伯海英

（廈門市教育科學(xué)研究院，福建 廈門 361004）

科學(xué)探究是學(xué)生理解生物學(xué)概念、建立生命觀念不可或缺的學(xué)習(xí)方式，科學(xué)探究素養(yǎng)是學(xué)生理解和應(yīng)用生物學(xué)知識解決問題綜合水平的重要體現(xiàn)，學(xué)生需親歷科學(xué)探究過程才能得以發(fā)展該素養(yǎng)。只有有效考查學(xué)生的科學(xué)探究能力，才能有利于教師研究和提升科學(xué)探究的“教”，促進(jìn)學(xué)生發(fā)展科學(xué)探究能力的“學(xué)”。教育部《關(guān)于加強(qiáng)初中學(xué)業(yè)水平考試命題工作的意見》中，明確要求通過命題改革推動“教師積極探索基于情境、問題導(dǎo)向、深度思維、高度參與的教育教學(xué)模 式”［1］。紙筆測試如何更有效地評估學(xué)生科學(xué)探究能力，一直是中考命題研究的熱點和難點。

一、科學(xué)探究紙筆測試題仍存在“機(jī)械傾向”

1.問題情境囿于學(xué)生熟悉的教材實驗及其簡單變形

以人教版為例，教材設(shè)計了豐富的科學(xué)探究活動，諸如探究非生物因素對生物的影響、種子萌發(fā)的條件、光合作用和呼吸作用系列實驗、饅頭在口腔中的消化作用等實驗，是學(xué)生理解科學(xué)探究的重要載體。將這些實驗及其簡單變形編制在日常作業(yè)或者單元測試中，有利于鞏固和加強(qiáng)學(xué)生對科學(xué)探究理解，但是僅囿于此是不夠的，學(xué)生容易根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行機(jī)械套用，無法真正檢測和促進(jìn)探究能力的發(fā)展。

2.“套路式”的設(shè)問或易于從題干中直接獲取作答信息

例如，在題干中完整表述了研究目的，如“科研人員研究重金屬汞對小麥種子發(fā)芽率的影響”，要求學(xué)生回答該實驗研究的問題和變量，教師給出的答題套路是：①找到這句話，并且把句號改成問號，就是實驗研究的問題，如“重金屬汞對小麥種子發(fā)芽率有影響嗎？”②探究問題的結(jié)構(gòu)一般是“實驗研究的變量對觀測指標(biāo)的影響”，按照這個“規(guī)律”找到變量。再比如，考查實驗設(shè)計常設(shè)問“重復(fù)實驗的目的”，要求回答“避免偶然性”；考查數(shù)據(jù)處理常設(shè)問“取平均值的目的”，要求回答“減少誤差”，學(xué)生可背記答案答題。凡此種種機(jī)械考查視角，無法評估學(xué)生對科學(xué)探究的理解，對發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)無益。實際上，一旦題目情境和設(shè)問略有創(chuàng)新，“套路”失效，學(xué)生便無所適從。

二、多角度優(yōu)化科學(xué)探究紙筆測試有效性

高中生物學(xué)考查科學(xué)探究的試題中，大多需要關(guān)聯(lián)生物學(xué)概念進(jìn)行原理分析、結(jié)果預(yù)測、結(jié)果解釋、結(jié)論應(yīng)用等，偏向于在實驗情境中考查與生物學(xué)概念相關(guān)的分析、解釋、概括、推理、綜合等科學(xué)思維。初中生物學(xué)中原理性知識比較淺顯，科學(xué)探究類試題在關(guān)聯(lián)概念解釋、推理方面的考查顯著弱于高中，相較而言，更偏于考查對科學(xué)探究本身的理解，例如設(shè)置對照實驗、控制單一變量、設(shè)計重復(fù)實驗、實驗數(shù)據(jù)圖表分析、結(jié)論表述等。為了提高考查有效性，亟待豐富情境選材、創(chuàng)設(shè)真實情境、多角度創(chuàng)新設(shè)問，突顯生物學(xué)概念原理與科學(xué)思維相結(jié)合解決問題。

1.選擇情境

情境是探究的載體，一般涉及學(xué)科情境、生活情境、學(xué)術(shù)情境，不同類型的情境考查側(cè)重點和教育價值不同，都需以真實為前提，杜撰或想當(dāng)然的情境不僅違背科學(xué)精神，也容易出現(xiàn)科學(xué)性錯誤。與學(xué)生現(xiàn)實生活密切聯(lián)系的生活情境，例如發(fā)酵食品制作、食品保存、植物生長、動物行為等，對于引導(dǎo)學(xué)生觀察生活、學(xué)以致用是很有價值的，這類素材有賴于日常對實踐證據(jù)、文獻(xiàn)依據(jù)的搜集，作為試題情境考查學(xué)生提出問題、設(shè)計實驗的能力。學(xué)術(shù)情境指利用科技文獻(xiàn)作為試題情境，其真實、新穎特征有利于規(guī)避“題海戰(zhàn)術(shù)”，提高考查科學(xué)探究的有效性，也是近年來中考科學(xué)探究類試題重點方向。正確理解文獻(xiàn)中的科學(xué)實驗，并根據(jù)初中學(xué)生認(rèn)知水平進(jìn)行合理簡化，是命制該類試題的關(guān)鍵。

2.問題和假設(shè)

只有在具體情境中才能有效考查學(xué)生提出科學(xué)的、合理的探究性問題的能力，其中確定研究的變量是提出問題的關(guān)鍵，學(xué)生應(yīng)能識別情境中的探究性問題，并有依據(jù)地作出假設(shè)，假設(shè)應(yīng)體現(xiàn)研究的變量引起的因果關(guān)系。

【例1】將等量a 細(xì)菌接種到已消毒的培養(yǎng)基上，培養(yǎng)24 小時，具體操作和結(jié)果如下表。該實驗研究的問題是_____。

【例2】小紅發(fā)現(xiàn)在水、溫、氧氣條件適宜時，綠豆種子在不透光櫥柜里會萌發(fā)，提出“綠豆種子萌發(fā)是否需要光”的疑問。請針對該問題作出合理的假設(shè)：____。

例1 屬于逆向設(shè)問，要求學(xué)生根據(jù)實驗設(shè)計和結(jié)果反推研究問題，學(xué)生應(yīng)通過觀察表格信息，判斷實驗變量是溫度，實驗要解決的問題是找到適宜細(xì)菌a生長的溫度。例2 中，學(xué)生如果按照“套路”答題，將問題直接改為陳述句，回答“綠豆種子萌發(fā)需要光”，這個答案并不合理，因為它忽略了合理假設(shè)必須依據(jù)一定的知識、經(jīng)驗或事實的原則。對問題和假設(shè)的考查有更多靈活的視角，比如例1 可轉(zhuǎn)化為設(shè)問“該實驗研究的目的是？”通過靈活設(shè)問避免學(xué)生靠“套路”作答，實現(xiàn)有效考查。

在真實生活或科學(xué)研究中，能抓住關(guān)鍵變量提出值得探究的問題，并且確定正確的假設(shè)方向是非常重要的，這是研究獲得成功的前提。教師在教學(xué)中應(yīng)有必要的示范，示范如何在觀察的基礎(chǔ)上，抓住關(guān)鍵要素，準(zhǔn)確把握事物之間的聯(lián)系，指導(dǎo)學(xué)生答題關(guān)鍵是變量明確具體、表述完整規(guī)范，而不是機(jī)械的“套路”。

3.設(shè)計和實施

科學(xué)探究中理解、運(yùn)用實驗原則是關(guān)鍵。學(xué)生要記住科學(xué)探究應(yīng)該遵循科學(xué)性、單一變量、平行重復(fù)等原則并不難，關(guān)鍵是在新情境中能否靈活應(yīng)用原則、結(jié)合生物學(xué)知識和思想方法來分析和解決問題，這是紙筆測試中應(yīng)著力考查的內(nèi)容。具體可考查學(xué)生是否真正理解科學(xué)探究應(yīng)正確關(guān)聯(lián)的科學(xué)概念、恰當(dāng)?shù)牟牧虾褪侄?，是否真正理解對照實驗，如何控制單一變量，如何控制無關(guān)變量相同且適宜，是否設(shè)計重復(fù)實驗提升實驗結(jié)果的可信度等等，其中，識別和控制實驗變量、觀察或監(jiān)測觀察指標(biāo)，是區(qū)分探究能力的關(guān)鍵點之一。

【例3】一組針對實驗設(shè)計和實施的設(shè)問舉例

（1）探究大豆種子萌發(fā)所需的環(huán)境條件，……各裝置的設(shè)置及實驗結(jié)果如下表（空出實驗組或?qū)φ战M的部分條件）……表格中的①②對應(yīng)的環(huán)境條件應(yīng)設(shè)置為▲。

（2）題干呈現(xiàn)設(shè)計方案……要探究“萬壽菊的花提取液對褐孢霉是否有抑制作用？”應(yīng)選用▲組和▲組作為對照實驗。

（3）在該實驗基礎(chǔ)上，研究小組打算進(jìn)一步研究光對根提取液實驗效果的影響，他們應(yīng)該再補(bǔ)充一組實驗，其設(shè)計應(yīng)與▲組相同，并置于▲環(huán)境中培養(yǎng)。

（4）要進(jìn)一步比較入侵植物馬纓丹和薇甘菊的觸殺效果，保持上述實驗步驟③-⑥不變，請設(shè)計步驟①和②：①▲；②▲。

（5）在相同的測試箱中，測定不同光照強(qiáng)度時植株的光合作用強(qiáng)度?！瓬y試箱中需要控制的無關(guān)變量，除植株長勢外，還應(yīng)有▲。

（6）為提高溫室番茄產(chǎn)量，某研究者據(jù)圖分析，提出“每日增加光照4 小時”的建議，寫出該建議的合理與局限之處。

（7）為探究光照強(qiáng)度對光合作用速率的影響，用調(diào)節(jié)白熾燈與植物的距離來控制變量，這樣做是否合理？請簡述理由：▲。

（8）對植物進(jìn)行長期遮光處理后發(fā)現(xiàn)葉片氣孔數(shù)目變少、直徑變小，為探究這種變化是否能遺傳，請寫出實驗設(shè)計思路：▲。

設(shè)計和實施的測試重點，已逐漸從具體步驟描述轉(zhuǎn)向思路設(shè)計，更加直接聚焦于科學(xué)思維考查，一定程度規(guī)避了機(jī)械背記和套用。針對初中學(xué)生的認(rèn)知水平和表達(dá)能力可選擇多樣的考查形式，如給定變量，要求補(bǔ)充關(guān)鍵步驟形成對照實驗（例3-（1））；給定一組實驗的條件，要求根據(jù)單一變量原則設(shè)計另一組（例3-（2）（3）（4））；給定研究的變量（自變量），要求分析確定或控制實施中可能的無關(guān)變量（例3-（5））；給定實驗方案，要求根據(jù)科學(xué)探究原則，找出方案中的不足或精妙處，或要求對結(jié)果進(jìn)行預(yù)判，分析方案的合理和局限性，并進(jìn)行修正（例3-（6）（7））；給定實驗?zāi)康?，要求寫出設(shè)計思路（例3-（8））等。通過情境的新穎度、條件的隱蔽性、設(shè)問的開放度和表達(dá)要求等進(jìn)行變式設(shè)計，在科學(xué)探究理解水平、思維的靈活性、嚴(yán)謹(jǐn)性、創(chuàng)新性等加大區(qū)分度。

4.結(jié)果和結(jié)論

解釋證據(jù)并基于證據(jù)推測結(jié)論是科學(xué)探究類紙筆測試的高頻設(shè)問點，體現(xiàn)生物學(xué)基于科學(xué)實證的學(xué)科本質(zhì)。設(shè)問視角主要有兩個方向：一是分析和解釋結(jié)果、二是根據(jù)結(jié)果推出結(jié)論。常以實驗現(xiàn)象圖文描述、實驗數(shù)據(jù)圖、數(shù)據(jù)表來呈現(xiàn)實驗結(jié)果，要求學(xué)生分析實驗變量與觀測指標(biāo)的因果關(guān)系，提煉現(xiàn)象、數(shù)據(jù)變化的規(guī)律性，結(jié)合生物學(xué)概念原理對實驗結(jié)果進(jìn)行解釋、推斷等，考查學(xué)生獲取和甄別信息，結(jié)合生物學(xué)原理進(jìn)行科學(xué)解釋、邏輯推理并提煉和表達(dá)結(jié)論等科學(xué)探究能力。這類試題的命制往往基于學(xué)術(shù)情境，需要命題者深入挖掘?qū)嶒灁?shù)據(jù)圖表中需要學(xué)生歸納推理、溯因推理等考查點。實驗結(jié)果和結(jié)論的考查還可挖掘更多靈活的視角，如多圖表關(guān)聯(lián)設(shè)問，要求學(xué)生先理順不同實驗因素之間的關(guān)系，從中甄選答題信息；逆向設(shè)問，要求學(xué)生通過分析結(jié)果反推實驗問題和設(shè)計思路；又如應(yīng)用性拓展設(shè)問，要求學(xué)生將實驗證據(jù)、結(jié)論應(yīng)用于解釋和解決生活、生產(chǎn)實際問題。

【例4】2018 年福建生物中考第34 題（圖1）以四條曲線呈現(xiàn)實驗結(jié)果，第（3）題要求回答“分析曲線，隨炮制時間增加，亞硝酸鹽含量變化趨勢均表現(xiàn)為▲”；第（4）題要求回答“分析比較四條曲線亞硝酸鹽含量最大值，不同濃度食醋對泡白菜亞硝酸鹽含量的影響是▲”。兩道題分別從橫向觀察和縱向比較設(shè)問，考查學(xué)生能否獲取正確的信息，推理能否基于證據(jù)、邏輯是否清晰合理嚴(yán)密。學(xué)生面對四條曲線，首先要分析設(shè)問方向，甄別解決問題應(yīng)選擇的有效證據(jù)，證據(jù)選擇錯誤可能答非所問。

圖1 添加不同濃度食醋的泡白菜種硝酸鹽含量的變化

初中生物學(xué)科學(xué)探究類試題中，有不少題目雖然以生物學(xué)實驗為背景，但通過分析結(jié)果信息可直接提煉結(jié)論，不需關(guān)聯(lián)生物學(xué)知識，因此考查點單純落在科學(xué)探究技能和科學(xué)思維。筆者認(rèn)為這并不是理想試題。包容性好的科學(xué)探究題，應(yīng)需要關(guān)聯(lián)生物學(xué)概念、原理解決問題，即需要尋求相應(yīng)的生物學(xué)概念及原理進(jìn)而進(jìn)行溯因推理。

【例5】以研究紫葉芥菜與綠葉芥菜光合作用的差異為背景，要求學(xué)生根據(jù)實驗結(jié)果（圖2），回答：（3）光照強(qiáng)度高于B 點時，栽培▲芥菜產(chǎn)量較高；低于該強(qiáng)度時，▲芥菜生長較好；（4）光照強(qiáng)度超過A 點（曲線與橫坐標(biāo)軸的交點），研究人員測得密閉測試箱中二氧化碳的量開始下降，原因是▲；（5）據(jù)圖，從光照強(qiáng)度和光合作用強(qiáng)度關(guān)系說明：其他條件適宜時，無法采用不斷增加光照強(qiáng)度的措施來提高芥菜產(chǎn)量：▲。第（3）（5）題定位于分析結(jié)果推斷結(jié)論，但沒有直接問結(jié)論，而是將實驗證據(jù)運(yùn)用于分析生產(chǎn)實際，考查學(xué)生遷移證據(jù)的能力；第（4）題定位于解釋結(jié)果，考查學(xué)生結(jié)合生物學(xué)原理分析、解釋實驗現(xiàn)象的能力。并從分析、表達(dá)難度上設(shè)計了遞增梯度。

圖2 不同光照強(qiáng)度紫葉芥菜和綠色紫葉芥菜單株光合作用強(qiáng)度

【例6】一組針對實驗結(jié)果和結(jié)論的設(shè)問舉例

（1）對照分析表1 和表2，對洋桔梗營養(yǎng)器官生長影響最顯著的是▲肥。在保持氮肥0.4 g/L、鉀肥0.3g/L 的情況下，促進(jìn)洋桔梗開花的磷肥最適用量是▲g/L。

（2）……該實驗可用于論證的觀點是▲；實驗結(jié)果支持該觀點嗎?▲

（3）興趣小組建議用2.0g/mL 薇甘菊提取液觸殺非洲大蝸牛。請根據(jù)實驗結(jié)果解釋該建議的合理性：▲。

（4）……小明根據(jù)數(shù)據(jù)判斷“兩種因素共同作用能提高玉米產(chǎn)量”，請分析該判斷的合理和不足，并修正不足之處。

在這組設(shè)問舉例中，第（1）題要求多表關(guān)聯(lián)分析，第（2）題要求逆向推理解釋，第（3）（4）題則屬于應(yīng)用性拓展設(shè)問，要求學(xué)生遷移證據(jù)解釋實際問題。

【例7】2020 年福建生物中考第34 題

題干中先給出了生產(chǎn)實踐中的現(xiàn)象“在種植兩個品種的扁豆時發(fā)現(xiàn)，大量的蚜蟲寄生在綠色扁豆上，而相鄰的紫色扁豆上僅有少量”，提出“蚜蟲為什么不選擇紫色扁豆呢？”給出“假設(shè)一：蚜蟲對扁豆的選擇與顏色的刺激有關(guān)”及其相關(guān)實驗設(shè)計，第（1）題設(shè)問“由于黑暗環(huán)境中蚜蟲不能接受顏色刺激，步驟③“將甲、乙裝置分別放在兩種實驗環(huán)境中”，兩種實驗環(huán)境應(yīng)分別是▲”；第（2）題設(shè)問“如果觀察到甲裝置中大多數(shù)蚜蟲出現(xiàn)在綠色扁豆上，乙裝置中大多數(shù)蚜蟲出現(xiàn)在▲色扁豆上，則假設(shè)不成立。”

接著，補(bǔ)充題干信息“經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)紫色扁豆中含有物質(zhì)A，而綠色扁豆中沒有”，并提出“假設(shè)二：蚜蟲對扁豆的選擇與物質(zhì)A 有關(guān)”，并以表格形式呈現(xiàn)相關(guān)實驗設(shè)計，第（3）題就實驗變量和實驗步驟設(shè)問；第（4）題就實驗結(jié)果設(shè)問。

從上述試題簡述看，該題設(shè)問新穎，在基于現(xiàn)象提出問題、作出假設(shè)，基于問題和假設(shè)設(shè)計實驗，根據(jù)實驗結(jié)果論證假設(shè)合理性等方面，以及問題、假設(shè)、實證、結(jié)論等內(nèi)在邏輯關(guān)系等方面做出積極的探索。第（1）題變換角度，巧妙地考查學(xué)生是否準(zhǔn)確抓住實驗變量、進(jìn)行實驗設(shè)計，通過設(shè)計明亮和黑暗的環(huán)境，實際上造成蚜蟲對顏色的不同感知；第（2）題以“假設(shè)不成立”反推現(xiàn)象，考查學(xué)生是否真實理解實驗設(shè)計原理，是否正確建立假設(shè)和現(xiàn)象的關(guān)系；第（3）題考查學(xué)生對實驗變量和無關(guān)變量的理解；第（4）題給定實驗結(jié)論，要求學(xué)生從實驗結(jié)果中尋求證據(jù)，滲透了論證的思想。

總之，在提升科學(xué)探究紙筆測試的有效性方面，我們還有很多路要走。但是“考”不是目的，以考促學(xué)，真正提升學(xué)生科學(xué)探究能力才是硬道理。初中生物學(xué)教師在實施科學(xué)探究教學(xué)時，除了以教材科學(xué)探究活動為載體，還應(yīng)積極創(chuàng)設(shè)新情境，帶領(lǐng)學(xué)生在問題解決中學(xué)習(xí)，這對教師教學(xué)能力提出更高的要求。首先，教師要主動學(xué)習(xí)已有優(yōu)秀教學(xué)和試題中的情境和設(shè)問，提升自身對科學(xué)探究的多角度、多層次理解；其次，從模仿開始，以激活思維、促進(jìn)學(xué)生理解科學(xué)探究為出發(fā)點，拓展設(shè)問的靈活性和有效性；然后，采用支架式教學(xué)策略，為學(xué)生解決問題搭設(shè)必要的支架，并逐步撤離這些支架，直至學(xué)生能獨立解決新情境下的科學(xué)探究問題；最后，指導(dǎo)學(xué)生形成問題解決圖式，提升解決問題效率。學(xué)生分析和設(shè)計實驗?zāi)芰^難提高，和鮮于從成功案例中提煉問題解決經(jīng)驗策略有關(guān)。問題解決圖式融合原理、策略、程序等的積極認(rèn)知結(jié)構(gòu)，教師可通過變式訓(xùn)練，指導(dǎo)學(xué)生比較、概括和應(yīng)用問題解決圖式，也有助于提升學(xué)生元認(rèn)知水平。