四川 葛方金

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）》將“科學(xué)探究”列為學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，它指能夠發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界中的生物學(xué)問(wèn)題，針對(duì)特定的生物學(xué)現(xiàn)象，進(jìn)行觀察、提問(wèn)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、方案實(shí)施以及對(duì)結(jié)果的交流與討論的能力?！吨袊?guó)高考評(píng)價(jià)體系》也將“實(shí)踐操作能力群”作為考查的關(guān)鍵能力群，其主要包括：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、數(shù)據(jù)處理能力、信息轉(zhuǎn)化能力、動(dòng)手操作能力、應(yīng)用寫(xiě)作能力、語(yǔ)言表達(dá)能力等等。近年的高考試卷中，實(shí)驗(yàn)類(lèi)試題在選擇題和非選擇題部分都占有一定比例，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)挑戰(zhàn)難度越來(lái)越大。那么，如何高效復(fù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，提升學(xué)生的科學(xué)探究能力呢？經(jīng)實(shí)踐，筆者認(rèn)為結(jié)構(gòu)化復(fù)習(xí)是有效的路徑。

1.統(tǒng)整教材實(shí)驗(yàn)，融會(huì)貫通

普通高中生物學(xué)教材中有大量的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，包括演示實(shí)驗(yàn)、分組實(shí)驗(yàn)、資料分析和科學(xué)史實(shí)驗(yàn)等，其中蘊(yùn)含著豐富的實(shí)驗(yàn)原理、基本的實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)、科學(xué)探究的思想和精神。它們既是命制選擇類(lèi)實(shí)驗(yàn)題的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)，其實(shí)驗(yàn)原理和思想、方法和技術(shù)也是完成非選擇類(lèi)實(shí)驗(yàn)題的必備知識(shí)和技能。因此，以一定的邏輯主線(xiàn)歸類(lèi)統(tǒng)整教材實(shí)驗(yàn)，可讓學(xué)生在比較與分析中深刻理解有關(guān)實(shí)驗(yàn)的異同，洞悉其之間的內(nèi)在聯(lián)系，有組織、系統(tǒng)地掌握實(shí)驗(yàn)原理、方法和技術(shù)，從而融會(huì)貫通。

1.1 歸類(lèi)教材實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

按完成實(shí)驗(yàn)所需的基本技術(shù)，可將教材基本實(shí)驗(yàn)歸類(lèi)為顯微觀察類(lèi)（如表1）、物質(zhì)提取類(lèi)、檢測(cè)和微生物的鑒定類(lèi)、調(diào)查類(lèi)、探究類(lèi)。

表1 顯微觀察類(lèi)實(shí)驗(yàn)

續(xù)表

1.2 歸納教材實(shí)驗(yàn)方法

表2 教材基本實(shí)驗(yàn)方法

1.3 統(tǒng)整實(shí)驗(yàn)試劑的作用

有些實(shí)驗(yàn)試劑在教材的不同實(shí)驗(yàn)中均有使用，但在不同實(shí)驗(yàn)中其濃度、方法或作用不完全相同，因此，教師可依據(jù)實(shí)驗(yàn)試劑的作用對(duì)教材實(shí)驗(yàn)進(jìn)行歸類(lèi)統(tǒng)整，使學(xué)生深度理解有關(guān)實(shí)驗(yàn)試劑的使用方法和作用。如可對(duì)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中普遍使用的酒精、鹽酸（如表3）和氫氧化鈉溶液的作用進(jìn)行歸納總結(jié)。

表3 鹽酸在不同實(shí)驗(yàn)中的作用

續(xù)表

通過(guò)統(tǒng)整，可以對(duì)教材實(shí)驗(yàn)的復(fù)習(xí)進(jìn)行連續(xù)設(shè)計(jì)，組織、結(jié)合成一個(gè)有意義的整體課程，這樣可以保證學(xué)生學(xué)習(xí)的深刻性、綜合性，使學(xué)生融會(huì)貫通地掌握教材實(shí)驗(yàn)的基本內(nèi)容和方法。

2.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，分類(lèi)構(gòu)建策略

高考試卷中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)類(lèi)試題主要考查形式有設(shè)計(jì)和完善實(shí)驗(yàn)步驟、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)思路、實(shí)驗(yàn)分析和評(píng)價(jià)。教師對(duì)不同類(lèi)型實(shí)驗(yàn)題進(jìn)行訓(xùn)練和指導(dǎo)，歸納、構(gòu)建答題策略，可以提升學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。

2.1 設(shè)計(jì)和完善實(shí)驗(yàn)步驟

【例1】（2018 年，全國(guó)卷Ⅱ，第29 題）為研究垂體對(duì)機(jī)體生長(zhǎng)發(fā)育的作用，某同學(xué)用垂體切除法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，用幼齡大鼠為材料，以體重變化作為生長(zhǎng)發(fā)育的檢測(cè)指標(biāo)?；卮鹣铝袉?wèn)題：

（1）請(qǐng)完善下面的實(shí)驗(yàn)步驟

①將若干只大鼠隨機(jī)分為A、B 兩組后進(jìn)行處理，A 組（對(duì)照組）的處理是__________；B 組的處理是___________。

②將上述兩組大鼠置于相同的適宜條件下飼養(yǎng)。

③______________。

④對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理與分析。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

B 組大鼠生長(zhǎng)發(fā)育的狀況不如A 組，出現(xiàn)這種差異的原因是由于B 組的處理使大鼠缺失了來(lái)源于垂體的_________激素和_________激素。

【參考答案】（1）①手術(shù)但不切除垂體 切除垂體 ③每隔一定時(shí)間，測(cè)定并記錄兩組大鼠的體重（2）生長(zhǎng) 促甲狀腺

【試題分析】本題以“研究垂體對(duì)機(jī)體生長(zhǎng)發(fā)育的作用”為情境，考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)與探究能力。

（1）依據(jù)題意可知：本實(shí)驗(yàn)的目的是研究垂體對(duì)機(jī)體生長(zhǎng)發(fā)育的作用，自變量是垂體的有無(wú)，因變量是通過(guò)檢測(cè)幼齡大鼠體重的變化來(lái)反映其生長(zhǎng)發(fā)育的狀況，其他對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有影響的無(wú)關(guān)變量應(yīng)控制相同且適宜。據(jù)此，結(jié)合題意所示的實(shí)驗(yàn)方法（切除法）和不完善的實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原則，可判斷①A 組（對(duì)照組）手術(shù)但不切除垂體，B 組切除垂體；②每隔一定時(shí)間，測(cè)定并記錄兩組大鼠的體重。

（2）垂體分泌的促甲狀腺激素可促進(jìn)甲狀腺的生長(zhǎng)發(fā)育，調(diào)節(jié)甲狀腺激素的合成、分泌。垂體分泌的生長(zhǎng)激素和甲狀腺分泌的甲狀腺激素都有促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育的作用，但前者主要促進(jìn)生長(zhǎng)，后者主要促進(jìn)發(fā)育，二者相互協(xié)調(diào)機(jī)體才能正常的生長(zhǎng)發(fā)育。由于B 組的處理使大鼠缺失了來(lái)源于垂體的生長(zhǎng)激素和促甲狀腺激素，因此B 組大鼠生長(zhǎng)發(fā)育的狀況不如A 組。

【策略構(gòu)建】設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟：

①取材分組編號(hào)；②施加自變量；③控制無(wú)關(guān)變量；④檢測(cè)因變量。

2.2 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)思路

【例2】植物葉片表皮上分布有大量的氣孔，氣孔結(jié)構(gòu)如圖所示。當(dāng)組成氣孔的細(xì)胞（保衛(wèi)細(xì)胞）吸水后，會(huì)膨脹變形，氣孔開(kāi)啟；反之細(xì)胞失水收縮，氣孔關(guān)閉。請(qǐng)以放置一小段時(shí)間的菠菜為材料設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，證明氣孔具有開(kāi)啟和關(guān)閉的功能。（要求寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)思路，預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。）

氣孔結(jié)構(gòu)示意圖

【參考答案】取菠菜葉，用清水制成臨時(shí)裝片，在顯微鏡下觀察氣孔狀態(tài)；預(yù)測(cè)現(xiàn)象：氣孔開(kāi)啟。在裝片上滴上濃鹽水，一段時(shí)間后在顯微鏡下繼續(xù)觀察氣孔狀態(tài)；預(yù)測(cè)現(xiàn)象：氣孔關(guān)閉。

【試題分析】本題創(chuàng)設(shè)了“氣孔的結(jié)構(gòu)和氣孔開(kāi)閉的原理”這一問(wèn)題情境，要求學(xué)生以放置一小段時(shí)間的菠菜為材料設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，證明氣孔具有開(kāi)啟和關(guān)閉的功能，考查學(xué)生獲取信息的能力和科學(xué)探究能力。根據(jù)必修1 教材“探究植物細(xì)胞的吸水和失水”實(shí)驗(yàn)的原理和步驟，本實(shí)驗(yàn)的自變量是菠菜葉細(xì)胞所處的外界溶液，因變量是通過(guò)在顯微鏡下觀察氣孔狀態(tài)來(lái)反映其開(kāi)啟和關(guān)閉。運(yùn)用教材實(shí)驗(yàn)中滲透作用的原理，取菠菜葉，用清水制成臨時(shí)裝片，在顯微鏡下觀察氣孔狀態(tài)；預(yù)測(cè)現(xiàn)象：氣孔開(kāi)啟。在裝片上滴上濃鹽水，一段時(shí)間后在顯微鏡下繼續(xù)觀察氣孔狀態(tài)；預(yù)測(cè)現(xiàn)象：氣孔關(guān)閉。通過(guò)自身前后對(duì)照的方法，即可證明氣孔具有開(kāi)啟和關(guān)閉的功能。

【策略構(gòu)建】設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)思路：

①控制自變量；②檢測(cè)因變量。

實(shí)驗(yàn)思路和實(shí)驗(yàn)步驟的區(qū)別：實(shí)驗(yàn)步驟是實(shí)驗(yàn)思路的具體實(shí)施，它更加具體，重視操作；實(shí)驗(yàn)思路更加宏觀，它是大體的構(gòu)思和框架。

2.3 實(shí)驗(yàn)分析和評(píng)價(jià)

【例3】為驗(yàn)證“鎂是植物生活的必需元素”，兩位同學(xué)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，下列是實(shí)驗(yàn)的基本思路。請(qǐng)分別指出兩個(gè)實(shí)驗(yàn)思路能否達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，為什么?/p>

（1）實(shí)驗(yàn)一：取生長(zhǎng)狀況一致的大豆幼苗，用符合實(shí)驗(yàn)要求的容器進(jìn)行培養(yǎng)。對(duì)照組容器內(nèi)只盛有蒸餾水，實(shí)驗(yàn)組容器內(nèi)盛有用蒸餾水配制的鎂鹽溶液。兩組置于相同的適宜條件下培養(yǎng)，并對(duì)溶液通氣，觀察比較兩組植物的生長(zhǎng)發(fā)育情況。

（2）實(shí)驗(yàn)二：取生長(zhǎng)狀況一致的大豆幼苗，栽培在盛有砂性土壤的容器中（砂性土壤肥力均勻，容器符合實(shí)驗(yàn)要求），對(duì)照組澆以蒸餾水，實(shí)驗(yàn)組澆以用蒸餾水配制的鎂鹽溶液，兩組置于相同的適宜條件下培養(yǎng)，觀察比較兩組植物的生長(zhǎng)發(fā)育情況。

【參考答案】（1）不能。因?yàn)檎麴s水和鎂鹽溶液均缺乏植物必需的礦質(zhì)元素而使兩組植物生長(zhǎng)均不正常。

（2）不能。因?yàn)閮山M容器內(nèi)的砂性土壤中都可能含有鎂離子。

【試題分析】本題以“驗(yàn)證鎂是植物生活的必需元素”為情境，要求學(xué)生依據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原則，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，主要考查學(xué)生的批判性思維和實(shí)驗(yàn)探究能力。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹膀?yàn)證鎂是植物生活的必需元素”可知，本實(shí)驗(yàn)的自變量是培養(yǎng)植物的營(yíng)養(yǎng)液是完全營(yíng)養(yǎng)液還是缺鎂的完全營(yíng)養(yǎng)液，因變量是通過(guò)觀察比較植物的生長(zhǎng)發(fā)育情況來(lái)反映鎂是植物生活的必需元素，其他對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有影響的無(wú)關(guān)變量應(yīng)保持相同且適宜。聯(lián)系必修1 教材中“查找資料，了解某一種植物生長(zhǎng)發(fā)育需要哪些無(wú)機(jī)鹽。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，證明某一種或某幾種無(wú)機(jī)鹽是這種植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的”技能訓(xùn)練，運(yùn)用溶液培養(yǎng)法，取生長(zhǎng)狀況一致的大豆幼苗，用符合實(shí)驗(yàn)要求的容器，對(duì)照組盛有含植物必需的各種礦質(zhì)元素的完全營(yíng)養(yǎng)液，實(shí)驗(yàn)組盛有不含鎂離子的完全營(yíng)養(yǎng)液，兩組置于相同且適宜的條件下培養(yǎng)，并對(duì)溶液通氣；觀察比較兩組植物的生長(zhǎng)發(fā)育情況即可驗(yàn)證鎂是植物生活的必需元素。

【策略構(gòu)建】

實(shí)驗(yàn)分析題型：

①實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：探究/驗(yàn)證自變量對(duì)因變量的影響；

②實(shí)驗(yàn)原理：自變量作用的科學(xué)原理；自變量引起因變量變化的原理；操作自變量的原理；因變量檢測(cè)原理；

③實(shí)驗(yàn)結(jié)果：看到的現(xiàn)象或能檢測(cè)到的指標(biāo)；

④實(shí)驗(yàn)結(jié)論：根據(jù)觀察到的檢測(cè)結(jié)果，說(shuō)明自變量對(duì)因變量的影響（分為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和探究性實(shí)驗(yàn)）。

實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)題型：

①對(duì)照設(shè)計(jì)是否合理：看有無(wú)對(duì)照，若有對(duì)照，則看自變量設(shè)置是否合理，是否有分組標(biāo)記，是否排除了無(wú)關(guān)變量的干擾等。

②實(shí)驗(yàn)基本原則是否遵循：對(duì)照原則、單一變量原則、科學(xué)性原則、平行重復(fù)原則、簡(jiǎn)便可行性原則。

③步驟、器材、條件是否選擇得當(dāng)：步驟是否完整，順序是否合理；材料的選擇、使用方法、用量是否合理；是否需要攪拌、加熱等，實(shí)驗(yàn)所控制的光、溫度等環(huán)境因素是否合理等。

總之，教師可以通過(guò)結(jié)構(gòu)化復(fù)習(xí)，將逐漸積累起來(lái)的實(shí)驗(yàn)基本原理、方法和基本技術(shù)加以歸納和整理，使之具有結(jié)構(gòu)層次，成為有組織、有內(nèi)在聯(lián)系的系統(tǒng)性知識(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)教材實(shí)驗(yàn)的深度掌握和靈活應(yīng)用。分類(lèi)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題的策略，可以達(dá)到對(duì)學(xué)生進(jìn)行結(jié)構(gòu)化的訓(xùn)練和指導(dǎo)，提升科學(xué)探究能力的目的。