重温经典 总结方法 提升能力——以培养“科学探究能力”为例

河北

“实验与探究能力（科学探究）”是高考生物学科《普通高等学校招生全国统一考试大纲》“考核目标与要求”部分中四大能力要求之一，也是学科核心素养的四个维度之一。如何在教学中提升学生的科学探究能力是每位教师应思考的问题。本文尝试从实验与探究能力维度划分和突破相应维度的方法两个角度谈谈自己的一些做法。

一、实验与探究能力的组成要素

科学探究能力是一种具有复杂层次的能力，是由一系列简单能力要素构成的。教育部考试中心的杨帆老师在2019年第12期的《中国考试》发表的《基于高考评价体系的生物学科考试内容改革实施路径》一文中，对实验探究能力的界定是“在对所学实验的实践和学习后，能够对相关生物学问题进行科学探究，如分析问题、设计实验、预测结果并得出结论或作出解释，掌握科学探究的整个流程”。基于杨帆老师的论述，笔者将“实验与探究能力”划分为如下五个要素。

（一）提出问题

提出问题是科学探究的前提，具有强烈的兴趣指向。《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称《课程标准》）中学业质量标准对该要素水平四的表述是“针对日常生活的真实情境提出清晰的、有价值的、可探究的生命科学问题”。笔者认为“清晰的、有价值的、可探究的生命科学问题”是指具有可检验的、包含自变量和因变量的问题。高考对该要素的考查形式是根据题目信息选出或写出实验目的。

（二）作出假设

解决科学问题常常需要作出假设。假设以已有证据和生物学事实、概念和原理为依据，是在观察和实验的基础上运用比较、类比、归纳、演绎等思维方法对问题的一种或数种解释，是一个思维的过程。笔者认为该要素水平四的表述是“应用已有证据和概念，针对研究问题作出合理的、清晰的和利用现有的条件可检验的论述”。假设是对所提出的科学问题的一个推测性的回答，具有解释性和预测性，目前高考对该要素的考查形式是（1）基于生物学概念解释实验结果；（2）基于假设和思维方法做出实验结果预测。

（三）制订计划

在提出问题、作出假设后需要拟定研究方案，以验证先前的假设。即依据实验目的和实验原理，选用适当的实验材料和实验方法，制订一个具有可行性的实验方案。《课程标准》对该要素水平四的表述是“设计并实施恰当可行的方案”。什么是“恰当可行的方案”呢？笔者认为方案的设计就是要提高结果的可靠性，即设置对照实验，控制单一变量，增加重复次数等。高考对该要素的考查形式是（1）简要写出实验思路；（2）写出（或补充）实验步骤；（3）评价或修订实验方案。

（四）预测（记录）结果

正确的实验现象和实验结果源于真实的数据，需要利用多种方式呈现证据、数据，如采用文字、图表等方式来表述结果，因此在实施实验方案时，应该记录实验现象和实验数据，以便后续分析。《课程标准》对该要素水平四的表述是“运用多种方法如实记录实验结果”。“多种方法”的内涵是什么呢？笔者认为包括观察、测量、调查、数学方法、查阅书刊、因特网查询等方法。在目前现有的纸笔测验条件下，主要是观察、测量和数学方法。高考对该要素的考查形式是（1）在实验方案设计中选择恰当的测量方法；（2）运用观察的方法定性描述或运用统计学方法定量处理数据。

（五）得出结论

在科学探究过程中，在获得实验结果的基础上将实验结果与自己原有的生物学概念建立联系，运用比较、分析、综合、归纳、演绎等思维方法寻找因果解释，形成超越学生原有认知和当前观察结果的“新知识”，即创造知识的过程。得出结论可以有效地解答“提出的问题”并验证“猜想与假设”的质量。《课程标准》对该要素水平四的表述是“创造性地运用数学方法分析实验结果……运用科学术语精确阐明实验结果”。高考对该要素的考查形式是（1）对实验数据进行分析处理；（2）根据实验现象和数据得出结论。

学生非常易混淆实验结果与实验结论。实验结果是在实验结束时，对观察到的现象或收集到的数据客观的描述；实验结论是基于实验结果，解决研究之初提出的问题和检验作出的假说。但是，不论是探究性实验还是验证性实验，实验结果与实验结论都是一一对应的。

二、经典试题分析

【例1】（2010年，全国卷Ⅰ，第31题）从某植物长势一致的黄化苗上切取等长幼茎段（无叶和侧芽），自茎段顶端向下对称纵切至约3/4处。将切开的茎段浸没在蒸馏水中。一段时间后，观察到半边茎向外弯曲生长，如图1所示。若上述黄化苗茎段中的生长素浓度是促进生长的，放入水中后半边茎内、外两侧细胞中生长素浓度都不会升高。请仅根据生长素的作用特点分析半边茎向外弯曲生长这一现象，推测出现该现象的两种可能原因。

原因1是__________________；原因2是_______________________。

图1

【试题分析】本题呈现的是学习探索情境，且属于简单的情境活动，体现了学业质量水平“科学探究”维度的二级水平“针对生物学相关问题，能运用科学思维方法提出假说解释生物学现象”。

解决本题学生需要获得的信息有①根据题目信息“根据生长素的作用特点分析半边茎向外弯曲生长这一现象”可知：内侧细胞比外侧细胞伸长的多；解释该现象的概念是生长素发挥的作用，因浓度、植物细胞的成熟情况不同而有较大的差异。②与实验现象有关自变量是内外两侧细胞的种类和生长素浓度。③黄化苗茎段中的生长素浓度是促进生长。

基于上述分析，学生可以利用演绎思维方法和单一变量的原则进行如下推理：当内外两侧细胞对生长素的敏感度相同时，由于黄化苗茎段中的生长素浓度是促进生长，因此内侧细胞中的生长素浓度比外侧高时，内侧细胞伸长生长较快。当内外两侧细胞中的生长素浓度相同，由于黄化苗茎段中的生长素浓度是促进生长，因此内外侧细胞对生长素敏感性不同（基于现有数据无法确定哪侧细胞更敏感），该浓度的生长素更有利于内侧细胞的生长。

【参考答案】原因1：内侧细胞中的生长素浓度比外侧高，所以内侧细胞生长较快

原因2：内外两侧细胞中的生长素浓度相同，但该浓度更有利于内侧细胞的生长（其他合理答案也给分）

【例2】（2017年，全国卷Ⅰ，第32题节选）某种羊的性别决定为XY型。已知其有角和无角由位于常染色体上的等位基因（N/n）控制；黑毛和白毛由等位基因（M/m）控制，且黑毛对白毛为显性。回答下列问题：

（2）某同学为了确定M/m是位于X染色体上，还是位于常染色体上，让多对纯合黑毛母羊与纯合白毛公羊交配，子二代中黑毛∶白毛=3∶1，我们认为根据这一实验数据，不能确定M/m是位于X染色体上，还是位于常染色体上，还需要补充数据，如统计子二代中白毛个体的性别比例，若_______，则说明M/m是位于X染色体上；若______，则说明M/m是位于常染色体上。

【试题分析】本题呈现的是学习探索情境，且属于复杂的情境活动，体现了学业质量水平“科学探究”维度的三级水平“针对生物学相关问题，运用科学术语报告实验结果”。

学生可以将实验结论“M/m是位于X染色体上”或“M/m是位于常染色体上”看成假设，根据基因的分离定律和演绎思维方法可以得出对应的预期结果。分析过程如下：

由题干信息“黑毛和白毛由等位基因（M/m）控制，且黑毛对白毛为显性”“多对纯合黑毛母羊与纯合白毛公羊交配”和遗传规律可以得出：①若M/m只位于X染色体上，则亲本基因型为XMXM和XmY，子一代雌雄均为黑毛（XMXm、XMY），子二代为XMXM、XMXm、XMY、XmY，其中白毛均为雄性；②若M/m位于常染色体上，则亲本基因型为MM和mm，子一代均为黑毛（Mm），子二代中黑毛和白毛的雌雄比例均为1∶1。

小结：假说的功能发挥是基于对生物学概念、规律的理解和对思维方法（主要是演绎思维，可参阅笔者发表在《教学考试》2019年第3期的《从逻辑学的视角看高考试题的命制》一文）的运用，对所看到的实验现象进行分析的过程。实验结论是基于实验结果的分析和思维方法（主要是归纳思维）的运用，对实验结果进行的创造性总结归纳的过程。基于上述分析，我们会发现：假说的解释功能和实验结果论的得出均是以实验结果（即证据）为基础以思维为方法得出的。在教学过程中，教师可以有计划地训练学生掌握科学思维的基本方法。

【参考答案】（2）白毛个体全为雄性 白毛个体中雄性∶雌性=1∶1

【例3】（2019年，全国卷Ⅰ，第29题节选）将生长在水分正常土壤中的某植物通过减少浇水进行干旱处理，该植物根细胞中溶质浓度增大，叶片中的脱落酸（ABA）含量增高，叶片气孔开度减小。回答下列问题。

（3）有研究表明：干旱条件下气孔开度减小不是由缺水直接引起的，而是由ABA引起的。请以该种植物的ABA缺失突变体（不能合成ABA）植株为材料，设计实验来验证这一结论。要求简要写出实验思路和预期结果。

【试题分析】本题呈现的是学习探索情境，且属于简单的情境活动，体现了学业质量水平“科学探究”维度的二级水平“制订简单的实验方案……得出合理的结论”。

题目提出了验证性实验设计目标“干旱条件下气孔开度减小不是由缺水直接引起的，而是由ABA引起的”。由实验目的，学生应该分析出该实验涉及两个自变量：是否缺水；是否有ABA。因此本题转化为验证两个分目标：“干旱条件下气孔开度减小不是由缺水直接引起的”“干旱条件下气孔开度减小是由ABA引起的”。

题目以文字信息的方式呈现了如下限定条件：①实验材料是该种植物的ABA缺失突变体（部分学生审题不仔细，思维定式地选择正常植物为材料）；②因变量是“气孔开度”（部分学生以光合作用强度、植物的生长为因变量）；③基于实验结论（假设）预测实验结果（部分学生将实验结果写成实验结论）。

【参考答案】取ABA缺失突变体植株在正常条件下测定气孔开度，经干旱处理后，再测定气孔开度。预期结果是干旱处理前后气孔开度不变；将上述干旱处理的ABA缺失突变体植株分成两组，在干旱条件下，一组进行ABA处理，另一组作为对照组，一段时间后，分别测定两组的气孔开度。预期结果是ABA处理组气孔开度减小，对照组气孔开度不变。

【例4】（2017年，全国卷Ⅰ，第29题）根据遗传物质的化学组成，可将病毒分为RNA病毒和DNA病毒两种类型。有些病毒对人类健康会造成很大危害。通常，一种新病毒出现后需要确定该病毒的类型。

假设在宿主细胞内不发生碱基之间的相互转换。请利用放射性同位素标记的方法，以体外培养的宿主细胞等为材料，设计实验以确定一种新病毒的类型。简要写出（1）出实验思路，（2）预期实验结果及结论即可。（要求：实验包含可相互印证的甲、乙两个组）。

【试题分析】本学习材料呈现的是学习探索情境，且属于复杂的情境活动，要求学生综合运用知识和能力应对复杂问题的水平，体现了学业质量水平“科学探究”维度的三级水平“基于给定的条件，设计……探究实验方案……运用科学术语报告实验结果”。

题目提出了探究性实验设计目标“确定一种新病毒的类型”，同时以文字信息的方式呈现了设计思路和基本条件：①病毒分为RNA病毒和DNA病毒两类；②假设宿主细胞内不发生碱基之间的相互转换；③以体外培养的宿主细胞等为材料；④利用放射性同位素标记的方法。因此学生解决本题的程序是放射性同位素标记的宿主细胞，未标记的病毒分别侵染放射性同位素标记的宿主细胞，检测子代病毒的放射性情况。本题的具体分析过程，可参阅笔者发表在《教学考试》2019年第3期的《从逻辑学的视角看高考试题的命制》一文。

例4与例3的差异点是实验类型。对于验证性实验（如例3），预期结果与实验结论均是唯一的；对于探究性实验（如例4），根据假设的种类往往可以得出多个预期结果与实验结论，但预期结果与实验结论具有一一对应关系。

小结：无论是简要写出实验思路或实验步骤，还是评价或修订实验方案，其核心均是以学生掌握生命科学实验设计要素为前提，如根据题目信息明确实验设计的类型（是验证性实验还是探究性实验），基于实验假设选择实验材料、确定实验变量（自变量的可操作性、无关变量的可控性和因变量的可测量性）以及预测实验结果和得出实验结论。

对于实验思路类型，学生需要写明：①不同组之间如何操作自变量，②如何具体测量因变量，③“相同且适宜”控制无关变量；对于实验步骤类型，学生在自变量的表述时则需要具体可操作，如实验的选择与预处理。

【参考答案】（1）思路

甲组：将宿主细胞培养在含有放射性标记尿嘧啶的培养基中，之后接种新病毒。培养一段时间后收集病毒并检测其放射性。

乙组：将宿主细胞培养在含有放射性标记胸腺嘧啶的培养基中，之后接种新病毒。培养一段时间后收集病毒并检测其放射性。

（2）结果及结论

若甲组收集的病毒有放射性，乙组无，即为RNA病毒；反之为DNA病毒。

【例5】（2009年，四川卷，第30题节选）（4）研究还发现，当土壤干旱时，根细胞会迅速合成某种化学物质X。有人推测根部合成的X运输到叶片，能调节气孔的开闭。他们做了如下实验：从同一植株上剪取大小和生理状态一致的3片叶，分别将叶柄下部浸在不同浓度X的培养液中。一段时间后，测得的有关数据如表所示。（注：气孔导度越大，气孔开启程度越大）

①以上方案有不完善的地方，请指出来并加以修正。_________________________________。

【试题解析】本学习材料呈现的是学习探索情境，且属于简单的情境活动，要求学生综合运用知识和能力应对复杂问题的水平，体现了学业质量水平“科学探究”维度的二级水平“规范撰写实验报告，与他人交流所得结果和存在的问题。”

为了提高实验结果的可靠性，设计实验方案时应关注如下三个重要途径：设置对照实验，控制单一变量，增加重复次数，这也是解决这类试题的思考路径。

“设置对照实验”角度的分析是指基于实验目的思考“是否存在对照实验”和“对照设计是否合理”。本题的实验目的是“不同浓度的X对叶片中的气孔导度的影响”，除了应考虑组间对照（浓度梯度的设置）之外，还应考虑空白对照。本题没有设置空白对照实验。

“控制单一变量”角度的分析是当某个探究性问题与多个因素（自变量、无关变量）有关时，通常采用不同组之间仅存在唯一的自变量，且无关变量应该“相同且适宜”。本题不同实验组之间的自变量是X的浓度，符合“控制单一变量”。

在实验设计时“增加重复次数”，能够降低实验误差，而且随着重复实验次数增加，实验误差越低、精确度越高。在现行的纸笔测试中，主要通过增加每组实验材料的数量，通过求平均值的方式来提高实验结果的可靠性。本题由于每组实验材料仅有一片叶子，缺乏代表性，进而影响实验结果的可靠性。

除了上述主要因素外，学生还可从实验材料的选择（如2019年全国卷Ⅰ第2题）、实验试剂的选择（如2002年全国卷第21题）和实验步骤的顺序和完整性（如2016年全国卷Ⅰ第3题）等角度思考，在此笔者不再赘述。

【参考答案】（4）①a.样本量太小。应“取叶片若干，等分为三组”。 b.缺乏空白对照。增加1组，将叶片的叶柄下部浸在不含X的培养液中。

【例6】（2014年，北京卷，第29题节选）为研究赤霉素（GA3）和生长素（IAA）对植物生长的影响，切取菟丝子茎顶端2.5 cm长的部分（茎芽），置于培养液中无菌培养（如图2）。实验分为A、B、C三组，分别培养至第1、8、15天，每组再用适宜浓度的激素处理30天，测量茎芽长度，结果如图3。

图2

图3

（5）从图3中B组（或C组）的数据可知，两种激素联合处理对茎芽伸长生长的促进作用是GA3单独处理的____倍、IAA单独处理的____倍，由此可以推测GA3和IAA在对茎芽伸长生长的作用上存在_____的关系。

【试题分析】本学习材料呈现的是学习探索情境，且属于复杂的情境活动，体现了学业质量水平“科学探究”维度的二级水平“分析各项数据，得出合理的结论”。

本题以柱状图的形式呈现实验数据，由于研究人员探索的是赤霉素（GA3）和生长素（IAA）对植物生长的影响，即两种激素之间在“植物生长”角度的激素关系。命题者通过前两空的数据处理搭建台阶，从而归纳出最终的实验结论。笔者认为如果本题的前两个设问不存在，直接设问“GA3和IAA在对茎芽伸长生长的作用上存在______的关系”，则可以达到学业质量水平“科学探究”维度的三级水平“运用多种方法如实记录和分析实验结果”。

【参考答案】（5）3.6（3） 18（60） 协作

三、小结

实验探究能力是生物学自然科学属性的鲜明体现。在现行纸笔考试的测评方式下，近几年高考试题生物部分关于“科学探究能力”的考查形式主要是“简要写出实验思路、预期结果和结论”。这种形式综合考查学生对生物学实验方案的总体制订能力，是对学生实验探究能力的测量，对中学实验教学具有积极的导向作用。笔者建议在高考复习的专题阶段，可以重温经典高考试题，或设计新的探究情境，展示科学探究的整个流程，引导学生总结科学探究的各要素的思想方法，提升能力，为未来新高考做好准备。