初中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)探究題命題的設(shè)問技術(shù)

謝亮

試題的三要素包括考查目標(biāo)、刺激情景和設(shè)問3個(gè)維度。設(shè)問的質(zhì)量直接決定了“考試和評(píng)價(jià)”能否發(fā)揮導(dǎo)向激勵(lì)作用，促進(jìn)核心素養(yǎng)落地，設(shè)問就是為達(dá)成考查目標(biāo)服務(wù)的。為了達(dá)成考查諸多實(shí)驗(yàn)探究能力與科學(xué)思維的目標(biāo)，命題者應(yīng)立足于刺激情景特點(diǎn)，挖掘出符合考查目標(biāo)的設(shè)問。

命題是學(xué)科教師的必備專業(yè)素養(yǎng)，命題研究是落實(shí)“教—學(xué)—評(píng)”一體化的重要路徑。因而，廣東省基礎(chǔ)教育教研基地（初中生物·中山）的建設(shè)目標(biāo)之一是提升學(xué)科教師的命題能力，為此開展了系列的培訓(xùn)及命題比賽等。筆者以“中山市初中學(xué)段生物學(xué)科選拔賽”命制的實(shí)驗(yàn)探究題為例，闡述命題的設(shè)問技術(shù)。

命題的背景材料（節(jié)選）：

長(zhǎng)期以來，中國(guó)處理生活垃圾的方法主要是不做分類，直接填埋。結(jié)果，垃圾中的有毒有害物質(zhì)污染空氣、土地、水資源；垃圾堆積滋生蚊蟲老鼠等有害生物，這些都嚴(yán)重?fù)p害人類健康。

后來，人們采用焚燒代替填埋。然而由于垃圾未經(jīng)預(yù)先分類，大量的不可燃垃圾（如金屬、玻璃制品，包括含水量很高的餐廚垃圾）被送進(jìn)了焚燒爐。這導(dǎo)致焚燒溫度不夠高，含氯的廚余垃圾（例如食鹽）、塑料垃圾（例如聚氯乙烯）產(chǎn)生劇毒致癌物質(zhì)——二噁英。二噁英在自然環(huán)境中，很難降解消除，會(huì)隨大氣環(huán)流長(zhǎng)距離遷移，經(jīng)皮膚、呼吸道和消化道進(jìn)入人體或其他生物體內(nèi)。它會(huì)破壞人類免疫系統(tǒng)、導(dǎo)致甲狀腺激素和類固醇激素分泌失衡，影響生殖功能，甚至導(dǎo)致癌癥。更嚴(yán)重的是二噁英影響幼兒發(fā)育，導(dǎo)致胎兒畸形等。

在此背景下，從2019年07月01日起，上海成為中國(guó)第一個(gè)實(shí)施“垃圾強(qiáng)制分類投放”的城市。該市生活垃圾分為以下四類：

……

垃圾分類后，由于只把能燒的垃圾送進(jìn)焚燒爐，焚燒溫度將顯著提高。當(dāng)焚燒溫度高于850℃時(shí)，二噁英就不會(huì)產(chǎn)生，產(chǎn)生的熱量還可以發(fā)電……

基于背景材料，在中山市的四種填空題題型中，筆者選擇探究垃圾焚燒的實(shí)驗(yàn)作為情境，命制了一道實(shí)驗(yàn)探究題。試題情境如下：

二噁英是一種劇毒致癌物質(zhì)。很難在環(huán)境中降解消除，會(huì)通過各種途徑進(jìn)入人體和其他生物體內(nèi)。如垃圾未分類，導(dǎo)致焚燒時(shí)溫度不夠高，含氯的廚余垃圾（例如食鹽）、塑料垃圾（例如聚氯乙烯）較易產(chǎn)生二噁英。

為了弄清楚二噁英在垃圾焚燒時(shí)的形成原因，科學(xué)家們做了以下實(shí)驗(yàn)：

A：實(shí)驗(yàn)用具：塑料垃圾，城市落葉，專業(yè)焚燒爐，氣體檢測(cè)設(shè)備等。

B：實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果如下表：

一、確定實(shí)驗(yàn)變量，圍繞變量進(jìn)行設(shè)問

變量是指實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中可以被操作的特定條件。根據(jù)在實(shí)驗(yàn)中的作用可分為自變量、因變量和無關(guān)變量。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)者能改變的變量叫自變量；隨自變量的改變而改變的變量叫因變量，二者形成因果關(guān)系，實(shí)驗(yàn)?zāi)康木褪谦@得并解釋這種因果關(guān)系。另外，實(shí)驗(yàn)中可能還存在一些其他因素，會(huì)對(duì)結(jié)果造成影響，這些變量稱為無關(guān)變量。實(shí)驗(yàn)中需要控制無關(guān)變量，以保證自變量與因變量的因果關(guān)系，增加實(shí)驗(yàn)科學(xué)性。在命制實(shí)驗(yàn)題時(shí)，只有首先弄清楚實(shí)驗(yàn)中的各種變量，才能準(zhǔn)確分析實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)結(jié)果等問題。

垃圾焚燒時(shí)形成二噁英的原因是什么呢？根據(jù)刺激情景，我們發(fā)現(xiàn)主要有兩個(gè)原因：焚燒時(shí)垃圾的種類和焚燒時(shí)的溫度。

垃圾的種類。我們?cè)谌粘Ｉa(chǎn)、生活中，產(chǎn)生的垃圾種類非常多：可回收垃圾有廢金屬、廢塑料等，有害垃圾有廢電池、廢藥品等，濕垃圾有剩飯剩菜、枯枝落葉等，還有除這三類以外的干垃圾。垃圾的類別作為實(shí)驗(yàn)的自變量，可選擇的實(shí)驗(yàn)材料太過寬泛，容易造成難以控制無關(guān)變量的情況，從而干擾實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。所以本實(shí)驗(yàn)分別從可回收垃圾中選擇了“塑料垃圾”，濕垃圾中選擇了“城市落葉”作為實(shí)驗(yàn)材料。

焚燒時(shí)的溫度。日常的焚燒，溫度一般在300℃～650℃之間，容易產(chǎn)生有毒氣體。專業(yè)的垃圾焚燒爐通過使用二次熱解氣化技術(shù)，解決一次焚燒時(shí)產(chǎn)生的有害氣體。要達(dá)到二次熱解氣化，必須確保爐內(nèi)溫度一直維持在850℃以上。所以，實(shí)驗(yàn)分為“普通焚燒（溫度低）”和“專業(yè)高溫焚燒（850℃以上）”。

在提出問題、進(jìn)行假設(shè)、制訂探究方案、獲取事實(shí)和證據(jù)、形成結(jié)論等過程中，提出問題、作出假設(shè)、得出結(jié)論等三個(gè)實(shí)驗(yàn)探究能力的測(cè)量目標(biāo)是一致的，都需要對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的進(jìn)行分析，尋找自變量與因變量的關(guān)系（提出問題）；實(shí)驗(yàn)是基于哪個(gè)自變量對(duì)因變量的影響而設(shè)計(jì)的（作出假設(shè)）；證實(shí)自變量與因變量有何具體關(guān)系（形成結(jié)論）。

實(shí)驗(yàn)可以設(shè)問如下：①本實(shí)驗(yàn)研究的問題是什么？②實(shí)驗(yàn)方案所依據(jù)的猜想與假設(shè)是什么？③通過實(shí)驗(yàn)，形成的結(jié)論是什么？

參考答案：①是什么原因使垃圾焚燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生二噁英。②二噁英的產(chǎn)生與焚燒垃圾的種類和焚燒時(shí)的溫度有關(guān)系。③焚燒時(shí)垃圾的種類和焚燒時(shí)的溫度會(huì)影響二噁英的產(chǎn)生。

因?yàn)樘岢鰡栴}、進(jìn)行假設(shè)、形成結(jié)論這3個(gè)實(shí)驗(yàn)探究能力的測(cè)量目標(biāo)是一致的，在實(shí)際命題中，往往只需要對(duì)其中一點(diǎn)進(jìn)行設(shè)問即可。

二、聚焦對(duì)照實(shí)驗(yàn)，圍繞實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)問

對(duì)照實(shí)驗(yàn)包含實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組。為了確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果只是由于自變量的不同而引起的，應(yīng)當(dāng)使對(duì)照實(shí)驗(yàn)的兩組除自變量以外，其他條件都要相同。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需要可以設(shè)置一組對(duì)照，也可以設(shè)置兩組或兩組以上的對(duì)照。

刺激情景中提到：“如垃圾未分類，導(dǎo)致焚燒時(shí)溫度不夠高，含氯的廚余垃圾（例如食鹽）、塑料垃圾（例如聚氯乙烯）較易產(chǎn)生二噁英?！被诖?，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為：甲組（普通焚燒塑料垃圾）與乙組（普通焚燒城市落葉）形成一組對(duì)照實(shí)驗(yàn)；甲組（普通焚燒塑料垃圾）與丙組（專業(yè)高溫焚燒塑料垃圾）形成一組對(duì)照實(shí)驗(yàn)。

聚焦對(duì)照實(shí)驗(yàn)，圍繞實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)問，實(shí)驗(yàn)可設(shè)問如下：①甲組與_____組對(duì)照，變量是焚燒垃圾的種類。②甲組與乙組形成對(duì)照，變量是_____。③為了研究焚燒溫度對(duì)于二噁英形成的影響，可將甲組與丙組設(shè)計(jì)為一組對(duì)照試驗(yàn)，①處應(yīng)加入的物質(zhì)是_____。④表（見上頁）中空白處應(yīng)加入的物質(zhì)是_____，理由是_____。

參考答案：①乙。②垃圾的種類。③塑料垃圾100g。④塑料垃圾100g；單一變量原則/控制溫度這一個(gè)變量。

上述兩題考查的相同背景知識(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，只是設(shè)問角度不同，題目難度也有所不同。其中，①和③都是基礎(chǔ)設(shè)問，學(xué)生只需對(duì)表格中的情景進(jìn)行簡(jiǎn)單分析即可作答；而②和④都需要學(xué)生有一定的歸納、推理能力，②中對(duì)于變量的填寫，刺激情景中沒有明確提及，需要學(xué)生自己歸納總結(jié)。我們?cè)诿}時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況，選擇相應(yīng)難度的設(shè)問。

三、邏輯推理適恰，圍繞歸納演繹進(jìn)行設(shè)問

推理是科學(xué)探究過程中的一種綜合能力，是科學(xué)思維的具體體現(xiàn)。科學(xué)思維是指尊重證據(jù)和事實(shí)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實(shí)的求知態(tài)度，運(yùn)用科學(xué)的思維方法去認(rèn)識(shí)事物、解決實(shí)際問題的思維習(xí)慣和能力。在實(shí)驗(yàn)過程中，必須根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果做出合理的推理，才可能形成結(jié)論。要想使推理的結(jié)果更可靠，就需要實(shí)驗(yàn)者仔細(xì)觀察和測(cè)量，把結(jié)果盡可能詳盡地記錄下來。同時(shí)，要全方位考慮各種因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，擇取最可靠的推理作為結(jié)論。

正是因?yàn)楦鞣N因素? 的存在影響著推理的合理性，所以在命題時(shí)，可以將其作為測(cè)量目標(biāo)，通過設(shè)問“推理是否有不足之處”來考查推理、演繹能力。

實(shí)驗(yàn)可設(shè)問如下：①通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，普通焚燒城市落葉時(shí)無二噁英產(chǎn)生。某同學(xué)由此推測(cè)：農(nóng)民焚燒農(nóng)作物秸稈也無二噁英產(chǎn)生。老師認(rèn)為，這樣的推理不夠合理，理由是：_____。②某同學(xué)根據(jù)推測(cè)：農(nóng)民焚燒農(nóng)作物秸稈不會(huì)產(chǎn)生二噁英。老師認(rèn)為，要使推理合理，需要一個(gè)前提條件，即：_____。

參考答案：①農(nóng)作物秸稈可能含有合成二噁英的原料（如含氯物質(zhì)）。②農(nóng)作物秸稈不含合成二噁英的原料（如含氯物質(zhì)）。注：研究表明，使用農(nóng)藥會(huì)使秸稈燃燒釋放二噁英。

如上兩個(gè)問題測(cè)量目標(biāo)是一致的，只是設(shè)問的形式不同而已，所以應(yīng)答也基本一致。測(cè)量目標(biāo)的關(guān)鍵點(diǎn)就是在于演繹推理是否合理，而演繹推理的合理性就在于對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的綜合分析，特別是對(duì)變量的辨析。此處由“普通焚燒城市落葉不產(chǎn)生二噁英”，推理出“焚燒農(nóng)作物秸稈也不產(chǎn)生二噁英”，這樣的推理需要一個(gè)前提條件，這種隱藏的前提條件給推理者帶來了“負(fù)面”推理效果。當(dāng)然，從命題的角度來看，正是這種“負(fù)面”效果，為命題提供了豐富的設(shè)問素材。

四、聯(lián)系生活實(shí)際，圍繞社會(huì)責(zé)任進(jìn)行設(shè)問

社會(huì)責(zé)任是指基于對(duì)生物學(xué)的認(rèn)識(shí)及對(duì)科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境相互關(guān)系的理解，參與個(gè)人和社會(huì)事務(wù)的討論，做出理性解釋和判斷，解決生產(chǎn)生活問題的責(zé)任擔(dān)當(dāng)和能力。生物實(shí)驗(yàn)探究題命題時(shí)，也應(yīng)注意指引學(xué)生關(guān)注與生物學(xué)相關(guān)的社會(huì)問題，初步形成主動(dòng)參與社會(huì)決策的意識(shí)。

此題可以設(shè)問如下：作為中學(xué)生的我們，在垃圾分類方面，可以怎么做？請(qǐng)寫出兩點(diǎn)。

參考答案：①加強(qiáng)理論學(xué)習(xí)，明白垃圾的種類。②以身作則，分類投放垃圾。③提醒父母及身邊同學(xué)等，注意垃圾分類。④參與社區(qū)公益等活動(dòng)中，加強(qiáng)宣傳垃圾分類等（此題具有開放性，答案不是唯一，只要做法合理，符合中學(xué)生身份即可）。

此題旨在引導(dǎo)學(xué)生熱愛自然，提高保護(hù)環(huán)境的意識(shí)，在檢查學(xué)生語言表達(dá)的同時(shí)，突出對(duì)生物學(xué)科核心素養(yǎng)，特別是對(duì)學(xué)生社會(huì)責(zé)任感培養(yǎng)情況的考查，了解學(xué)生能否用生物學(xué)的視角，主動(dòng)參與解決社會(huì)的實(shí)際問題。

生物學(xué)實(shí)驗(yàn)探究題以其較強(qiáng)的甄別功能在“廣東省初中學(xué)業(yè)水平考試（生物學(xué)）”中占據(jù)了重要的位置。其內(nèi)含的科學(xué)探究能力是多元的，復(fù)雜的。對(duì)于實(shí)驗(yàn)探究題的命題，測(cè)量目標(biāo)在于確定實(shí)驗(yàn)變量、完善實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、明晰邏輯推理、緊扣學(xué)科素養(yǎng)等方面去挖掘，這是實(shí)驗(yàn)探究題命題的設(shè)問技術(shù)，也是教師日常教學(xué)與復(fù)習(xí)的工作重點(diǎn)。

注：本文系廣東省基礎(chǔ)教育教研基地項(xiàng)目（初中生物·中山）研究成果