《中國高考評價體系》下實驗探究能力的考查與啟示

廣東 羅惠峰

新高考生物學(xué)科關(guān)鍵能力為理解能力、實驗探究能力、解決問題能力和創(chuàng)新能力。其中，實驗探究能力是生物學(xué)自然科學(xué)屬性的鮮明體現(xiàn)。《中國高考評價體系》(以下簡稱《評價體系》)要求學(xué)生在對所學(xué)實驗實踐和學(xué)習(xí)后，能夠?qū)ο嚓P(guān)生物學(xué)問題進行科學(xué)探究，如分析問題、設(shè)計實驗、預(yù)測結(jié)果并得出結(jié)論或作出解釋，掌握科學(xué)探究的整個流程。2021年廣東省普通高中學(xué)業(yè)水平選擇性考試生物學(xué)試題(以下簡稱廣東卷)對實驗探究能力的考查，體現(xiàn)了《普通高中生物學(xué)課程標準(2017年版2020年修訂)》的學(xué)業(yè)質(zhì)量要求。筆者嘗試對廣東卷中“實驗探究能力”試題進行歸類例析，并提出有效的備考策略。

1.“實驗探究能力”試題特點及命題視角

廣東卷中與實驗探究相關(guān)的試題分值比例超過50%，充分凸顯以實驗為基礎(chǔ)的生物學(xué)學(xué)科特色。在考查實驗與探究能力時，既可以僅對思維進行考查，也可以對具體的實驗原理、方法或操作步驟進行考查。實驗試題的來源有教材基礎(chǔ)實驗、科學(xué)史經(jīng)典實驗、還有新情境下的實驗探究(表1)。試題注重對關(guān)鍵能力的考查，如實驗設(shè)計能力、邏輯思維能力、實驗結(jié)果預(yù)測能力以及文字表達能力等。

表1 廣東卷實驗探究試題的分類

研究試題特點，發(fā)現(xiàn)試題的命題視角主要從以下幾方面展開：明確實驗?zāi)康?，尋找實驗變量；分析實驗原理，?gòu)思實驗思路；設(shè)計實驗步驟，預(yù)測實驗結(jié)果，分析實驗結(jié)果，得出實驗結(jié)論等，它們的相互關(guān)系如圖1所示。

圖1

2.歸類例析“實驗探究能力”試題

結(jié)合試題的命題視角和設(shè)問角度，筆者將廣東卷中“實驗探究能力”試題歸類為分析問題、設(shè)計實驗、預(yù)測結(jié)果并得出結(jié)論和作出解釋四個考向，并舉例分析，為實驗探究類試題的復(fù)習(xí)備考提供參考方向。

2.1 分析問題

分析問題主要考查考生對實驗?zāi)康?、原理、方法和操作步驟的理解；相關(guān)實驗操作技能的掌握；對實驗現(xiàn)象和結(jié)果進行辨析和判斷；對實驗數(shù)據(jù)進行處理等。

【例1】(2021年，廣東卷，第13題)保衛(wèi)細胞吸水膨脹使植物氣孔張開。適宜條件下，制作紫鴨跖草葉片下表皮臨時裝片，觀察蔗糖溶液對氣孔開閉的影響，圖2為操作及觀察結(jié)果示意圖。下列敘述錯誤的是 ( )

A.比較保衛(wèi)組胞細胞液濃度，③處理后>①處理后

B.質(zhì)壁分離現(xiàn)象最可能出現(xiàn)在滴加②后的觀察視野中

C.滴加③后有較多水分子進入保衛(wèi)細胞

D.推測3種蔗糖溶液濃度高低為②>①>③

【試題分析】本題依據(jù)教材中植物細胞吸水和失水原理，以科學(xué)實驗和探究情境考查到的植物細胞質(zhì)壁分離及復(fù)原實驗，主要考查考生依據(jù)實驗觀察到的現(xiàn)象推理出保衛(wèi)細胞吸水或失水的狀態(tài)，進而推理出三種蔗糖溶液濃度的高低。本題綜合考查了考生實驗探究能力中分析問題的能力，突出體現(xiàn)了綜合性和創(chuàng)新性。

【解題思路】本題的解題關(guān)鍵是抓住題眼“保衛(wèi)細胞吸水膨脹使植物氣孔張開”，再結(jié)合教材中植物細胞吸水或失水原理進行判斷：滴加①后細胞吸水情況變化不大，滴加②后細胞發(fā)生失水，滴加③后細胞明顯吸水；進而推導(dǎo)出三種蔗糖溶液的濃度高低為②>①>③。

2.2 設(shè)計實驗

設(shè)計實驗主要考查考生運用觀察、實驗與調(diào)查、假說演繹、建立模型與系統(tǒng)分析等科學(xué)研究方法，進行設(shè)計實驗或進行驗證，寫出實驗思路和預(yù)期實驗結(jié)果；對實驗方案做出恰當?shù)脑u價。

【例2】(2021年，廣東卷，第14題)乙烯可促進香蕉果皮逐漸變黃、果肉逐漸變甜變軟的成熟過程。同學(xué)們?nèi)ハ憬斗N植合作社開展研學(xué)活動，以乙烯利溶液為處理劑，研究乙烯對香蕉的催熟過程，設(shè)計的技術(shù)路線如圖3所示。下列分析正確的是 ( )

圖3

A.對照組香蕉果實的成熟不會受到乙烯影響

B.實驗材料應(yīng)選擇已經(jīng)開始成熟的香蕉果實

C.根據(jù)實驗安排第6次取樣的時間為第10天

D.處理組3個指標的總體變化趨勢基本一致

【試題分析】本題以研究乙烯對香蕉的催熟過程為切入點，對實驗的影響因素、實驗材料的選擇、對照實驗設(shè)計、實驗關(guān)鍵細節(jié)、實驗結(jié)果進行考查，引導(dǎo)考生對實驗設(shè)計進行整體把握，突出體現(xiàn)了綜合性和應(yīng)用性。

【解題思路】本題的解題關(guān)鍵是結(jié)合所學(xué)知識判斷影響實驗的因素——內(nèi)源性乙烯，實驗材料的選擇——未成熟的香蕉，因變量的檢測——關(guān)注前測的對照作用。

【例3】(2021年，廣東卷，第19題節(jié)選)目前，E是針對上述蛋白治療高尿酸血癥或痛風(fēng)的常用臨床藥物。為研發(fā)新的藥物，研究人員對天然化合物F的降尿酸作用進行了研究。給正常實驗大鼠(有尿酸氧化酶)灌服尿酸氧化酶抑制劑，獲得了若干只高尿酸血癥大鼠，并將其隨機分成數(shù)量相等的兩組，一組設(shè)為模型組，另一組灌服F設(shè)為治療組，一段時間后檢測相關(guān)指標，結(jié)果如圖4所示。

圖4

(3)與空白對照組(灌服生理鹽水的正常實驗大鼠)相比，模型組的自變量是________。與其他兩組比較，設(shè)置模型組的目的是______________。

(4)根據(jù)尿酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白檢測結(jié)果，推測F降低治療組大鼠血清尿酸鹽含量的原因可能是______________，減少尿酸鹽重吸收。為進一步評價F的作用效果，本實驗需要增設(shè)對照組，具體為______________。

【試題分析】本題為創(chuàng)新型實驗設(shè)計，考查考生開展實驗探究的基本素養(yǎng)。重點考查了對實驗原理的分析，實驗方案設(shè)計，包括自變量的判斷、設(shè)置各實驗分組的目的、對照組的設(shè)計，實驗結(jié)果分析等能力，突出體現(xiàn)了綜合性、應(yīng)用性和創(chuàng)新性。

【解題思路】本題的解題關(guān)鍵是判斷模型組的自變量——尿酸氧化酶抑制劑，以及模型組的作用——既要比較空白對照組，又要比較治療組。對照組的設(shè)置要根據(jù)實驗?zāi)康摹斑M一步評價F的作用效果”來確定自變量，其他無關(guān)變量應(yīng)該保持相同且適宜，因此增設(shè)對照組應(yīng)是除F換為E外，其他條件與模型組一致。

2.3 預(yù)測結(jié)果并得出結(jié)論

預(yù)測結(jié)果并得出結(jié)論是指在設(shè)計實驗基礎(chǔ)上，考查考生對具體實驗現(xiàn)象的預(yù)測能力，以及通過邏輯思維概括歸納能力和文字表達能力。

【例4】(2021年，廣東卷，第15題)與野生型擬南芥WT相比，突變體t1和t2在正常光照條件下，葉綠體在葉肉細胞中的分布及位置不同(圖5a)，造成葉綠體相對受光面積的不同(圖5b)，進而引起光合速率差異，但葉綠素含量及其他性狀基本一致。在不考慮葉綠體運動的前提下，下列敘述錯誤的是 ( )

a

b

A.t2比t1具有更高的光飽和點(光合速率不再隨光強增加而增加時的光照強度)

B.t1比t2具有更低的光補償點(光合吸收CO2與呼吸釋放CO2等量時的光照強度)

C.三者光合速率的高低與葉綠素的含量無關(guān)

D.三者光合速率的差異隨光照強度的增加而變大

【試題分析】本題創(chuàng)設(shè)具有鮮明特色的光合作用影響因素的實驗探究情境，以文字、示意圖和坐標圖等形式考查考生對實驗的分析能力以及運用新證據(jù)(實驗結(jié)果)得出結(jié)論的高階思維，突出體現(xiàn)了綜合性和創(chuàng)新性。

【解題思路】本題的解題關(guān)鍵是根據(jù)題干和題圖合理推斷t1、t2的光補償點和光飽和點的大小。由于t1的葉綠體相互遮擋較少，并位于細胞的向光面，t2的葉綠體相互遮擋較多，并遠離向光面，由此推斷t2比t1具有更高的光飽和點，t1比t2具有更低的光補償點。

2.4 作出解釋

作出解釋就是對實驗現(xiàn)象和結(jié)果進行分析、解釋，在設(shè)問上層層遞進，如“依據(jù)是”“原因是”，突出考查考生的科學(xué)思維素養(yǎng)。如前述例3的第(4)問就是對實驗現(xiàn)象作出解釋。

3.教學(xué)啟示

為加強實驗探究能力的培養(yǎng)，發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，基于教學(xué)實踐筆者得出四點啟示。

3.1 立足教材基礎(chǔ)實驗 夯實必備知識

“實驗探究能力”試題的主要來源有“教材基礎(chǔ)實驗”“經(jīng)典實驗”“實驗設(shè)計與分析”三個方面。其中，教材基礎(chǔ)實驗是學(xué)生的必備知識，是實驗探究能力提升的根基。因此，在實驗專題復(fù)習(xí)時，筆者首先引導(dǎo)學(xué)生對教材的基礎(chǔ)實驗進行梳理，歸納為物質(zhì)提取鑒定類、顯微觀察類、實驗探究類和模擬調(diào)查類等四類，進而明晰各實驗?zāi)康?、原理、方法、操作步驟、操作技能以及相關(guān)的方法和技能的綜合運用。通過整合實驗、聯(lián)系對比，將零散的實驗知識點串聯(lián)起來，從而深化對基礎(chǔ)實驗的理解和運用。如顯微觀察類實驗從實驗原理、實驗材料、實驗試劑、實驗現(xiàn)象等方面進行歸納總結(jié)(表2)。

表2 顯微觀察類實驗的對比分析

3.2 感悟科學(xué)方法體系 提升關(guān)鍵能力

科學(xué)探究離不開科學(xué)方法。在進行實驗專題復(fù)習(xí)時，教師引導(dǎo)學(xué)生感悟教材中的科學(xué)方法體系，比如從“探究植物細胞的吸水和失水”實驗中明晰科學(xué)探究的一般步驟：提出問題、作出假設(shè)、明確實驗設(shè)計思路、分析結(jié)果和得出結(jié)論、表達和交流等。再由此延伸拓展到具體問題的探究上，如何根據(jù)已有的知識和經(jīng)驗對某一問題做出合理的推斷；明確實驗?zāi)康氖亲宰兞繉σ蜃兞康挠绊?；實驗原理則從發(fā)生的反應(yīng)、自變量對因變量的影響、如何檢驗因變量的變化方面闡述；實驗設(shè)計思路包括隨機分組，自變量的設(shè)置、無關(guān)變量的控制和因變量的檢測；根據(jù)實驗?zāi)康暮驮眍A(yù)測結(jié)果、得出結(jié)論，并能對其作出科學(xué)解釋。通過感悟經(jīng)典、體悟科學(xué)本質(zhì)，切實發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，提升關(guān)鍵能力，而不能機械和僵化地理解“科學(xué)探究”。

3.3 研究高考真題 引領(lǐng)規(guī)范作答

梳理近年高考真題中“實驗探究能力”試題并分類整理，以題組形式進行訓(xùn)練，并設(shè)置變式訓(xùn)練，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會靈活運用生物學(xué)術(shù)語準確描述、規(guī)范作答。例如判斷變異類型的遺傳實驗設(shè)計題的解題步驟為審題(審讀題干，獲取信息，明確實驗?zāi)康?→假設(shè)(根據(jù)題干信息，假設(shè)該性狀變異類型，寫出可能的基因型)→雜交(選取合適的雜交組合，按照假設(shè)的各種類型寫出遺傳圖解)→結(jié)論(根據(jù)不同雜交結(jié)果，確定變異類型)。同時，也要關(guān)注答題技巧：(1)根據(jù)實驗?zāi)康模诸惣僭O(shè)推理，依據(jù)假設(shè)推理出實驗結(jié)果；(2)逆向作答，若由假設(shè)推出的結(jié)果為實驗預(yù)期的結(jié)果，即假設(shè)可轉(zhuǎn)化為結(jié)論。此外，對于“結(jié)果與結(jié)論”的描述，常表述為若出現(xiàn)……現(xiàn)象(結(jié)果)，則表明……(結(jié)論)。

3.4 精選考題 微專題訓(xùn)練鞏固

為熟悉命題角度，訓(xùn)練學(xué)生的答題技能，規(guī)范答題表述，筆者深入研題，精心選題，引導(dǎo)學(xué)生進行微專題鞏固訓(xùn)練。比如在遺傳學(xué)實驗專題復(fù)習(xí)時，設(shè)計“遺傳規(guī)律的實驗驗證”“探究基因的位置實驗設(shè)計”“經(jīng)典遺傳實驗的變式”等微專題，以此訓(xùn)練學(xué)生認真審題、析題和解決實際問題的能力，切實提高學(xué)生實驗探究的能力。

實驗探究是培養(yǎng)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑，加強實驗探究能力的考查，讓考生沿著科學(xué)的探究歷程，像科學(xué)家一樣進行實驗，促進學(xué)生實驗探究能力和創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。