驗設計 隨著新課程的實施，學生的實驗設計能力也在提升， 實驗設計題目也發生著變化， 由單一自變量實驗設計過渡到考查2個自變量對因變量影響的實驗。

第1 類的實驗設計試題可概括為“自變量A 和自變量B 對因變量的影響或作用”。 模型為“自變量A→因變量、 自變量B→因變量、 自變量A 和B→因變量”。例如2010 年天津高考試卷出現的“探究胰島素和生長激素對大鼠生長的影響”。 自變量由原來的1 個變成2 個，且這2 個自變量之間相對獨立。 對于該類實驗題型，學生在原來對照組和實驗組設計的思路上再加入一組混合組即可。

第2 類實驗設計自變量往往有2 個， 其中一個自變量通常通過另外一個自變量對因變量起作用，模型為“自變量A→自變量B→因變量”，例如必修3“探究生物體維持pH 穩定的機制”的實驗。實驗設計為3 組，一組為蒸餾水作空白對照，一組為生物材料，一組為緩沖液，通過前2 組的對照，得出生物體具有維持pH 穩定的能力，再根據后2組探究生物體能維持pH 穩定可能的機制。 這類實驗中，自變量屬于引發變量，研究的目的一般是探究引發變量和因變量之間的因果關系。 與變量之間的相關性研究相比， 這類研究更多的是發現性的，而非驗證性的。

第3 類實驗設計是相互驗證性的， 自變量也有2 個， 但這2 個自變量中只有一個自變量對因變量起作用， 且需要根據實驗結果確定究竟是哪一個自變量在起作用。 模型為“自變量A（或自變量B）→因變量”。 例如2009 年全國新課標卷“確定植物光合作用產生的O2來自H2O 還是CO2”；2017 年“確定病毒的遺傳物質類型”，要求包含可相互印證的甲、乙2 組實驗。這2 道實驗設計題目類型相同， 都要求學生采用同位素標記的方法設計實驗， 教材中也都有相關的知識基礎和實驗設計的提示，但學生的作答情況卻差異很大。原因可能是實驗設計開始時自變量的呈現是直接呈現還是相對隱蔽， 這對學生整個實驗設計的思路推進造成了較大困擾。

3 討論

無論從知識還是能力的角度， 生物學探究實驗的設計都是屬于高層次的要求級別［6］。 自生物學科恢復高考以來， 探究實驗類試題在高考中的分值和比例有了較大的提升， 也涌現出很多優秀的試題。 例如2017 年全國卷Ⅰ第29 題是最近幾年考查探究實驗能力較好的一道試題。 相對于補充實驗關鍵步驟繼續完成實驗、 分析實驗結果等題目，試題命制已有了較大的改變。試題自變量呈現相對隱蔽， 學生很難機械套用實驗組和對照組的“模板”，在實驗設計環節，要求考生從起點開始，沒有相應的步驟提示，增加了試題的難度。

在試題的綜合性方面也提出了更高的要求，一方面要求考生掌握病毒侵染宿主細胞的過程和實驗組、對照組的設計，另一方面要求掌握同位素標記法的使用方法。 對具體科學方法的考查，很好地體現了《2018 年普通高等學校招生全國統一考試大綱（生物）》中“能獨立完成‘生物學知識內容表’所列的生物學實驗，包括理解實驗目的、原理、方法和操作步驟，掌握相關的操作技能，并能將這些實驗涉及的方法和技能等進行運用”的考核目標要求，對中學教學具有良好的導向作用。