例談初、高中生物科學(xué)探究能力的梯度培養(yǎng)

劉 ?。ㄇ迦A大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100084）

科學(xué)探究既是科學(xué)家工作的基本方式，也是科學(xué)課程中重要的學(xué)習(xí)內(nèi)容和有效的教學(xué)方式［1］。 在中學(xué)生物學(xué)課程中，科學(xué)探究是學(xué)生獲取生物學(xué)知識(shí)、領(lǐng)悟科學(xué)研究方法而進(jìn)行的活動(dòng)，也是初、高中生物學(xué)課程中重要的課程內(nèi)容。 科學(xué)探究在中學(xué)生物學(xué)教學(xué)中的重要性已不言而喻。 教師在日常教學(xué)中也早已習(xí)慣將探究作為一種教和學(xué)的方式主動(dòng)運(yùn)用。 但是，教師在教學(xué)中會(huì)有一點(diǎn)困惑：初中、高中甚至小學(xué)科學(xué)課都在講科學(xué)探究，科學(xué)探究的一般過程始終是那樣幾個(gè)環(huán)節(jié)沒有改變。從初中到高中，科學(xué)探究的能力到底應(yīng)該有怎樣的提升？初、高中在科學(xué)探究能力的培養(yǎng)上梯度該如何搭建？

對比初、高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（表1），課程標(biāo)準(zhǔn)中對科學(xué)探究能力要求的表述都體現(xiàn)了科學(xué)探究的一般過程，是概括性、綱領(lǐng)性的，每一個(gè)真實(shí)的科學(xué)探究都需要經(jīng)歷這些環(huán)節(jié)。 但落實(shí)到實(shí)際教學(xué)過程中，需要教師根據(jù)不同年齡段學(xué)生的認(rèn)知水平和生物學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)，創(chuàng)造性地理解并落實(shí)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求。 例如，同樣是設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，初中和高中學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)應(yīng)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(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中科學(xué)探究能力要求對比

評價(jià)對教學(xué)具有導(dǎo)向作用。研究近年中、高考試題中的實(shí)驗(yàn)探究題，分析其中對實(shí)驗(yàn)探究能力的考查方向，可加深對課程標(biāo)準(zhǔn)的理解，反觀教學(xué)，找到日常教學(xué)中初、高中科學(xué)探究能力培養(yǎng)應(yīng)把握的深度和難度。筆者結(jié)合多年初、高中教學(xué)實(shí)踐，整理出幾點(diǎn)心得體會(huì)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的變量控制

理清變量是實(shí)驗(yàn)探究題的關(guān)鍵。無論初中還是高中生，都必須明確自變量、因變量、無關(guān)變量這幾個(gè)概念。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)能正確找到控制自變量的方法，以及因變量的檢測指標(biāo)和檢測方法。例如“探究光對鼠婦生活的影響”實(shí)驗(yàn)，需要先明確自變量是光，需控制變量設(shè)置，進(jìn)行有光、無光的對照實(shí)驗(yàn)；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(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的基本思路，也是初中生必須要達(dá)到的能力要求。而“無關(guān)變量”在初中實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中往往被一句“其他條件相同且適宜”籠統(tǒng)帶過，即使關(guān)注了無關(guān)變量，也僅要求到“生長狀況相同”“隨機(jī)等量分組”等這樣的層面。

高中科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)中明確自變量因變量依然是核心，但“無關(guān)變量”被更多地關(guān)注，設(shè)計(jì)成試題中的考查點(diǎn)，暴露學(xué)生在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)上的盲點(diǎn)。 例如2015年北京高考題第29 題（例1）將無關(guān)變量的考查體現(xiàn)得淋漓盡致。 當(dāng)年考生大多在最后一空不能完整地分析3 種無關(guān)變量而丟分。

例1，2015年北京高考題第29 題（3）：研究者設(shè)計(jì)了一種能與編碼酶A 的mRNA 互補(bǔ)結(jié)合的，含22 個(gè)核苷酸的RNA，它能進(jìn)入細(xì)胞促進(jìn)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(guān)腦區(qū)，引起酶A 含量明顯下降，D 鼠對藥物的依賴降低。 進(jìn)行本實(shí)驗(yàn)時(shí)，要同時(shí)進(jìn)行一個(gè)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(guān)腦區(qū)。 這段小RNA 的最佳設(shè)計(jì)為：與實(shí)驗(yàn)組使用的小RNA 相比，其核苷酸的a、c、f （多選，只填序號(hào)）。

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(guān)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(bǔ)結(jié)合的小RNA、 給藥方法 等因素對實(shí)驗(yàn)組結(jié)果無影響。

事實(shí)上，無關(guān)變量并非與本實(shí)驗(yàn)無關(guān)，反而是對實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)造成影響的其他因素，只是沒有作為本實(shí)驗(yàn)的研究對象而已。無關(guān)變量控制不好，直接關(guān)系到整個(gè)實(shí)驗(yàn)的成敗。 對無關(guān)變量的考查，體現(xiàn)了對實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)性、細(xì)致性的要求，對學(xué)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(guān)變量的判斷、控制是從初中到高中實(shí)驗(yàn)探究能力培養(yǎng)上需要搭建的一個(gè)梯度。

2 對照實(shí)驗(yàn)的類型

設(shè)置對照實(shí)驗(yàn)，是科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的幾個(gè)基本原則之一，初中實(shí)驗(yàn)探究題中最常見的命題類型就是設(shè)置對照實(shí)驗(yàn)，區(qū)分實(shí)驗(yàn)組和對照組。以2014年的一道中考試題為例。

例2，某中學(xué)生物興趣小組的學(xué)生在探究“饅頭在口腔中的變化”實(shí)驗(yàn)時(shí)，設(shè)計(jì)了如表所示的實(shí)驗(yàn)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(hào)和2 號(hào)2 支試管作對照實(shí)驗(yàn)，在2 號(hào)試管的A 處應(yīng)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(hào)和3 號(hào)2 支試管進(jìn)行對照實(shí)驗(yàn)，那么B 處的處理方法是不攪拌；1 號(hào)試管中加入碘液后溶液不變藍(lán)，原因是（略） 。

3）如果選用1、4、5 號(hào)試管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所探究的問題是溫度是否影響唾液消化淀粉。

本題設(shè)計(jì)了5 組處理，貌似比較復(fù)雜，事實(shí)上對照實(shí)驗(yàn)的類型還是單一的，只要找準(zhǔn)變量，2 組或3 組試管成為一組對照實(shí)驗(yàn)，考查的點(diǎn)依然是單一變量原則。 初中階段學(xué)生接觸到的對照實(shí)驗(yàn)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(guān)系。進(jìn)入高中階段后，學(xué)生陸續(xù)會(huì)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(fù)原”是自身對照；做還原糖鑒定實(shí)驗(yàn)時(shí)設(shè)置葡萄糖為對照組實(shí)質(zhì)是陽性對照；用二苯胺鑒定DNA 時(shí)設(shè)置的對照組是陰性對照……學(xué)生對于對照組的理解應(yīng)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(shí)驗(yàn)。 隨著高中生物學(xué)學(xué)習(xí)內(nèi)容的深入，實(shí)驗(yàn)研究的角度也會(huì)更加多元化，往往會(huì)根據(jù)不同的研究目的選擇不同的對照實(shí)驗(yàn)類型。 空白對照著眼于實(shí)驗(yàn)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(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中有3 個(gè)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(xì)胞進(jìn)行定向改造，制造出2 種人工胰島β 細(xì)胞： ①轉(zhuǎn)入與Ca2+敏感啟動(dòng)子結(jié)合的胰島素基因，得到H-β 細(xì)胞；②轉(zhuǎn)入由葡萄糖啟動(dòng)表達(dá)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(xì)胞。 科研人員用5組小鼠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(jí)理綜適應(yīng)性練習(xí)第31 題附圖

在初中階段，理解單一變量原則、對照實(shí)驗(yàn)的原則，應(yīng)是學(xué)生科學(xué)探究能力的基本功，應(yīng)在教學(xué)中認(rèn)真落實(shí)，夯實(shí)基礎(chǔ)，確保實(shí)驗(yàn)組對照組的設(shè)置、 變量的控制等基本功真正做扎實(shí)。 升入高中后，教師逐步加進(jìn)各種對照實(shí)驗(yàn)，還原真正科學(xué)研究多角度、多方向的狀態(tài)，學(xué)生才能循序漸進(jìn)地提升科學(xué)探究的能力。

3 對實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)的分析

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果的性質(zhì)進(jìn)行分類，實(shí)驗(yàn)可分為定性實(shí)驗(yàn)和定量實(shí)驗(yàn)。 定性實(shí)驗(yàn)通?；卮稹笆遣皇恰薄坝袥]有”的問題，結(jié)果和結(jié)論之間的邏輯關(guān)系、推理分析比較簡單。 初中階段的大多數(shù)實(shí)驗(yàn)屬于定性實(shí)驗(yàn)。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(lán)，未遮光的葉片用碘處理變藍(lán)，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(shí)驗(yàn)探究題在中考試題中比例加重，一些初中實(shí)驗(yàn)探究題在實(shí)驗(yàn)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(xué)生的思維能力和認(rèn)知水平，分析簡單的柱狀圖、曲線圖的變化趨勢并得出“促進(jìn)”“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(shí)驗(yàn)題中更常見的是定量實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生“利用數(shù)學(xué)方法處理、解釋數(shù)據(jù)”。 學(xué)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(diǎn)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(xué)基本原理基本概念作為支撐，也需要更強(qiáng)大的邏輯推理能力，說明自變量和因變量之間的邏輯關(guān)系，并用科學(xué)規(guī)范的語言進(jìn)行描述，有時(shí)還需要用歸納-演繹的理性思維構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，這是高中階段學(xué)生需要跨越的一個(gè)臺(tái)階。 例如，高中學(xué)生需要解讀縱坐標(biāo)因變量指標(biāo)所代表的生物學(xué)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(jìn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)作用是GA3單獨(dú)處理的 3.6（3） 倍、IAA 單獨(dú)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(guān)系。

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

4 實(shí)驗(yàn)情境的復(fù)雜性

從初中到高中學(xué)習(xí)內(nèi)容的變化來看，初中生物學(xué)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(gè)體水平，觀察和實(shí)驗(yàn)的對象一般是個(gè)體的生長發(fā)育狀況、生命現(xiàn)象的宏觀指標(biāo)等。一般一個(gè)實(shí)驗(yàn)解決一個(gè)問題，目標(biāo)明確、 指向清楚。 學(xué)生只需明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康模覝?zhǔn)變量，看懂實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)該問題不大。 高中生物學(xué)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(gè)體水平，有時(shí)還需要從細(xì)胞水平甚至分子水平設(shè)計(jì)多個(gè)實(shí)驗(yàn)，多層面、多角度對一個(gè)問題進(jìn)行研究（圖3）。有些實(shí)驗(yàn)需要考慮多種因素的綜合影響，可能一個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中會(huì)涉及多個(gè)變量、多種對照，更增加了實(shí)驗(yàn)情境的復(fù)雜性。因此，高中階段學(xué)生面臨的實(shí)驗(yàn)探究題情境更復(fù)雜，學(xué)生可能會(huì)在系列實(shí)驗(yàn)中迷失方向，理不清思路，忘記最初的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，甚至看不懂題目。這一類的實(shí)驗(yàn)探究題，對學(xué)生的綜合能力提出了較高的要求。

圖3 高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)題研究層次示意圖

綜上所述，初、高中學(xué)生在認(rèn)知水平、思維能力、知識(shí)儲(chǔ)備上本身存在著差別，科學(xué)探究能力的培養(yǎng)也應(yīng)循序漸進(jìn)梯度提升。 筆者認(rèn)為初中階段應(yīng)重點(diǎn)著力于幫助學(xué)生體會(huì)科學(xué)探究的一般過程，在簡單的問題情境中能理清變量，懂得設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的基本原則（單一變量、對照實(shí)驗(yàn)、平行重復(fù)等），能選擇恰當(dāng)?shù)墓ぞ邔?shí)施實(shí)驗(yàn)，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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(fù)雜性，鍛煉學(xué)生分析識(shí)別多種自變量，關(guān)注無關(guān)變量的控制，多組對照實(shí)驗(yàn)的分析推理，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方式的多樣化，科學(xué)規(guī)范化表達(dá)問題和結(jié)論等。從初中到高中，科學(xué)探究能力的培養(yǎng)有較大的提高空間，找到兩者的距離，設(shè)計(jì)符合初、高中學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的階梯，在恰當(dāng)?shù)碾A段開設(shè)適當(dāng)水平的科學(xué)探究活動(dòng)，才能真正有效提高學(xué)生的科學(xué)探究能力。而在命制試題時(shí)，應(yīng)體現(xiàn)不同年齡段的梯度差別，避免在高中命題時(shí)過于簡單，失去挑戰(zhàn)性、失去區(qū)分度；也應(yīng)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(diǎn)，設(shè)計(jì)適合各年齡段的試題，才能起到有效的評價(jià)作用，并對教學(xué)起到良好的導(dǎo)向作用。