高中生物實驗設(shè)計命題特征及備考建議

廣東 劉建峰

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）要求教學(xué)要注重學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，命題評價考核時要以能力立意為目標(biāo)?！?020 年北京學(xué)業(yè)水平等級性考試說明生物學(xué)科征求意見稿》（以下簡稱《考試說明》）對考查能力描述為理解、應(yīng)用、思辨、創(chuàng)新。其中實驗設(shè)計題在能力考查上側(cè)重應(yīng)用、思辨和創(chuàng)新。應(yīng)用能力包括推理（在給定情境中，運用生物學(xué)知識得出結(jié)果或給出答案）和歸因（依據(jù)生物學(xué)知識解釋導(dǎo)致生物學(xué)現(xiàn)象或?qū)嶒灲Y(jié)果的原因）；思辨能力包括論證（在給定情境中，綜合運用生物學(xué)知識或通過對信息進行分析與綜合，得出結(jié)果或結(jié)論，闡明思維過程）和評價（依據(jù)生物學(xué)知識闡釋研究方案的合理性，論述研究結(jié)果與結(jié)論之間的一致性）；創(chuàng)新能力包括假設(shè)（在對生物學(xué)現(xiàn)象或已有研究結(jié)果進行分析與綜合的基礎(chǔ)上，結(jié)合所學(xué)科學(xué)知識，提出科學(xué)問題或做出科學(xué)假設(shè)）和設(shè)計（提出或完善用于回答科學(xué)問題或檢驗科學(xué)假設(shè)的研究方案、實驗思路，預(yù)期研究結(jié)果或提出解決實際問題的合理設(shè)想）。

對比《課程標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于科學(xué)探究的測量依據(jù)（表1），結(jié)合北京市各區(qū)近年的模擬試題中實驗設(shè)計題的特征，不難發(fā)現(xiàn)《考試說明》中關(guān)于實驗設(shè)計方面的能力要求更加具體，而《課程標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于學(xué)科核心素養(yǎng)具體表現(xiàn)、答題要求、水平劃分則更為明確、詳細(xì)。

表1 學(xué)科核心素養(yǎng)表現(xiàn)、答題要求及水平劃分依據(jù)

為了深入探究高考實驗設(shè)計題命題特征，在明確《考試說明》和《課程標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)要求的基礎(chǔ)上，教師可以進一步對近年高考實驗設(shè)計題（以全國卷為例）進行分析。

一、2017—2021 年高考（全國卷實驗設(shè)計題歸類比較

續(xù)表

綜合分析2017—2021 年全國卷關(guān)于實驗設(shè)計的考查（表2），實驗?zāi)芰疾榉较虼篌w可以分為①分析實驗原理（變量、原則）；②設(shè)計實驗步驟；③預(yù)期實驗結(jié)果；④解釋實驗現(xiàn)象；⑤設(shè)計記錄表格（曲線等）；⑥評價實驗方案。結(jié)合上述內(nèi)容分析高考試題中的考查方向多集中在②③④。知識模塊考查主要集中在遺傳學(xué)、植物生理學(xué)等方面（動物生理學(xué)也有涉及）。在情境設(shè)計上則較側(cè)重學(xué)習(xí)探究類情境的創(chuàng)設(shè)。

表2 2017—2021年全國卷實驗設(shè)計題簡析歸類

二、實驗設(shè)計題命題特征

（一）教材知識點是實驗設(shè)計題取材的基礎(chǔ)

獲得關(guān)于生命活動基本規(guī)律的基礎(chǔ)知識，初步學(xué)會生物科學(xué)探究的一般方法是大綱中提出的課程目標(biāo)，近年生物學(xué)高考實驗設(shè)計題在取材上較好地體現(xiàn)了這一點。

【例1】（2019 年，全國卷Ⅰ，第29 題）將生長在水分正常土壤中的某植物通過減少澆水進行干旱處理，該植物根細(xì)胞中溶質(zhì)濃度增大，葉片中的脫落酸（ABA）含量增高，葉片氣孔開度減小?；卮鹣铝袉栴}。

（1）經(jīng)干旱處理后，該植物根細(xì)胞的吸水能力__________。

（2）與干旱處理前相比，干旱處理后該植物的光合速率會___________，出現(xiàn)這種變化的主要原因是_______________________________。

（3）有研究表明：干旱條件下氣孔開度減小不是由缺水直接引起的，而是由ABA 引起的。請以該種植物的ABA 缺失突變體（不能合成ABA）植株為材料，設(shè)計實驗來驗證這一結(jié)論。要求簡要寫出實驗思路和預(yù)期結(jié)果。

【參考答案】（1）增強 （2）降低 氣孔開度減小使供應(yīng)給光合作用所需的CO2減少 （3）取ABA 缺失突變體植株在正常條件下測定氣孔開度，經(jīng)干旱處理后，再測定氣孔開度。預(yù)期結(jié)果是干旱處理前后氣孔開度不變；將上述干旱處理的ABA 缺失突變體植株分成兩組，在干旱條件下，一組進行ABA 處理，另一組作為對照組，一段時間后，分別測定兩組的氣孔開度。預(yù)期結(jié)果是ABA 處理組氣孔開度減小，對照組氣孔開度不變。

【解析】該題內(nèi)容涉及植物與環(huán)境間的水分交換、光合作用、植物激素調(diào)節(jié)的相關(guān)知識，以干旱、氣孔開度、脫落酸三者之間的關(guān)系構(gòu)建問題情境?？疾槟繕?biāo)：①對植物水分生理功能、光合作用、脫落酸的調(diào)節(jié)作用等相關(guān)知識的掌握情況；②獲取信息的能力和綜合運用能力；③在已知實驗?zāi)康暮蛯嶒灄l件情況下的實驗設(shè)計能力；④通過對實驗思路和預(yù)期結(jié)果的陳述，考查科學(xué)語言的運用和文字表達的邏輯性、準(zhǔn)確性和簡潔性。學(xué)科核心素養(yǎng)側(cè)重于考查①科學(xué)思維——歸納與演繹：寫出實驗思路和預(yù)期結(jié)果；批判性思維：干旱條件下氣孔開度減小不是由缺水直接引起的，而是由ABA 引起的；②科學(xué)探究——探究：設(shè)計實驗或制訂方案；創(chuàng)新：干旱條件下氣孔開度減小是由ABA 引起的。

在水平劃分上，（1）和（2）屬于三級水平，而（3）要求學(xué)生能針對真實情境提出解決問題的新方案，屬四級水平。

（二）考查學(xué)生對課本實驗掌握的程度及學(xué)生的實驗設(shè)計能力

【例2】現(xiàn)有一種由人工膜制成的袋，為檢測淀粉和碘能否透過該膜，現(xiàn)提供試劑和用品如下：鐵架臺、燒杯和人工膜袋各一個，1%的淀粉溶液、稀碘溶液和細(xì)棉線。

（1）請用上述試劑和用品，設(shè)計一個實驗裝置，探究淀粉溶液中的淀粉和碘溶液中的碘能否通過該膜。請用示意圖表示（加圖注）。

（2）實驗結(jié)果預(yù)測及分析：

①______________________________________________________________________________________

②______________________________________________________________________________________

③______________________________________________________________________________________

④______________________________________________________________________________________

【參考答案】（1）如圖1 所示

圖1

（2）實驗結(jié)果預(yù)測及分析：一段時間后，

①袋內(nèi)、外液體均不變藍，表明淀粉和碘均不能通過；

②袋內(nèi)、外液體均變藍，表明淀粉和碘均能通過；

③袋內(nèi)液體變藍，袋外液體不變藍，表明碘能通過，淀粉不能通過；

④袋外液體變藍，袋內(nèi)液體不變藍，表明碘不能通過，淀粉能通過。

（注：結(jié)果預(yù)測應(yīng)與實驗設(shè)計一致）

【解析】該題的知識和技能背景是教材中關(guān)于生物膜的選擇透過性和滲透作用原理的演示實驗。題目中給出的“人工膜”信息，其性質(zhì)是“未知的”，要求學(xué)生依據(jù)既定實驗?zāi)康摹皺z測淀粉和碘能否透過該膜”，使用題目提供的試劑和用品，結(jié)合演示實驗進行實驗裝置設(shè)計和結(jié)果預(yù)測分析。

在水平劃分上，（1）和（2）均達到四級水平，總體難度大于例1。

三、實驗設(shè)計題命題思維

實驗設(shè)計題的命題思路，以科學(xué)思維為經(jīng)，科學(xué)探究為緯，側(cè)重考查學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，考查學(xué)生分析、解決真實情境下的生產(chǎn)、生活問題的能力。由于科學(xué)研究方法大多可以還原到歸納法和演繹法，而中學(xué)階段實驗研究基本涵蓋了科學(xué)研究的大多數(shù)內(nèi)容，所以科學(xué)探究能力的考查多以實驗設(shè)計形式呈現(xiàn)。

高中生物學(xué)實驗無論是探究性實驗還是驗證性實驗，關(guān)于實驗設(shè)計（科學(xué)探究）的步驟和需要解決的問題都可以歸納如表3。

表3 科學(xué)探究的一般步驟和需要解決的問題

結(jié)合《課程標(biāo)準(zhǔn)》和《考試說明》中的考核要求，科學(xué)探究可描述為踐行不畏困難、堅持不懈的探索精神（社會責(zé)任、人生觀）；針對給定信息（情境）提出清晰的、有價值的、可探究的生物科學(xué)問題；設(shè)計恰當(dāng)可行的研究方案；采用合適的工具開展探究，如實記錄并分析實驗結(jié)果，運用科學(xué)術(shù)語闡明實驗結(jié)論，對研究工作做出正確評價。

實驗設(shè)計題命題思維方向可歸納為以下幾點：①提出可探究的生物科學(xué)問題；②提出實驗思路；③設(shè)計實驗步驟（部分）；④分析結(jié)果，闡明結(jié)論；⑤合理評價。

出于對試題難度和問題梯度設(shè)計的考慮，可以出現(xiàn)實驗?zāi)康?、科學(xué)原則的判斷（一級水平），實驗材料選擇、變量分析（二級水平），實驗組結(jié)果比較分析（三級水平）等問題。

四、實驗設(shè)計題備考建議

（一）充分挖掘教材中的實驗資源

《課程標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于實驗設(shè)計題在學(xué)科核心素養(yǎng)具體表現(xiàn)、答題要求、水平劃分方面，從給定方案、選擇方案到設(shè)計方案，從實驗課題的提出、實驗試劑材料的選擇、實驗結(jié)果的分析到設(shè)計解決真實問題的方案，在教材實驗中都有大量的可參考案例供分析使用。充分挖掘教材中的實驗資源，符合實驗設(shè)計題的基本命題原則和方向。

（二）選擇較為開放的實驗情境試題進行評價，提升學(xué)生解決實驗問題能力

廣東省往年自主命題與其他地區(qū)明顯不同的特征就是靈活性和開放度較高，這也與廣東省本身的地域經(jīng)濟文化特征有關(guān)。保留和突出這一特征，符合實驗設(shè)計題命題的趨勢和要求，符合《課程標(biāo)準(zhǔn)》和《中國高考評價體系》關(guān)于培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)、教學(xué)評價體現(xiàn)育人價值的要求。

（三）實驗情境設(shè)計要在已有知識情境基礎(chǔ)上加以拓展、創(chuàng)新和綜合

情境選擇上可考慮以生物科技論文為背景的素材或大學(xué)教材中的恰當(dāng)素材來命制實驗探究試題。生物科技論文可以反映現(xiàn)代生物科技的發(fā)展和進步。這樣的試題情境既能體現(xiàn)對學(xué)科核心素養(yǎng)的考查，又能保證試題的時效性、科學(xué)性和權(quán)威性。

（四）通過設(shè)置實驗設(shè)計思路等問題形式全面考查學(xué)生的科學(xué)探究能力、邏輯思維能力、文字規(guī)范表達能力

在典型的實驗與探究試題中，往往對基礎(chǔ)實驗?zāi)芰?、探究或驗證實驗?zāi)芰?、實驗評價能力進行綜合考查。這樣既能確保試題在問題設(shè)計上具有良好的難度梯度，又能體現(xiàn)能力立意和學(xué)科核心素養(yǎng)，增加試題的飽滿度和生命力。