重溫經典 總結方法 提升能力
——以培養“科學探究能力”為例

河北

“實驗與探究能力（科學探究）”是高考生物學科《普通高等學校招生全國統一考試大綱》“考核目標與要求”部分中四大能力要求之一，也是學科核心素養的四個維度之一。如何在教學中提升學生的科學探究能力是每位教師應思考的問題。本文嘗試從實驗與探究能力維度劃分和突破相應維度的方法兩個角度談談自己的一些做法。

一、實驗與探究能力的組成要素

科學探究能力是一種具有復雜層次的能力，是由一系列簡單能力要素構成的。教育部考試中心的楊帆老師在2019年第12期的《中國考試》發表的《基于高考評價體系的生物學科考試內容改革實施路徑》一文中，對實驗探究能力的界定是“在對所學實驗的實踐和學習后，能夠對相關生物學問題進行科學探究，如分析問題、設計實驗、預測結果并得出結論或作出解釋，掌握科學探究的整個流程”。基于楊帆老師的論述，筆者將“實驗與探究能力”劃分為如下五個要素。

（一）提出問題

提出問題是科學探究的前提，具有強烈的興趣指向。《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱《課程標準》）中學業質量標準對該要素水平四的表述是“針對日常生活的真實情境提出清晰的、有價值的、可探究的生命科學問題”。筆者認為“清晰的、有價值的、可探究的生命科學問題”是指具有可檢驗的、包含自變量和因變量的問題。高考對該要素的考查形式是根據題目信息選出或寫出實驗目的。

（二）作出假設

解決科學問題常常需要作出假設。假設以已有證據和生物學事實、概念和原理為依據，是在觀察和實驗的基礎上運用比較、類比、歸納、演繹等思維方法對問題的一種或數種解釋，是一個思維的過程。筆者認為該要素水平四的表述是“應用已有證據和概念，針對研究問題作出合理的、清晰的和利用現有的條件可檢驗的論述”。假設是對所提出的科學問題的一個推測性的回答，具有解釋性和預測性，目前高考對該要素的考查形式是（1）基于生物學概念解釋實驗結果；（2）基于假設和思維方法做出實驗結果預測。

（三）制訂計劃

在提出問題、作出假設后需要擬定研究方案，以驗證先前的假設。即依據實驗目的和實驗原理，選用適當的實驗材料和實驗方法，制訂一個具有可行性的實驗方案。《課程標準》對該要素水平四的表述是“設計并實施恰當可行的方案”。什么是“恰當可行的方案”呢？筆者認為方案的設計就是要提高結果的可靠性，即設置對照實驗，控制單一變量，增加重復次數等。高考對該要素的考查形式是（1）簡要寫出實驗思路；（2）寫出（或補充）實驗步驟；（3）評價或修訂實驗方案。

（四）預測（記錄）結果

正確的實驗現象和實驗結果源于真實的數據，需要利用多種方式呈現證據、數據，如采用文字、圖表等方式來表述結果，因此在實施實驗方案時，應該記錄實驗現象和實驗數據，以便后續分析。《課程標準》對該要素水平四的表述是“運用多種方法如實記錄實驗結果”。“多種方法”的內涵是什么呢？筆者認為包括觀察、測量、調查、數學方法、查閱書刊、因特網查詢等方法。在目前現有的紙筆測驗條件下，主要是觀察、測量和數學方法。高考對該要素的考查形式是（1）在實驗方案設計中選擇恰當的測量方法；（2）運用觀察的方法定性描述或運用統計學方法定量處理數據。

（五）得出結論

在科學探究過程中，在獲得實驗結果的基礎上將實驗結果與自己原有的生物學概念建立聯系，運用比較、分析、綜合、歸納、演繹等思維方法尋找因果解釋，形成超越學生原有認知和當前觀察結果的“新知識”，即創造知識的過程。得出結論可以有效地解答“提出的問題”并驗證“猜想與假設”的質量。《課程標準》對該要素水平四的表述是“創造性地運用數學方法分析實驗結果……運用科學術語精確闡明實驗結果”。高考對該要素的考查形式是（1）對實驗數據進行分析處理；（2）根據實驗現象和數據得出結論。

學生非常易混淆實驗結果與實驗結論。實驗結果是在實驗結束時，對觀察到的現象或收集到的數據客觀的描述；實驗結論是基于實驗結果，解決研究之初提出的問題和檢驗作出的假說。但是，不論是探究性實驗還是驗證性實驗，實驗結果與實驗結論都是一一對應的。

二、經典試題分析

【例1】（2010年，全國卷Ⅰ，第31題）從某植物長勢一致的黃化苗上切取等長幼莖段（無葉和側芽），自莖段頂端向下對稱縱切至約3/4處。將切開的莖段浸沒在蒸餾水中。一段時間后，觀察到半邊莖向外彎曲生長，如圖1所示。若上述黃化苗莖段中的生長素濃度是促進生長的，放入水中后半邊莖內、外兩側細胞中生長素濃度都不會升高。請僅根據生長素的作用特點分析半邊莖向外彎曲生長這一現象，推測出現該現象的兩種可能原因。

原因1是__________________；原因2是_______________________。

圖1

【試題分析】本題呈現的是學習探索情境，且屬于簡單的情境活動，體現了學業質量水平“科學探究”維度的二級水平“針對生物學相關問題，能運用科學思維方法提出假說解釋生物學現象”。

解決本題學生需要獲得的信息有①根據題目信息“根據生長素的作用特點分析半邊莖向外彎曲生長這一現象”可知：內側細胞比外側細胞伸長的多；解釋該現象的概念是生長素發揮的作用，因濃度、植物細胞的成熟情況不同而有較大的差異。②與實驗現象有關自變量是內外兩側細胞的種類和生長素濃度。③黃化苗莖段中的生長素濃度是促進生長。

基于上述分析，學生可以利用演繹思維方法和單一變量的原則進行如下推理：當內外兩側細胞對生長素的敏感度相同時，由于黃化苗莖段中的生長素濃度是促進生長，因此內側細胞中的生長素濃度比外側高時，內側細胞伸長生長較快。當內外兩側細胞中的生長素濃度相同，由于黃化苗莖段中的生長素濃度是促進生長，因此內外側細胞對生長素敏感性不同（基于現有數據無法確定哪側細胞更敏感），該濃度的生長素更有利于內側細胞的生長。

【參考答案】原因1：內側細胞中的生長素濃度比外側高，所以內側細胞生長較快

原因2：內外兩側細胞中的生長素濃度相同，但該濃度更有利于內側細胞的生長（其他合理答案也給分）

【例2】（2017年，全國卷Ⅰ，第32題節選）某種羊的性別決定為XY型。已知其有角和無角由位于常染色體上的等位基因（N/n）控制；黑毛和白毛由等位基因（M/m）控制，且黑毛對白毛為顯性。回答下列問題：

（2）某同學為了確定M/m是位于X染色體上，還是位于常染色體上，讓多對純合黑毛母羊與純合白毛公羊交配，子二代中黑毛∶白毛=3∶1，我們認為根據這一實驗數據，不能確定M/m是位于X染色體上，還是位于常染色體上，還需要補充數據，如統計子二代中白毛個體的性別比例，若_______，則說明M/m是位于X染色體上；若______，則說明M/m是位于常染色體上。

【試題分析】本題呈現的是學習探索情境，且屬于復雜的情境活動，體現了學業質量水平“科學探究”維度的三級水平“針對生物學相關問題，運用科學術語報告實驗結果”。

學生可以將實驗結論“M/m是位于X染色體上”或“M/m是位于常染色體上”看成假設，根據基因的分離定律和演繹思維方法可以得出對應的預期結果。分析過程如下：

由題干信息“黑毛和白毛由等位基因（M/m）控制，且黑毛對白毛為顯性”“多對純合黑毛母羊與純合白毛公羊交配”和遺傳規律可以得出：①若M/m只位于X染色體上，則親本基因型為XMXM和XmY，子一代雌雄均為黑毛（XMXm、XMY），子二代為XMXM、XMXm、XMY、XmY，其中白毛均為雄性；②若M/m位于常染色體上，則親本基因型為MM和mm，子一代均為黑毛（Mm），子二代中黑毛和白毛的雌雄比例均為1∶1。

小結：假說的功能發揮是基于對生物學概念、規律的理解和對思維方法（主要是演繹思維，可參閱筆者發表在《教學考試》2019年第3期的《從邏輯學的視角看高考試題的命制》一文）的運用，對所看到的實驗現象進行分析的過程。實驗結論是基于實驗結果的分析和思維方法（主要是歸納思維）的運用，對實驗結果進行的創造性總結歸納的過程。基于上述分析，我們會發現：假說的解釋功能和實驗結果論的得出均是以實驗結果（即證據）為基礎以思維為方法得出的。在教學過程中，教師可以有計劃地訓練學生掌握科學思維的基本方法。

【參考答案】（2）白毛個體全為雄性 白毛個體中雄性∶雌性=1∶1

【例3】（2019年，全國卷Ⅰ，第29題節選）將生長在水分正常土壤中的某植物通過減少澆水進行干旱處理，該植物根細胞中溶質濃度增大，葉片中的脫落酸（ABA）含量增高，葉片氣孔開度減小。回答下列問題。

（3）有研究表明：干旱條件下氣孔開度減小不是由缺水直接引起的，而是由ABA引起的。請以該種植物的ABA缺失突變體（不能合成ABA）植株為材料，設計實驗來驗證這一結論。要求簡要寫出實驗思路和預期結果。

【試題分析】本題呈現的是學習探索情境，且屬于簡單的情境活動，體現了學業質量水平“科學探究”維度的二級水平“制訂簡單的實驗方案……得出合理的結論”。

題目提出了驗證性實驗設計目標“干旱條件下氣孔開度減小不是由缺水直接引起的，而是由ABA引起的”。由實驗目的，學生應該分析出該實驗涉及兩個自變量：是否缺水；是否有ABA。因此本題轉化為驗證兩個分目標：“干旱條件下氣孔開度減小不是由缺水直接引起的”“干旱條件下氣孔開度減小是由ABA引起的”。

題目以文字信息的方式呈現了如下限定條件：①實驗材料是該種植物的ABA缺失突變體（部分學生審題不仔細，思維定式地選擇正常植物為材料）；②因變量是“氣孔開度”（部分學生以光合作用強度、植物的生長為因變量）；③基于實驗結論（假設）預測實驗結果（部分學生將實驗結果寫成實驗結論）。

【參考答案】取ABA缺失突變體植株在正常條件下測定氣孔開度，經干旱處理后，再測定氣孔開度。預期結果是干旱處理前后氣孔開度不變；將上述干旱處理的ABA缺失突變體植株分成兩組，在干旱條件下，一組進行ABA處理，另一組作為對照組，一段時間后，分別測定兩組的氣孔開度。預期結果是ABA處理組氣孔開度減小，對照組氣孔開度不變。

【例4】（2017年，全國卷Ⅰ，第29題）根據遺傳物質的化學組成，可將病毒分為RNA病毒和DNA病毒兩種類型。有些病毒對人類健康會造成很大危害。通常，一種新病毒出現后需要確定該病毒的類型。

假設在宿主細胞內不發生堿基之間的相互轉換。請利用放射性同位素標記的方法，以體外培養的宿主細胞等為材料，設計實驗以確定一種新病毒的類型。簡要寫出（1）出實驗思路，（2）預期實驗結果及結論即可。（要求：實驗包含可相互印證的甲、乙兩個組）。

【試題分析】本學習材料呈現的是學習探索情境，且屬于復雜的情境活動，要求學生綜合運用知識和能力應對復雜問題的水平，體現了學業質量水平“科學探究”維度的三級水平“基于給定的條件，設計……探究實驗方案……運用科學術語報告實驗結果”。

題目提出了探究性實驗設計目標“確定一種新病毒的類型”，同時以文字信息的方式呈現了設計思路和基本條件：①病毒分為RNA病毒和DNA病毒兩類；②假設宿主細胞內不發生堿基之間的相互轉換；③以體外培養的宿主細胞等為材料；④利用放射性同位素標記的方法。因此學生解決本題的程序是放射性同位素標記的宿主細胞，未標記的病毒分別侵染放射性同位素標記的宿主細胞，檢測子代病毒的放射性情況。本題的具體分析過程，可參閱筆者發表在《教學考試》2019年第3期的《從邏輯學的視角看高考試題的命制》一文。

例4與例3的差異點是實驗類型。對于驗證性實驗（如例3），預期結果與實驗結論均是唯一的；對于探究性實驗（如例4），根據假設的種類往往可以得出多個預期結果與實驗結論，但預期結果與實驗結論具有一一對應關系。

小結：無論是簡要寫出實驗思路或實驗步驟，還是評價或修訂實驗方案，其核心均是以學生掌握生命科學實驗設計要素為前提，如根據題目信息明確實驗設計的類型（是驗證性實驗還是探究性實驗），基于實驗假設選擇實驗材料、確定實驗變量（自變量的可操作性、無關變量的可控性和因變量的可測量性）以及預測實驗結果和得出實驗結論。

對于實驗思路類型，學生需要寫明：①不同組之間如何操作自變量，②如何具體測量因變量，③“相同且適宜”控制無關變量；對于實驗步驟類型，學生在自變量的表述時則需要具體可操作，如實驗的選擇與預處理。

【參考答案】（1）思路

甲組：將宿主細胞培養在含有放射性標記尿嘧啶的培養基中，之后接種新病毒。培養一段時間后收集病毒并檢測其放射性。

乙組：將宿主細胞培養在含有放射性標記胸腺嘧啶的培養基中，之后接種新病毒。培養一段時間后收集病毒并檢測其放射性。

（2）結果及結論

若甲組收集的病毒有放射性，乙組無，即為RNA病毒；反之為DNA病毒。

【例5】（2009年，四川卷，第30題節選）（4）研究還發現，當土壤干旱時，根細胞會迅速合成某種化學物質X。有人推測根部合成的X運輸到葉片，能調節氣孔的開閉。他們做了如下實驗：從同一植株上剪取大小和生理狀態一致的3片葉，分別將葉柄下部浸在不同濃度X的培養液中。一段時間后，測得的有關數據如表所示。（注：氣孔導度越大，氣孔開啟程度越大）

①以上方案有不完善的地方，請指出來并加以修正。_________________________________。

【試題解析】本學習材料呈現的是學習探索情境，且屬于簡單的情境活動，要求學生綜合運用知識和能力應對復雜問題的水平，體現了學業質量水平“科學探究”維度的二級水平“規范撰寫實驗報告，與他人交流所得結果和存在的問題。”

為了提高實驗結果的可靠性，設計實驗方案時應關注如下三個重要途徑：設置對照實驗，控制單一變量，增加重復次數，這也是解決這類試題的思考路徑。

“設置對照實驗”角度的分析是指基于實驗目的思考“是否存在對照實驗”和“對照設計是否合理”。本題的實驗目的是“不同濃度的X對葉片中的氣孔導度的影響”，除了應考慮組間對照（濃度梯度的設置）之外，還應考慮空白對照。本題沒有設置空白對照實驗。

“控制單一變量”角度的分析是當某個探究性問題與多個因素（自變量、無關變量）有關時，通常采用不同組之間僅存在唯一的自變量，且無關變量應該“相同且適宜”。本題不同實驗組之間的自變量是X的濃度，符合“控制單一變量”。

在實驗設計時“增加重復次數”，能夠降低實驗誤差，而且隨著重復實驗次數增加，實驗誤差越低、精確度越高。在現行的紙筆測試中，主要通過增加每組實驗材料的數量，通過求平均值的方式來提高實驗結果的可靠性。本題由于每組實驗材料僅有一片葉子，缺乏代表性，進而影響實驗結果的可靠性。

除了上述主要因素外，學生還可從實驗材料的選擇（如2019年全國卷Ⅰ第2題）、實驗試劑的選擇（如2002年全國卷第21題）和實驗步驟的順序和完整性（如2016年全國卷Ⅰ第3題）等角度思考，在此筆者不再贅述。

【參考答案】（4）①a.樣本量太小。應“取葉片若干，等分為三組”。 b.缺乏空白對照。增加1組，將葉片的葉柄下部浸在不含X的培養液中。

【例6】（2014年，北京卷，第29題節選）為研究赤霉素（GA3）和生長素（IAA）對植物生長的影響，切取菟絲子莖頂端2.5 cm長的部分（莖芽），置于培養液中無菌培養（如圖2）。實驗分為A、B、C三組，分別培養至第1、8、15天，每組再用適宜濃度的激素處理30天，測量莖芽長度，結果如圖3。

圖2

圖3

（5）從圖3中B組（或C組）的數據可知，兩種激素聯合處理對莖芽伸長生長的促進作用是GA3單獨處理的____倍、IAA單獨處理的____倍，由此可以推測GA3和IAA在對莖芽伸長生長的作用上存在_____的關系。

【試題分析】本學習材料呈現的是學習探索情境，且屬于復雜的情境活動，體現了學業質量水平“科學探究”維度的二級水平“分析各項數據，得出合理的結論”。

本題以柱狀圖的形式呈現實驗數據，由于研究人員探索的是赤霉素（GA3）和生長素（IAA）對植物生長的影響，即兩種激素之間在“植物生長”角度的激素關系。命題者通過前兩空的數據處理搭建臺階，從而歸納出最終的實驗結論。筆者認為如果本題的前兩個設問不存在，直接設問“GA3和IAA在對莖芽伸長生長的作用上存在______的關系”，則可以達到學業質量水平“科學探究”維度的三級水平“運用多種方法如實記錄和分析實驗結果”。

【參考答案】（5）3.6（3） 18（60） 協作

三、小結

實驗探究能力是生物學自然科學屬性的鮮明體現。在現行紙筆考試的測評方式下，近幾年高考試題生物部分關于“科學探究能力”的考查形式主要是“簡要寫出實驗思路、預期結果和結論”。這種形式綜合考查學生對生物學實驗方案的總體制訂能力，是對學生實驗探究能力的測量，對中學實驗教學具有積極的導向作用。筆者建議在高考復習的專題階段，可以重溫經典高考試題，或設計新的探究情境，展示科學探究的整個流程，引導學生總結科學探究的各要素的思想方法，提升能力，為未來新高考做好準備。