劉 ?。ㄇ迦A大學附屬中學 北京 100084）

科學探究既是科學家工作的基本方式，也是科學課程中重要的學習內(nèi)容和有效的教學方式［1］。 在中學生物學課程中，科學探究是學生獲取生物學知識、領悟科學研究方法而進行的活動，也是初、高中生物學課程中重要的課程內(nèi)容。 科學探究在中學生物學教學中的重要性已不言而喻。 教師在日常教學中也早已習慣將探究作為一種教和學的方式主動運用。 但是，教師在教學中會有一點困惑：初中、高中甚至小學科學課都在講科學探究，科學探究的一般過程始終是那樣幾個環(huán)節(jié)沒有改變。從初中到高中，科學探究的能力到底應該有怎樣的提升？初、高中在科學探究能力的培養(yǎng)上梯度該如何搭建？

對比初、高中生物學課程標準（表1），課程標準中對科學探究能力要求的表述都體現(xiàn)了科學探究的一般過程，是概括性、綱領性的，每一個真實的科學探究都需要經(jīng)歷這些環(huán)節(jié)。 但落實到實際教學過程中，需要教師根據(jù)不同年齡段學生的認知水平和生物學知識基礎，創(chuàng)造性地理解并落實課程標準的要求。 例如，同樣是設計實驗，初中和高中學生設計的實驗應該有怎樣的不同？ 能力高低的要求體現(xiàn)在哪里？

表1 初、高中生物學課程標準中科學探究能力要求對比

評價對教學具有導向作用。研究近年中、高考試題中的實驗探究題，分析其中對實驗探究能力的考查方向，可加深對課程標準的理解，反觀教學，找到日常教學中初、高中科學探究能力培養(yǎng)應把握的深度和難度。筆者結(jié)合多年初、高中教學實踐，整理出幾點心得體會。

1 實驗設計中的變量控制

理清變量是實驗探究題的關鍵。無論初中還是高中生，都必須明確自變量、因變量、無關變量這幾個概念。學生在實驗中應能正確找到控制自變量的方法，以及因變量的檢測指標和檢測方法。例如“探究光對鼠婦生活的影響”實驗，需要先明確自變量是光，需控制變量設置，進行有光、無光的對照實驗；需明確因變量是觀察鼠婦在有光和無光區(qū)域分布的數(shù)量。 這是設計實驗的基本思路，也是初中生必須要達到的能力要求。而“無關變量”在初中實驗設計中往往被一句“其他條件相同且適宜”籠統(tǒng)帶過，即使關注了無關變量，也僅要求到“生長狀況相同”“隨機等量分組”等這樣的層面。

高中科學探究實驗中明確自變量因變量依然是核心，但“無關變量”被更多地關注，設計成試題中的考查點，暴露學生在實驗設計細節(jié)上的盲點。 例如2015年北京高考題第29 題（例1）將無關變量的考查體現(xiàn)得淋漓盡致。 當年考生大多在最后一空不能完整地分析3 種無關變量而丟分。

例1，2015年北京高考題第29 題（3）：研究者設計了一種能與編碼酶A 的mRNA 互補結(jié)合的，含22 個核苷酸的RNA，它能進入細胞促進編碼酶A 的mRNA 降解。 將這種小RNA 用溶劑M 溶解后，注射到D 鼠相關腦區(qū)，引起酶A 含量明顯下降，D 鼠對藥物的依賴降低。 進行本實驗時，要同時進行一個對照處理，將一段小RNA 用 溶劑M（填“生理鹽水”或“蒸餾水”或“溶劑M”）溶解，注射到D 鼠的相關腦區(qū)。 這段小RNA 的最佳設計為：與實驗組使用的小RNA 相比，其核苷酸的a、c、f （多選，只填序號）。

a.種類相同 b.種類不同 c.數(shù)目相同

d.數(shù)目不同 e.序列完全相同 f.序列完全不同

若此對照組D 鼠相關腦區(qū)內(nèi)酶A 含量無明顯變化，則可以證明 溶劑M、不能和編碼酶A 的mRNA 形成互補結(jié)合的小RNA、 給藥方法 等因素對實驗組結(jié)果無影響。

事實上，無關變量并非與本實驗無關，反而是對實驗過程和實驗結(jié)果會造成影響的其他因素，只是沒有作為本實驗的研究對象而已。無關變量控制不好，直接關系到整個實驗的成敗。 對無關變量的考查，體現(xiàn)了對實驗設計嚴謹性、細致性的要求，對學生的思維能力和問題分析能力都有了更高層次的要求。因此，對無關變量的判斷、控制是從初中到高中實驗探究能力培養(yǎng)上需要搭建的一個梯度。

2 對照實驗的類型

設置對照實驗，是科學探究實驗設計的幾個基本原則之一，初中實驗探究題中最常見的命題類型就是設置對照實驗，區(qū)分實驗組和對照組。以2014年的一道中考試題為例。

例2，某中學生物興趣小組的學生在探究“饅頭在口腔中的變化”實驗時，設計了如表所示的實驗方案，請完成下列問題：

?

1）為了探究“唾液對饅頭有消化作用”，選用1 號和2 號2 支試管作對照實驗，在2 號試管的A 處應加入2 mL 清水。

2）為了探究“牙齒的咀嚼、舌的攪拌對饅頭有消化作用”，選用1 號和3 號2 支試管進行對照實驗，那么B 處的處理方法是不攪拌；1 號試管中加入碘液后溶液不變藍，原因是（略） 。

3）如果選用1、4、5 號試管進行實驗，所探究的問題是溫度是否影響唾液消化淀粉。

本題設計了5 組處理，貌似比較復雜，事實上對照實驗的類型還是單一的，只要找準變量，2 組或3 組試管成為一組對照實驗，考查的點依然是單一變量原則。 初中階段學生接觸到的對照實驗類型相對簡單，以空白對照為主，通過控制單一變量，建立自變量和因變量之間的邏輯關系。進入高中階段后，學生陸續(xù)會接觸到各種對照類型：空白對照、相互對照、自身對照、陰性對照、陽性對照等。 例如“探究溫度對酶活性的影響”是一組相互對照；“質(zhì)壁分離及其復原”是自身對照；做還原糖鑒定實驗時設置葡萄糖為對照組實質(zhì)是陽性對照；用二苯胺鑒定DNA 時設置的對照組是陰性對照……學生對于對照組的理解應該更加深入。 一般來說，對照組是指保持原有狀態(tài)（未做處理）或已知影響因素所造成結(jié)果的一組實驗。 隨著高中生物學學習內(nèi)容的深入，實驗研究的角度也會更加多元化，往往會根據(jù)不同的研究目的選擇不同的對照實驗類型。 空白對照著眼于實驗處理過程未施加自變量，而陰性對照、陽性對照著眼于是否出現(xiàn)預期的實驗結(jié)果，為實驗組提供參照。 以201 7年北京市海淀區(qū)模擬題為例（例3），在5 組實驗中有3 個對照：Ⅴ組為空白對照、Ⅰ組為陰性對照、Ⅲ組為陽性對照。

例3，科研人員對H 細胞進行定向改造，制造出2 種人工胰島β 細胞： ①轉(zhuǎn)入與Ca2+敏感啟動子結(jié)合的胰島素基因，得到H-β 細胞；②轉(zhuǎn)入由葡萄糖啟動表達的腸促胰素（小腸黏膜分泌的一種激素）受體基因，得到H-GR 細胞。 科研人員用5組小鼠進行實驗，處理及結(jié)果如下圖所示（圖1）。

圖1 2017年海淀區(qū)高三年級理綜適應性練習第31 題附圖

在初中階段，理解單一變量原則、對照實驗的原則，應是學生科學探究能力的基本功，應在教學中認真落實，夯實基礎，確保實驗組對照組的設置、 變量的控制等基本功真正做扎實。 升入高中后，教師逐步加進各種對照實驗，還原真正科學研究多角度、多方向的狀態(tài)，學生才能循序漸進地提升科學探究的能力。

3 對實驗結(jié)果和數(shù)據(jù)的分析

從實驗結(jié)果的性質(zhì)進行分類，實驗可分為定性實驗和定量實驗。 定性實驗通常回答“是不是”“有沒有”的問題，結(jié)果和結(jié)論之間的邏輯關系、推理分析比較簡單。 初中階段的大多數(shù)實驗屬于定性實驗。例如：光照處的鼠婦分布比遮光處分布得少，說明鼠婦生活喜暗；遮光處的葉片用碘處理不變藍，未遮光的葉片用碘處理變藍，說明光是光合作用必需的條件； 根據(jù)發(fā)芽率的高低分析種子萌發(fā)的條件等。

隨著近年實驗探究題在中考試題中比例加重，一些初中實驗探究題在實驗結(jié)果的呈現(xiàn)方式上開始呈現(xiàn)多樣化，柱狀圖、折線圖這些數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式開始頻繁出現(xiàn)在初中試題中。 以初中學生的思維能力和認知水平，分析簡單的柱狀圖、曲線圖的變化趨勢并得出“促進”“抑制”“增高”“降低”這樣的結(jié)論是初中常見的考查形式。

高中實驗題中更常見的是定量實驗，要求學生“利用數(shù)學方法處理、解釋數(shù)據(jù)”。 學生需要掌握的數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式更加多種多樣，除常見的曲線圖、柱狀圖、表格外，還有散點圖、示意圖、流程圖、裝置圖、概念圖等。 對圖表的解讀需要生物學基本原理基本概念作為支撐，也需要更強大的邏輯推理能力，說明自變量和因變量之間的邏輯關系，并用科學規(guī)范的語言進行描述，有時還需要用歸納-演繹的理性思維構(gòu)建數(shù)學模型，這是高中階段學生需要跨越的一個臺階。 例如，高中學生需要解讀縱坐標因變量指標所代表的生物學含義； 需要精確表述因變量隨自變量“一定范圍內(nèi)”“逐漸升高”“顯著降低”；需要對數(shù)據(jù)進行加工處理等。

例4，（2014年北京高考第29 題節(jié)選）為研究赤霉素（GA3）和生長素（IAA）對植物生長的影響，切取菟絲子莖頂端2.5 cm 長的部分（莖芽），置于培養(yǎng)液中無菌培養(yǎng)。

圖2 2014年北京高考理綜29 題附圖

實驗分為A、B、C 3 組，分別培養(yǎng)至第1、8、15 天，每組再用適宜濃度的激素處理30 天，測量莖芽長度，結(jié)果見圖2。

5）從圖2 中B 組（或C 組）的數(shù)據(jù)可知，2 種激素聯(lián)合處理對莖芽伸長生長的促進作用是GA3單獨處理的 3.6（3） 倍、IAA 單獨處理的18（60） 倍，由此可推測GA3和IAA 在對莖芽伸長生長的作用上存在 協(xié)作 關系。

6）A 組數(shù)據(jù)未顯示出GA3和IAA 具有上述關系，原因可能是離體時間短的莖芽中 內(nèi)源IAA 的量較高。

4 實驗情境的復雜性

從初中到高中學習內(nèi)容的變化來看，初中生物學側(cè)重于宏觀的生命現(xiàn)象和形態(tài)結(jié)構(gòu)，所研究的問題大都在個體水平，觀察和實驗的對象一般是個體的生長發(fā)育狀況、生命現(xiàn)象的宏觀指標等。一般一個實驗解決一個問題，目標明確、 指向清楚。 學生只需明確實驗目的，找準變量，看懂實驗設計應該問題不大。 高中生物學則嘗試解釋生命現(xiàn)象背后的本質(zhì)，研究的問題不僅有個體水平，有時還需要從細胞水平甚至分子水平設計多個實驗，多層面、多角度對一個問題進行研究（圖3）。有些實驗需要考慮多種因素的綜合影響，可能一個實驗設計中會涉及多個變量、多種對照，更增加了實驗情境的復雜性。因此，高中階段學生面臨的實驗探究題情境更復雜，學生可能會在系列實驗中迷失方向，理不清思路，忘記最初的實驗目的，甚至看不懂題目。這一類的實驗探究題，對學生的綜合能力提出了較高的要求。

圖3 高中生物學實驗題研究層次示意圖

綜上所述，初、高中學生在認知水平、思維能力、知識儲備上本身存在著差別，科學探究能力的培養(yǎng)也應循序漸進梯度提升。 筆者認為初中階段應重點著力于幫助學生體會科學探究的一般過程，在簡單的問題情境中能理清變量，懂得設計實驗的基本原則（單一變量、對照實驗、平行重復等），能選擇恰當?shù)墓ぞ邔嵤嶒灒瑢嶒灲Y(jié)果進行定性、定量分析并得出結(jié)論。而高中階段可逐漸提高問題情境的復雜性，鍛煉學生分析識別多種自變量，關注無關變量的控制，多組對照實驗的分析推理，實驗數(shù)據(jù)處理方式的多樣化，科學規(guī)范化表達問題和結(jié)論等。從初中到高中，科學探究能力的培養(yǎng)有較大的提高空間，找到兩者的距離，設計符合初、高中學生認知發(fā)展的階梯，在恰當?shù)碾A段開設適當水平的科學探究活動，才能真正有效提高學生的科學探究能力。而在命制試題時，應體現(xiàn)不同年齡段的梯度差別，避免在高中命題時過于簡單，失去挑戰(zhàn)性、失去區(qū)分度；也應避免未經(jīng)修改將高中水平的試題下放至初中階段，造成不必要的困擾。 根據(jù)初、高中能力培養(yǎng)的側(cè)重點，設計適合各年齡段的試題，才能起到有效的評價作用，并對教學起到良好的導向作用。