貴州 付忠義 李應(yīng)查

不論是從《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）》中，還是從2019 年《普通高等學(xué)校招生全國統(tǒng)一考試大綱》及歷年高考真題中，都不難看出新時(shí)代教育對(duì)學(xué)生能力的要求逐漸提高，尤其是“實(shí)驗(yàn)與探究能力”。而且在學(xué)科核心素養(yǎng)中，明確提出了科學(xué)探究的要求，但具體落實(shí)到學(xué)科教學(xué)層面，主要還是對(duì)實(shí)驗(yàn)探究的教學(xué)要求。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容不僅包括實(shí)驗(yàn)操作，在科學(xué)合理的實(shí)驗(yàn)探究中，“實(shí)驗(yàn)操作”固然重要，但實(shí)驗(yàn)的成功還依賴于科學(xué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果分析。因此，教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)從多角度提高學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，同時(shí)又要進(jìn)行分層次教學(xué)，從一些簡(jiǎn)單示例的分析開始，逐步突破實(shí)驗(yàn)教學(xué)的難點(diǎn)問題，提升學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究的學(xué)科核心素養(yǎng)，更是提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的有效途徑。

一、分析簡(jiǎn)單圖文示例，提高實(shí)驗(yàn)探究能力

近年來，隨著對(duì)實(shí)驗(yàn)探究能力重視程度的提高，高考中也經(jīng)常遇到與實(shí)驗(yàn)探究有關(guān)的試題。常見類型有①判斷自變量、因變量、無關(guān)變量；②分析自變量或無關(guān)變量對(duì)因變量的影響；③設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)思路，作出實(shí)驗(yàn)預(yù)期及結(jié)論等。教師在平時(shí)的教學(xué)過程中可通過引導(dǎo)學(xué)生分析試題的圖文信息，提高學(xué)生的科學(xué)思維能力，并有意識(shí)地指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行獨(dú)立思考，從而提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力。

1.判斷變量

判斷變量是解答“科學(xué)探究類”試題的必經(jīng)之路，對(duì)于一個(gè)具體的探究過程，必須先明確自變量和因變量，并且分析出無關(guān)變量。通過分析已有實(shí)驗(yàn)素材的變量，可以在科學(xué)思維層次上更好地培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力，同時(shí)使學(xué)生能在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中學(xué)會(huì)如何使用控制變量法，為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的科學(xué)性奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。教師還要注意引導(dǎo)學(xué)生熟悉常見的信息呈現(xiàn)方式：（1）文字信息；（2）表格信息；（3）圖形信息，并能針對(duì)不同類型的信息呈現(xiàn)方式，采用不同的思考方式進(jìn)行分析。

（1）文字類信息中的變量分析

文字類信息是試題最常見的表述方式，通過對(duì)文字信息的分析，能夠清晰地體驗(yàn)文字信息題是如何表達(dá)自變量與因變量之間的關(guān)系和如何嚴(yán)格地控制無關(guān)變量，對(duì)提高學(xué)生的語言表達(dá)能力和分析能力有顯著作用。

如2018 年全國卷Ⅱ第29 題的題干“為研究垂體對(duì)機(jī)體生長(zhǎng)發(fā)育的作用，某同學(xué)用垂體切除法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?！泽w重變化作為生長(zhǎng)發(fā)育的檢測(cè)指標(biāo)”。從文字?jǐn)⑹錾戏治觥癆 對(duì)B 的作用（或影響）”表明“B 可能隨A 的變化而變化”，所以A 屬于自變量，B 屬于因變量。上述實(shí)驗(yàn)中自變量為“是否切除垂體”，因變量為“機(jī)體的生長(zhǎng)發(fā)育情況（體重變化）”。除了“是否切除垂體”以外，還有很多因素會(huì)對(duì)機(jī)體的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生影響，比如“食物類型、飼喂量、飼養(yǎng)環(huán)境”等，尤其需要注意實(shí)驗(yàn)組的動(dòng)物通過手術(shù)切除了垂體，這項(xiàng)操作產(chǎn)生了兩個(gè)變量：手術(shù)（無關(guān)變量）和切除甲狀腺（自變量）。因此，為了排除是手術(shù)產(chǎn)生的影響，對(duì)照組的動(dòng)物也需要進(jìn)行手術(shù)，與之不同的是不切除甲狀腺。通過示例分析，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)無關(guān)變量和單一變量原則的理解和掌握。再如，2018 年全國卷Ⅰ第31 題中，“為探究不同因素對(duì)尿量的影響，某同學(xué)用麻醉后的實(shí)驗(yàn)兔進(jìn)行不同的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下：a.記錄實(shí)驗(yàn)兔的尿量（單位：滴/分鐘）。b.耳緣靜脈注射垂體提取液0.5 mL，記錄尿量。c.待尿量恢復(fù)后，耳緣靜脈注射20%葡萄糖溶液15 mL，記錄尿量。取尿液做尿糖定性實(shí)驗(yàn)?！狈治錾鲜鲱}干可以看出，自變量為“不同因素”，因變量為“尿量”。而從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以看出，“不同因素”具體是指“注射垂體提取液或20%葡萄糖溶液”，除此以外的其他因素（如溫度、環(huán)境、亮度等）屬于無關(guān)變量。通過示例分析，提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)變量進(jìn)行分析和表達(dá)的能力。

（2）表格類信息中的變量分析

表格類信息的呈現(xiàn)方式更加直觀，一般表格信息有兩大類型的呈現(xiàn)方式：a.呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)操作過程；b.呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)操作過程及結(jié)果。不論是以哪種類型呈現(xiàn)的表格，其文字量都比單純的文字描述類試題字?jǐn)?shù)少很多，在字?jǐn)?shù)減少的同時(shí)使主要內(nèi)容更易于凸顯出來，但也增大了結(jié)論表達(dá)的難度。通過對(duì)這類試題的分析訓(xùn)練，能更好地提高學(xué)生的歸納與概括能力、表達(dá)能力及其科學(xué)思維層次。

如2019 年全國卷Ⅲ第30 題中的表格如表1：

表1

結(jié)合題干和設(shè)問信息可知，因變量為“是否產(chǎn)生再次免疫應(yīng)答”，而表1 中的操作差異就是引起因變量差異的因素，從表1 中可以看出A 組與B 組形成對(duì)照，C 組與D 組形成對(duì)照，同時(shí)，A、B 組的結(jié)論可以與C、D 組的結(jié)論進(jìn)行對(duì)比。由此可以看出，自變量為“注射抗原的類型和順序”。通過示例分析，可提高學(xué)生信息獲取能力和語言表達(dá)能力，并提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性。再如，2018 年江蘇卷第32 題中的（5）獲得工程菌表達(dá)的α-淀粉酶后，為探究影響酶活性的因素，以濃度為1%的可溶性淀粉為底物測(cè)定酶活性，結(jié)果如表2：

表2

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，初步判斷該α-淀粉酶活性最高的條件為___________________________________________________________。

解答此類題型，依照“結(jié)果不同找不同（操作）”的原則即可。即結(jié)果（酶相對(duì)活性）為因變量，導(dǎo)致酶相對(duì)活性差異的因素（pH、緩沖液類型）為自變量。從表2 可以看出，緩沖液相同、pH 不同時(shí)酶相對(duì)活性不同，pH 相同、緩沖液不同時(shí)酶相對(duì)活性也不同，所以緩沖液類型和pH 都屬于影響酶相對(duì)活性的因素，因此，解題時(shí)先找到酶相對(duì)活性的最大值，再找到對(duì)應(yīng)的pH 和緩沖液類型即可。通過示例分析，可提高學(xué)生獲取信息的能力和分析問題的能力，尤其可以提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄表的設(shè)計(jì)能力。

（3）圖形類信息中的變量分析

圖形類信息相對(duì)文字類信息和表格類信息能更加直觀地體現(xiàn)出自變量和因變量的關(guān)系，但難點(diǎn)是一般無法從圖形中直接看出無關(guān)變量，這類信息往往用來描述實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論。通過分析圖形，能更好地理解自變量與因變量之間的關(guān)系，增強(qiáng)圖文轉(zhuǎn)化能力；同時(shí)能提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析、處理能力，為得出正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論提供保障。

如2018 年全國卷Ⅰ第30 題的題圖，如圖1：

圖1

由圖1 可知，在一定范圍內(nèi)，凈光合速率隨光照強(qiáng)度的改變而改變，這種變化存在植物種類的差異性。所以，因變量是“凈光合速率”，而自變量是“光照強(qiáng)度和植物種類”。通過示例分析，可提高學(xué)生圖文轉(zhuǎn)化能力、分析能力、表達(dá)能力，并有助于學(xué)生豐富實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論的表達(dá)方式。

2.變量之間的關(guān)系

分析實(shí)驗(yàn)變量之間的關(guān)系對(duì)學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究素養(yǎng)均有較大的提升作用。分析無關(guān)變量、自變量和因變量之間的關(guān)系，可以提高實(shí)驗(yàn)方案的科學(xué)性與準(zhǔn)確性；分析自變量與因變量之間的關(guān)系是處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果、得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論的重要前提。

如2019 年海南卷第27 題部分節(jié)選：“在適宜條件下，測(cè)得的某植物根細(xì)胞對(duì)a、b 兩種物質(zhì)的吸收速率與外界溶液中這兩種物質(zhì)濃度的關(guān)系如圖2 所示（a、b 兩條曲線分別代表植物根細(xì)胞對(duì)不同濃度a、b 兩種物質(zhì)的吸收速率）”

圖2

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)外界溶液中b 的濃度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，再增加b 的濃度，根細(xì)胞對(duì)b 的吸收速率不再增加?？赡艿脑蚴莀_________________________________。

分析以上材料可知，因變量是“吸收速率”，自變量是“物質(zhì)種類和物質(zhì)濃度”，即同一濃度、不同物質(zhì)的吸收速率可能有差異；同一物質(zhì)、不同濃度的吸收速率也可能有差異，并且可以看出兩種物質(zhì)的吸收速率與濃度的變化關(guān)系不同。物質(zhì)a 的吸收速率與物質(zhì)濃度呈正相關(guān)，即隨著物質(zhì)濃度的增大，物質(zhì)吸收速率逐漸增大；而物質(zhì)b 的吸收速率在一定范圍內(nèi)隨物質(zhì)濃度增大而增大，到達(dá)某一點(diǎn)后不再增加。從物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)慕嵌确治觯瑑煞N物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸方式不同，物質(zhì)a 的運(yùn)輸只與濃度有關(guān)，而物質(zhì)b 的運(yùn)輸不僅受濃度的影響，還受到其他因素的限制?？膳袛辔镔|(zhì)a 的跨膜運(yùn)輸方式為自由擴(kuò)散，物質(zhì)b 的跨膜運(yùn)輸方式為協(xié)助擴(kuò)散，由于受載體蛋白數(shù)量的限制，當(dāng)載體蛋白應(yīng)用量飽和時(shí)，物質(zhì)吸收速率不再隨濃度的增大而增大。通過示例分析，可提高學(xué)生對(duì)變量的分析能力，學(xué)會(huì)判斷無關(guān)變量，并正確分析自變量和因變量的關(guān)系。

3.實(shí)驗(yàn)思路、預(yù)期結(jié)果及結(jié)論

此類問題已經(jīng)成為現(xiàn)在出題形式的“新寵兒”，以2019 年高考為例，僅全國卷和海南卷就出現(xiàn)四次這種類型的設(shè)問：如2019 年全國卷Ⅰ第29 題、2019 年全國卷Ⅲ第29 題和32 題、2019 年海南卷第27 題。通過前期的變量分析、作出假設(shè)，對(duì)實(shí)驗(yàn)的目的有了宏觀的掌握，然后需要設(shè)計(jì)和實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案。設(shè)計(jì)方案之前先要構(gòu)思出成熟的實(shí)驗(yàn)思路，這個(gè)過程是對(duì)前面變量分析的一個(gè)綜合應(yīng)用，能綜合體現(xiàn)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。對(duì)教學(xué)而言，一方面可以提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究的成功率，另一方面也是應(yīng)對(duì)考試、檢測(cè)科學(xué)素養(yǎng)的必要途徑。

二、嘗試完成實(shí)驗(yàn)探究，體驗(yàn)完整科研過程

科學(xué)探究是理論分析和實(shí)踐操作相結(jié)合的一個(gè)完整過程，二者缺一不可。通過示例分析可以提升學(xué)生科學(xué)思維、科學(xué)探究等科學(xué)素養(yǎng)，但實(shí)驗(yàn)探究能力的全面提高還需要在實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)。通過對(duì)簡(jiǎn)單易行、成功率高的科學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究，能更有效、更全面地促進(jìn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力的發(fā)展。

1.合理選擇課題，奠定成功基石

觀察現(xiàn)象并提出有研究?jī)r(jià)值的科學(xué)問題，是實(shí)驗(yàn)探究中最重要的能力之一。作為提升綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ奶骄空n題，首先，要貼近生活又貼近教學(xué)，讓生活與學(xué)習(xí)相協(xié)調(diào)統(tǒng)一；其次，要求課題的可操作性強(qiáng)，有充分的實(shí)驗(yàn)資源，簡(jiǎn)單易行，學(xué)生能獨(dú)立完成，并從中體驗(yàn)到科學(xué)探究的全過程。滿足以上要求的實(shí)驗(yàn)課題，需要教師從教學(xué)內(nèi)容中提煉，也可以選擇源于生活的內(nèi)容，但最好不是教材上已設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)。

2.科學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，提升綜合能力

科學(xué)合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是學(xué)生科學(xué)思維能力的體現(xiàn)，是科學(xué)探究能力的要求，更是實(shí)驗(yàn)成功的基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)必需考慮到科學(xué)探究的主要步驟：觀察并提出問題——作出假設(shè)——設(shè)計(jì)方案——實(shí)施方案——結(jié)果分析——得出結(jié)論——表達(dá)與交流等。同時(shí)必須遵循科學(xué)探究的幾項(xiàng)基本原則：科學(xué)性原則、對(duì)照原則、單一變量原則、可重復(fù)性原則等。下文結(jié)合一簡(jiǎn)單示例詳述科學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的過程。

（1）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合課題作出合理的假設(shè)及分析

課題為“探究小麥幼苗的生長(zhǎng)是否需要鉀元素”，根據(jù)課題可以從兩個(gè)角度進(jìn)行假設(shè)，即結(jié)果有兩種可能性：需要或者不需要。那“需要”或“不需要”會(huì)有什么樣的差異呢？如果小麥生長(zhǎng)需要鉀元素，則缺鉀就不能正常生長(zhǎng)；如果小麥生長(zhǎng)不需要鉀元素，則缺鉀就不影響小麥的正常生長(zhǎng)。所以，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需要圍繞缺鉀時(shí)小麥?zhǔn)欠衲軌蛘ＩL(zhǎng)來展開，并通過觀察和分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)小麥生長(zhǎng)是否需要鉀元素做出進(jìn)一步判斷。

（2）遵循探究原則，合理設(shè)計(jì)方案

根據(jù)假設(shè)及分析可知，若要完成課題探究的內(nèi)容則需要證明缺鉀時(shí)小麥?zhǔn)欠衲苷ＩL(zhǎng)。而如何判斷小麥的生長(zhǎng)是否正常，需要有對(duì)比的對(duì)象，并且對(duì)比的對(duì)象應(yīng)該是正常的，兩個(gè)對(duì)比之間除“是否含鉀”以外，其他條件應(yīng)該完全相同，即遵循對(duì)照原則和單一變量原則。

設(shè)計(jì)方案如下：

①培養(yǎng)小麥幼苗若干株備用，配制缺鉀培養(yǎng)液和全素培養(yǎng)液備用；

②取生活狀態(tài)相同的小麥幼苗30 株分成A、B 兩組，每組15 株；

③A 組用缺鉀培養(yǎng)液培養(yǎng)，B 組用相同濃度且等量的全素培養(yǎng)液培養(yǎng)；

④將以上兩組小麥幼苗置于通風(fēng)、溫暖、散射光的同一環(huán)境中培養(yǎng)；

⑤每天注意統(tǒng)計(jì)各組小麥幼苗的生長(zhǎng)狀況（包括生根數(shù)、根長(zhǎng)、莖葉長(zhǎng)、莖葉顏色等），各組每項(xiàng)指標(biāo)均計(jì)算組內(nèi)植株的平均值；

⑥分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過各項(xiàng)指標(biāo)的對(duì)比，得出合理的結(jié)論；

⑦撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并與其他小組交流，修改和完善實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行二次實(shí)驗(yàn)。

（3）對(duì)以上設(shè)計(jì)的必要說明

本實(shí)驗(yàn)探究的是“缺鉀”時(shí)小麥的生長(zhǎng)狀況，即自變量是“是否含鉀元素”，因變量是“小麥幼苗的生長(zhǎng)狀況”，其他影響小麥生長(zhǎng)的因素均為無關(guān)變量。根據(jù)“無關(guān)變量應(yīng)相同且適宜”的原則，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)要保證所有無關(guān)變量“相同”“等量”等，如“生活狀態(tài)相同”“相同濃度且等量”“同一環(huán)境”等。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)還要遵循平行可重復(fù)原則，即避免偶然因素，所以每組實(shí)驗(yàn)選取15 株幼苗，并且需要設(shè)計(jì)二次實(shí)驗(yàn)。

（4）設(shè)計(jì)結(jié)果記錄表是實(shí)驗(yàn)探究的必備能力

根據(jù)需要，合理地設(shè)計(jì)結(jié)果記錄表，使數(shù)據(jù)收集更規(guī)范的同時(shí)也能提高數(shù)據(jù)處理的效率。根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，結(jié)果記錄表設(shè)計(jì)如表3。

表3

3.精確完成實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)假設(shè)

“提出問題——作出假設(shè)——設(shè)計(jì)方案”是一個(gè)思維過程，但是要想真正得出科學(xué)合理的結(jié)論，實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)分析是必不可少的環(huán)節(jié)，只有準(zhǔn)確無誤地完成這兩個(gè)環(huán)節(jié)才能對(duì)假設(shè)進(jìn)行有效的驗(yàn)證。

（1）實(shí)踐操作，提升實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力

正確的實(shí)踐操作是實(shí)驗(yàn)成功的基本要求。按照設(shè)計(jì)的方案，準(zhǔn)確無誤地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并記錄好所需數(shù)據(jù)。要想提高實(shí)驗(yàn)操作能力，必需以親自動(dòng)手為前提，否則再充分的理論基礎(chǔ)也無法體現(xiàn)出科學(xué)探究的真實(shí)結(jié)果。

（2）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，全面鞏固提升

準(zhǔn)確合理地分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，是實(shí)驗(yàn)操作中必不可少的環(huán)節(jié)，只有分析合理，結(jié)論才有理有據(jù)。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，對(duì)比實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組相關(guān)指標(biāo)的異同，便能準(zhǔn)確驗(yàn)證假設(shè)的合理性。在數(shù)據(jù)分析和結(jié)論表達(dá)的過程中，對(duì)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究都有全面的提升作用。

教師應(yīng)充分利用新課教學(xué)和復(fù)習(xí)課，通過課堂理論分析和課外實(shí)踐操作等途徑，有效地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)分析能力和實(shí)驗(yàn)操作能力，提高學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究素養(yǎng)。這不僅是適應(yīng)高考改革的需要，也是學(xué)生全面發(fā)展的需要，更是社會(huì)發(fā)展的需要。選擇貼近生活、緊扣教學(xué)的簡(jiǎn)單示例，嚴(yán)格按照科學(xué)探究的基本步驟，以小課題探究的形式全方位開展活動(dòng)，能全面提高學(xué)生的分析能力、表達(dá)能力、動(dòng)手能力，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力的有效途徑之一。