高考生物學探究實驗試題的題型分析*

王月玲 武佳佳 郭靜宇 王冠懿

（1 山西省教育科學研究院 山西太原 030009 2 山西省忻州市第一中學 山西忻州 034000 3 中南大學信息科學與工程學院 湖南長沙 410000 4 中南大學數(shù)學與統(tǒng)計學院 湖南長沙 410000）

《中國學生發(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力。 生物學學科核心素養(yǎng)包括生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任4 個方面［1］，其中科學探究既是學習科學的目的， 又是學習科學的方式。 探究是科學研究的基本方法，將科學探究作為生物學學科的核心素養(yǎng)，彰顯了生物學作為自然科學的屬性。

1 科學探究的屬性

科學研究是以實驗為載體得出理性結(jié)論的過程，經(jīng)歷從實證到理論再到實踐的階段。科學探究是科學研究的基本方法。

早在1994 年， 國際科學界就倡議和推動在中、小學開展探究式的科學教育活動。 2005 年，韋鈺院士《探究式科學教育教學指導》的出版，讓探究式教學在中國真正落地生根。 隨著教育部幾期探究式教學研討班的組織， 探究式教學受到了教育界越來越多的重視。 實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］。

探究活動是培養(yǎng)科學探究很好的途徑和載體， 實施探究活動要讓學生親歷和體驗科學探究的歷程， 所以探究活動在一定程度上是現(xiàn)實科學研究的濃縮和再現(xiàn)。 科學探究能力包含的內(nèi)容非常廣，通常認為包括提出問題、做出假設、制訂計劃、實施實驗方案、收集證據(jù)、得出結(jié)論、表達和交流等方面［3］。 探究實驗試題可就探究過程的某一方面進行考查，但在教學實踐中，探究活動應該是一個完整連續(xù)的過程。 雖然探究活動不一定必須進行實驗， 但通過實驗培養(yǎng)學生的探究能力是一個很好的途徑。

通過探究活動， 學生可學習科學探究的基本步驟，掌握核心的科學概念和原理，從中培養(yǎng)學生的科學思維及實事求是、尊重他人、小組合作的科學精神和態(tài)度。

2 當前學生探究能力測評的手段

在我國教學大綱時代的教材中， 對學生設計實驗的要求很少， 這一現(xiàn)實使得實驗試題的選材和題量都受到了很大的影響， 因此，1999 年以前的生物學高考試卷中幾乎沒有要求設計實驗方案的題目。 2002 年的《生物學科考試說明》雖提到了實驗能力的要求，但仍比較模糊。 2003 年的考試大綱在原來的基礎上，就實驗原理、實驗方法、實驗步驟等方面進行了細化，同時首次將“探索性實驗”寫入考試說明［4］。

雖然“培養(yǎng)學生的科學探索能力”意義重大，但從命題技術角度看， 考查探究實驗能力的最好形式還是像科學探究活動那樣， 按探究活動的幾個步驟展開。 但由于我國中學教學及高考試卷的實際情況，以及高考閱卷時間、經(jīng)費的限制，探究性實驗試題的數(shù)量和分值受到很大限制。 即使在提出“科學探索能力”的當年，實驗試題更多的仍是考查驗證性實驗，而非探究性實驗。在考查內(nèi)容上，也更多考查實驗操作的完善、實驗結(jié)果的分析和對實驗結(jié)果的解釋， 而考查實驗思路設計的題目并不多（圖1）。 從2007 年高考新課程全國卷開始，用考查實驗思路代替考查實驗步驟。思路重視思維， 凸顯核心能力， 減少步驟中一些細節(jié)的考查，使得生物學能力的測量更科學、更直接。

圖1 確定探究課題、完善實驗步驟、設計實驗思路、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，基本上都是學生熟悉的知識點。雖然探究的本質(zhì)是個體對未知的探索研究過程，但高考作為一種選拔性考試，如果試題命制為完全開放性試題，在評分標準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，試題素材的完全開放并不符合現(xiàn)階段我國高考的實際。

2.1 對實驗過程的考查 廣義的實驗題目包括考查學生的實驗操作、實驗設計、判斷實驗結(jié)果或?qū)嶒灛F(xiàn)象、根據(jù)實驗現(xiàn)象推導實驗結(jié)論、分析和解釋實驗現(xiàn)象及實驗結(jié)果等能力。 從考查探究能力的角度看，實驗設計中對自變量的識別和控制、對因變量的轉(zhuǎn)化和檢測是探究能力測評的關鍵，而完善實驗操作、分析或評價實驗結(jié)果的題目，更傾向于以實驗為問題背景對生物學的基本概念和原理的考查，嚴格意義上說，屬于科學思維方面的考查。 例如2009 年“為驗證pH 對唾液淀粉酶活性的影響”的實驗。 此外，實驗本身來源于教材，學生比較熟悉，在作答過程中，學習經(jīng)驗可能起到較大的作用。

在科學研究中，研究起點的確立非常重要，就像現(xiàn)代科學研究中常用的“假說-演繹法”一樣，提出假說本身就是一種創(chuàng)新，沒有假說，再強的演繹也沒有基礎。在探索未知世界的茫茫黑夜中，第1 個發(fā)現(xiàn)者或發(fā)明人開啟了希望的大門， 為后來者找到了通往成功的路徑， 其地位和作用無可替代。從這個角度上說，由學生自主設計實驗的題目更能考查學生的實驗探究能力和創(chuàng)新能力。

2.2 對實驗設計的考查 實驗設計的目的是“在最大程度控制無關變量的基礎上研究自變量和因變量的關系”［5］，可見變量設計的重要性。 根據(jù)自變量的數(shù)量， 可簡單分為單一自變量實驗設計和多自變量實驗設計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別和是否需要轉(zhuǎn)化，可分為直接呈現(xiàn)的自變量和相對隱蔽的自變量2 種類型，例如2017 年全國卷Ⅰ第29 題要求“設計實驗確定一種病毒的類型”就屬于相對隱蔽自變量的題目。

在科學研究中， 探究課題的目的往往是明確的，因變量的轉(zhuǎn)化相對于自變量也相對容易，所以自變量相對隱蔽， 這樣的探究更接近于真實的探究過程。 “有待于新的研究思路和研究方法”說得更多的是自變量的創(chuàng)新性設計， 進而可對因變量作出檢測，最后能根據(jù)結(jié)果得出結(jié)論。

如果學生在設計實驗時不拘泥于固定的套路，而是基于基本的生物學知識和創(chuàng)新性的思路， 這樣的實驗探究才是真正的探究。這一目標的達成，一方面對人才的選拔有積極的意義， 另一方面對應試刷題和機械訓練也有一定的抑制作用。

2.2.1 單一自變量的實驗設計 單一自變量實驗設計考查“一個自變量與一個因變量之間關系”。根據(jù)組別可分為2 種類型：單組前、后測實驗與2 組前、后測實驗，2 類實驗異同見表1 所示。

表1 單一自變量設計2 類實驗異同對比

高考試題中很少考查單組前、后測實驗設計，例如2008 年全國Ⅰ卷“驗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。沒有專門設計對照組，實驗設計形成了前后對照。 大部分試題的實驗設計還是以2 組的前、后測實驗設計為主。這一類題目的自變量直接呈現(xiàn)， 學生很容易根據(jù)平時訓練的實驗組、對照組的設計思路進行機械套用，對實驗探究能力的考查意義不很明顯。 這一類型的題目雖然有時也是一個自變量，但自變量是可變化的。例如2008 年全國新課標卷“探究玉米粒提取液促進淀粉分解的最適溫度”， 雖然自變量僅溫度一個，但溫度是可變化的。

2.2.2 多變量實驗設計 隨著新課程的實施，學生的實驗設計能力也在提升， 實驗設計題目也發(fā)生著變化， 由單一自變量實驗設計過渡到考查2個自變量對因變量影響的實驗。

第1 類的實驗設計試題可概括為“自變量A 和自變量B 對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“探究胰島素和生長激素對大鼠生長的影響”。 自變量由原來的1 個變成2 個，且這2 個自變量之間相對獨立。 對于該類實驗題型，學生在原來對照組和實驗組設計的思路上再加入一組混合組即可。

第2 類實驗設計自變量往往有2 個， 其中一個自變量通常通過另外一個自變量對因變量起作用，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)定的機制”的實驗。實驗設計為3 組，一組為蒸餾水作空白對照，一組為生物材料，一組為緩沖液，通過前2 組的對照，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)定可能的機制。 這類實驗中，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系。 與變量之間的相關性研究相比， 這類研究更多的是發(fā)現(xiàn)性的，而非驗證性的。

第3 類實驗設計是相互驗證性的， 自變量也有2 個， 但這2 個自變量中只有一個自變量對因變量起作用， 且需要根據(jù)實驗結(jié)果確定究竟是哪一個自變量在起作用。 模型為“自變量A（或自變量B）→因變量”。 例如2009 年全國新課標卷“確定植物光合作用產(chǎn)生的O2來自H2O 還是CO2”；2017 年“確定病毒的遺傳物質(zhì)類型”，要求包含可相互印證的甲、乙2 組實驗。這2 道實驗設計題目類型相同， 都要求學生采用同位素標記的方法設計實驗， 教材中也都有相關的知識基礎和實驗設計的提示，但學生的作答情況卻差異很大。原因可能是實驗設計開始時自變量的呈現(xiàn)是直接呈現(xiàn)還是相對隱蔽， 這對學生整個實驗設計的思路推進造成了較大困擾。

3 討論

無論從知識還是能力的角度， 生物學探究實驗的設計都是屬于高層次的要求級別［6］。 自生物學科恢復高考以來， 探究實驗類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 年全國卷Ⅰ第29 題是最近幾年考查探究實驗能力較好的一道試題。 相對于補充實驗關鍵步驟繼續(xù)完成實驗、 分析實驗結(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)相對隱蔽， 學生很難機械套用實驗組和對照組的“模板”，在實驗設計環(huán)節(jié)，要求考生從起點開始，沒有相應的步驟提示，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胞的過程和實驗組、對照組的設計，另一方面要求掌握同位素標記法的使用方法。 對具體科學方法的考查，很好地體現(xiàn)了《2018 年普通高等學校招生全國統(tǒng)一考試大綱（生物）》中“能獨立完成‘生物學知識內(nèi)容表’所列的生物學實驗，包括理解實驗目的、原理、方法和操作步驟，掌握相關的操作技能，并能將這些實驗涉及的方法和技能等進行運用”的考核目標要求，對中學教學具有良好的導向作用。