王月玲 武佳佳 郭靜宇 王冠懿

（1 山西省教育科學(xué)研究院 山西太原 030009 2 山西省忻州市第一中學(xué) 山西忻州 034000 3 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 湖南長(zhǎng)沙 410000 4 中南大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院 湖南長(zhǎng)沙 410000）

《中國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》 的發(fā)布使核心素養(yǎng)的培養(yǎng)成為新一輪課程改革的新指向和新動(dòng)力。 生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任4 個(gè)方面［1］，其中科學(xué)探究既是學(xué)習(xí)科學(xué)的目的， 又是學(xué)習(xí)科學(xué)的方式。 探究是科學(xué)研究的基本方法，將科學(xué)探究作為生物學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)，彰顯了生物學(xué)作為自然科學(xué)的屬性。

1 科學(xué)探究的屬性

科學(xué)研究是以實(shí)驗(yàn)為載體得出理性結(jié)論的過(guò)程，經(jīng)歷從實(shí)證到理論再到實(shí)踐的階段?？茖W(xué)探究是科學(xué)研究的基本方法。

早在1994 年， 國(guó)際科學(xué)界就倡議和推動(dòng)在中、小學(xué)開(kāi)展探究式的科學(xué)教育活動(dòng)。 2005 年，韋鈺院士《探究式科學(xué)教育教學(xué)指導(dǎo)》的出版，讓探究式教學(xué)在中國(guó)真正落地生根。 隨著教育部幾期探究式教學(xué)研討班的組織， 探究式教學(xué)受到了教育界越來(lái)越多的重視。 實(shí)施探究式的教育成為教育改革的重要組成部分， 是培養(yǎng)創(chuàng)新性人才的重要 途 徑［2］。

探究活動(dòng)是培養(yǎng)科學(xué)探究很好的途徑和載體， 實(shí)施探究活動(dòng)要讓學(xué)生親歷和體驗(yàn)科學(xué)探究的歷程， 所以探究活動(dòng)在一定程度上是現(xiàn)實(shí)科學(xué)研究的濃縮和再現(xiàn)。 科學(xué)探究能力包含的內(nèi)容非常廣，通常認(rèn)為包括提出問(wèn)題、做出假設(shè)、制訂計(jì)劃、實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案、收集證據(jù)、得出結(jié)論、表達(dá)和交流等方面［3］。 探究實(shí)驗(yàn)試題可就探究過(guò)程的某一方面進(jìn)行考查，但在教學(xué)實(shí)踐中，探究活動(dòng)應(yīng)該是一個(gè)完整連續(xù)的過(guò)程。 雖然探究活動(dòng)不一定必須進(jìn)行實(shí)驗(yàn)， 但通過(guò)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的探究能力是一個(gè)很好的途徑。

通過(guò)探究活動(dòng)， 學(xué)生可學(xué)習(xí)科學(xué)探究的基本步驟，掌握核心的科學(xué)概念和原理，從中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維及實(shí)事求是、尊重他人、小組合作的科學(xué)精神和態(tài)度。

2 當(dāng)前學(xué)生探究能力測(cè)評(píng)的手段

在我國(guó)教學(xué)大綱時(shí)代的教材中， 對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的要求很少， 這一現(xiàn)實(shí)使得實(shí)驗(yàn)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(xué)高考試卷中幾乎沒(méi)有要求設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的題目。 2002 年的《生物學(xué)科考試說(shuō)明》雖提到了實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ囊?，但仍比較模糊。 2003 年的考試大綱在原來(lái)的基礎(chǔ)上，就實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)步驟等方面進(jìn)行了細(xì)化，同時(shí)首次將“探索性實(shí)驗(yàn)”寫(xiě)入考試說(shuō)明［4］。

雖然“培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探索能力”意義重大，但從命題技術(shù)角度看， 考查探究實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ淖詈眯问竭€是像科學(xué)探究活動(dòng)那樣， 按探究活動(dòng)的幾個(gè)步驟展開(kāi)。 但由于我國(guó)中學(xué)教學(xué)及高考試卷的實(shí)際情況，以及高考閱卷時(shí)間、經(jīng)費(fèi)的限制，探究性實(shí)驗(yàn)試題的數(shù)量和分值受到很大限制。 即使在提出“科學(xué)探索能力”的當(dāng)年，實(shí)驗(yàn)試題更多的仍是考查驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，而非探究性實(shí)驗(yàn)。在考查內(nèi)容上，也更多考查實(shí)驗(yàn)操作的完善、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解釋?zhuān)?而考查實(shí)驗(yàn)思路設(shè)計(jì)的題目并不多（圖1）。 從2007 年高考新課程全國(guó)卷開(kāi)始，用考查實(shí)驗(yàn)思路代替考查實(shí)驗(yàn)步驟。思路重視思維， 凸顯核心能力， 減少步驟中一些細(xì)節(jié)的考查，使得生物學(xué)能力的測(cè)量更科學(xué)、更直接。

圖1 確定探究課題、完善實(shí)驗(yàn)步驟、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)思路、結(jié)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(xué)生熟悉的知識(shí)點(diǎn)。雖然探究的本質(zhì)是個(gè)體對(duì)未知的探索研究過(guò)程，但高考作為一種選拔性考試，如果試題命制為完全開(kāi)放性試題，在評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)的制定和閱卷的把控上很難做到“給一分有理，扣一分有據(jù)”和“一把尺子量到底”的閱卷原則，所以，試題素材的完全開(kāi)放并不符合現(xiàn)階段我國(guó)高考的實(shí)際。

2.1 對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的考查 廣義的實(shí)驗(yàn)題目包括考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、判斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象、根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象推導(dǎo)實(shí)驗(yàn)結(jié)論、分析和解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及實(shí)驗(yàn)結(jié)果等能力。 從考查探究能力的角度看，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中對(duì)自變量的識(shí)別和控制、對(duì)因變量的轉(zhuǎn)化和檢測(cè)是探究能力測(cè)評(píng)的關(guān)鍵，而完善實(shí)驗(yàn)操作、分析或評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的題目，更傾向于以實(shí)驗(yàn)為問(wèn)題背景對(duì)生物學(xué)的基本概念和原理的考查，嚴(yán)格意義上說(shuō)，屬于科學(xué)思維方面的考查。 例如2009 年“為驗(yàn)證pH 對(duì)唾液淀粉酶活性的影響”的實(shí)驗(yàn)。 此外，實(shí)驗(yàn)本身來(lái)源于教材，學(xué)生比較熟悉，在作答過(guò)程中，學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)可能起到較大的作用。

在科學(xué)研究中，研究起點(diǎn)的確立非常重要，就像現(xiàn)代科學(xué)研究中常用的“假說(shuō)-演繹法”一樣，提出假說(shuō)本身就是一種創(chuàng)新，沒(méi)有假說(shuō)，再?gòu)?qiáng)的演繹也沒(méi)有基礎(chǔ)。在探索未知世界的茫茫黑夜中，第1 個(gè)發(fā)現(xiàn)者或發(fā)明人開(kāi)啟了希望的大門(mén)， 為后來(lái)者找到了通往成功的路徑， 其地位和作用無(wú)可替代。從這個(gè)角度上說(shuō)，由學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的題目更能考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力和創(chuàng)新能力。

2.2 對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的考查 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的是“在最大程度控制無(wú)關(guān)變量的基礎(chǔ)上研究自變量和因變量的關(guān)系”［5］，可見(jiàn)變量設(shè)計(jì)的重要性。 根據(jù)自變量的數(shù)量， 可簡(jiǎn)單分為單一自變量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和多自變量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)2 種。 根據(jù)自變量呈現(xiàn)的明確程度，即自變量能否直接識(shí)別和是否需要轉(zhuǎn)化，可分為直接呈現(xiàn)的自變量和相對(duì)隱蔽的自變量2 種類(lèi)型，例如2017 年全國(guó)卷Ⅰ第29 題要求“設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)確定一種病毒的類(lèi)型”就屬于相對(duì)隱蔽自變量的題目。

在科學(xué)研究中， 探究課題的目的往往是明確的，因變量的轉(zhuǎn)化相對(duì)于自變量也相對(duì)容易，所以自變量相對(duì)隱蔽， 這樣的探究更接近于真實(shí)的探究過(guò)程。 “有待于新的研究思路和研究方法”說(shuō)得更多的是自變量的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)， 進(jìn)而可對(duì)因變量作出檢測(cè)，最后能根據(jù)結(jié)果得出結(jié)論。

如果學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)不拘泥于固定的套路，而是基于基本的生物學(xué)知識(shí)和創(chuàng)新性的思路， 這樣的實(shí)驗(yàn)探究才是真正的探究。這一目標(biāo)的達(dá)成，一方面對(duì)人才的選拔有積極的意義， 另一方面對(duì)應(yīng)試刷題和機(jī)械訓(xùn)練也有一定的抑制作用。

2.2.1 單一自變量的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 單一自變量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)考查“一個(gè)自變量與一個(gè)因變量之間關(guān)系”。根據(jù)組別可分為2 種類(lèi)型：?jiǎn)谓M前、后測(cè)實(shí)驗(yàn)與2 組前、后測(cè)實(shí)驗(yàn)，2 類(lèi)實(shí)驗(yàn)異同見(jiàn)表1 所示。

表1 單一自變量設(shè)計(jì)2 類(lèi)實(shí)驗(yàn)異同對(duì)比

高考試題中很少考查單組前、后測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，例如2008 年全國(guó)Ⅰ卷“驗(yàn)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(biāo)。沒(méi)有專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)對(duì)照組，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)形成了前后對(duì)照。 大部分試題的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)還是以2 組的前、后測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為主。這一類(lèi)題目的自變量直接呈現(xiàn)， 學(xué)生很容易根據(jù)平時(shí)訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行機(jī)械套用，對(duì)實(shí)驗(yàn)探究能力的考查意義不很明顯。 這一類(lèi)型的題目雖然有時(shí)也是一個(gè)自變量，但自變量是可變化的。例如2008 年全國(guó)新課標(biāo)卷“探究玉米粒提取液促進(jìn)淀粉分解的最適溫度”， 雖然自變量?jī)H溫度一個(gè)，但溫度是可變化的。

2.2.2 多變量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 隨著新課程的實(shí)施，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力也在提升， 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題目也發(fā)生著變化， 由單一自變量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)渡到考查2個(gè)自變量對(duì)因變量影響的實(shí)驗(yàn)。

第1 類(lèi)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)試題可概括為“自變量A 和自變量B 對(duì)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(xiàn)的“探究胰島素和生長(zhǎng)激素對(duì)大鼠生長(zhǎng)的影響”。 自變量由原來(lái)的1 個(gè)變成2 個(gè)，且這2 個(gè)自變量之間相對(duì)獨(dú)立。 對(duì)于該類(lèi)實(shí)驗(yàn)題型，學(xué)生在原來(lái)對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組設(shè)計(jì)的思路上再加入一組混合組即可。

第2 類(lèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)自變量往往有2 個(gè)， 其中一個(gè)自變量通常通過(guò)另外一個(gè)自變量對(duì)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(wěn)定的機(jī)制”的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為3 組，一組為蒸餾水作空白對(duì)照，一組為生物材料，一組為緩沖液，通過(guò)前2 組的對(duì)照，得出生物體具有維持pH 穩(wěn)定的能力，再根據(jù)后2組探究生物體能維持pH 穩(wěn)定可能的機(jī)制。 這類(lèi)實(shí)驗(yàn)中，自變量屬于引發(fā)變量，研究的目的一般是探究引發(fā)變量和因變量之間的因果關(guān)系。 與變量之間的相關(guān)性研究相比， 這類(lèi)研究更多的是發(fā)現(xiàn)性的，而非驗(yàn)證性的。

第3 類(lèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是相互驗(yàn)證性的， 自變量也有2 個(gè)， 但這2 個(gè)自變量中只有一個(gè)自變量對(duì)因變量起作用， 且需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定究竟是哪一個(gè)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(guó)新課標(biāo)卷“確定植物光合作用產(chǎn)生的O2來(lái)自H2O 還是CO2”；2017 年“確定病毒的遺傳物質(zhì)類(lèi)型”，要求包含可相互印證的甲、乙2 組實(shí)驗(yàn)。這2 道實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題目類(lèi)型相同， 都要求學(xué)生采用同位素標(biāo)記的方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)， 教材中也都有相關(guān)的知識(shí)基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的提示，但學(xué)生的作答情況卻差異很大。原因可能是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)開(kāi)始時(shí)自變量的呈現(xiàn)是直接呈現(xiàn)還是相對(duì)隱蔽， 這對(duì)學(xué)生整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思路推進(jìn)造成了較大困擾。

3 討論

無(wú)論從知識(shí)還是能力的角度， 生物學(xué)探究實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)都是屬于高層次的要求級(jí)別［6］。 自生物學(xué)科恢復(fù)高考以來(lái)， 探究實(shí)驗(yàn)類(lèi)試題在高考中的分值和比例有了較大的提升， 也涌現(xiàn)出很多優(yōu)秀的試題。 例如2017 年全國(guó)卷Ⅰ第29 題是最近幾年考查探究實(shí)驗(yàn)?zāi)芰^好的一道試題。 相對(duì)于補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵步驟繼續(xù)完成實(shí)驗(yàn)、 分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果等題目，試題命制已有了較大的改變。試題自變量呈現(xiàn)相對(duì)隱蔽， 學(xué)生很難機(jī)械套用實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的“模板”，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，要求考生從起點(diǎn)開(kāi)始，沒(méi)有相應(yīng)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(xì)胞的過(guò)程和實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組的設(shè)計(jì)，另一方面要求掌握同位素標(biāo)記法的使用方法。 對(duì)具體科學(xué)方法的考查，很好地體現(xiàn)了《2018 年普通高等學(xué)校招生全國(guó)統(tǒng)一考試大綱（生物）》中“能獨(dú)立完成‘生物學(xué)知識(shí)內(nèi)容表’所列的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，包括理解實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒃?、方法和操作步驟，掌握相關(guān)的操作技能，并能將這些實(shí)驗(yàn)涉及的方法和技能等進(jìn)行運(yùn)用”的考核目標(biāo)要求，對(duì)中學(xué)教學(xué)具有良好的導(dǎo)向作用。