初中生物实验探究题的命题设问技术

蔡呈腾

初中生物实验探究题作为初中毕业生学业考试的四大题型之一，在重视考查学生的基础知识和基本技能掌握情况的同时，注重考查学生提出科学问题，进行猜想与假设，制订探究方案，获取事实与证据，解释、检验与评价，表达与交流等科学探究能力，考查观察、比较、分类、应用数学、测量、预测、推论、形成操作性定义、解释数据、控制变量、实验等科学探究的过程技能。初中生物实验探究题正是考查科学探究能力和探究过程技能最好的测量工具之一。

一道试题都要包含测量目标、刺激情境及设问（应答）3个维度，此即试题的三要素。命题的设问科学与否，是能否精准达成测量目标的最重要的外在载体，设问就是为达成测量目标服务的。为了达成考查诸多实验探究能力与探究过程技能的测量目标，命题者应立足于生物实验的刺激情境特征，挖掘出符合考查学生探究能力和过探究程技能的设问。

下面以植物蒸腾作用的探究实验为试题的刺激情境，以科学探究能力和探究过程技能为测量目标，略谈命题设问的技术。

浙教版初中科学八年级下册教材中关于蒸腾作用的教学配置了如下的“活动”：

1.选取一盆正处于生长旺盛期的阔叶植物（如天竺葵等）

2.用一透明塑料袋把几片邻近的叶片包扎起来。

3.对该植物浇水后，置于阳光下照射。

4.观察塑料袋内有没有水珠产生。如果没有水珠产生，请把植物搬到室内使用快速冷却，再观察塑料袋上有没有水珠：______。这说明______。

基于教材中的“活动”，选择探究植物蒸腾作用的实验作为刺激情境，命制一道实验探究题。试题情境如下：

为研究植物的蒸腾作用，小明做了如图1所示的实验：

①取长势、叶片大小、数量相同的3条同种植物的枝条，分别编号A、B、C。

②将B枝条每片叶子的下表皮涂上凡士林，将c枝条每片叶子的上、下表皮都涂上凡士林（凡士林能封闭气孔，阻止植物与外界之间的HO、O₂、CO₂等气体的交换），A枝条不作处理。

③将3条枝条分别置于装有等量清水的3个锥形瓶中，并分别加入等量的油形成油层。

④将3个锥形瓶分别放置于三个大小相同的钟罩内，钟罩内壁贴足量、等质量的硅胶干燥胶片，用以完全吸收钟罩内空气中的水蒸气。

⑤将三个装置置于同一强度的阳光下相同时间后，分别称量锥形瓶中水的质量和硅胶干燥胶片的质量。

1明确实验变量，围绕变量进行设问

与教材“活动”目的不同，作为实验探究题的刺激情境，为考查一定实验探究能力和探究过程技能，需要把教材“活动”只需要说明“植物进行了蒸腾作用”改为“植物的蒸腾作用快慢与什么因素有关”。为此，对实验进行变量的确定。

影响植物蒸腾作用快慢的因素有哪些？总体说来，就是植物本身特征和外界环境两个因素：

①植物本身。植物本身包括植物种类、生长态势、叶片大小和数目等。生长在不同干湿环境中的植物，蒸腾作用的快慢是不同的。一般，生长在潮湿环境中植物的蒸腾作用旺盛，如教材建议选择进行的实验种类是天竺葵、海桐、梧桐等带叶片的枝条。

②环境因素。影响植物叶片进行蒸腾作用的环境因素主要有光照强度、环境温度、环境湿度、通风情况等。从影响水份蒸发快慢的角度来分析，这些因素对叶片蒸腾作用影响都非常大。

综合分析影响植物蒸腾作用快慢的因素，本实验选择植物本身这个因素进行探究。但植物本身作为实验的自变量，范畴还是太过宽泛，容易造成难以控制无关变量的情况，从而干扰了实验的结果，或者在实验控制变量操作中不严谨，造成错误的实验结果。所以，最终本实验在实验步骤①“取长势、叶片大小、数量相同的3条同种植物的枝条”，再通过凡士林处理气孔，从而研究植物蒸腾作用与气孔数量的关系。

在提出科学问题，进行猜想与假设，制订探究方案，获取事实与证据，形成结论，解释、检验与评价等实验探究能力中，提出科学问题、进行猜想与假设、形成结论等3个实验探究能力的测量目标是一致的，都需要通过对实验方案的分析，寻找哪个自变量影响了因变量；自变量与因变量有什么关系（提出科学问题）；实验是基于哪个自变量会影响因变量而设计的（进行猜想与假设）；自变量与因变量存在具体的关系（形成结论）。

本实验的设问如下：

（1）小明研究的问题是____________。

（2）小明设计如上的实验方案是基于______的猜想与假设。

（3）小明通过实验得到的结论是______。

参考答案：

（1）植物蒸腾作用速率与气孔数量的关系。

（2）气孔数量会影响植物蒸腾作用速率

（3）在植物种类、环境等相同的情况下，气孔数量越多，植物蒸腾作用速率越快。

选择气孔数量为自变量，不代表其他变量不重要。在其他测量目标的考查上，或者对其他问题进行设问时，就必须综合考虑其他变量对实验结果的影响。

2设置对照实验，围绕对照进行设问

逻辑实证推理的一个基本要点就是通过对照实验获取事实与证据。对照实验包括实验组和对照组。一般说来，实验组需要实验者对实验对象进行一定的处理，而对照组是没有经过处理的。对实验对象进行处理设置實验组，根据实验对照的需要可以设一组，也可以设两组或两组以上的对照组。

本实例为了研究气孔数量对植物蒸腾作用速率的影响，选择“长势、叶片大小、数量相同的3条同种植物的枝条，分别编号A、B、C”进行对照实验，其中“将B枝条每片叶子的下表皮涂上凡士林，将C枝条每片叶子的上、下表皮都涂上凡士林，A枝条不作处理”，目的就是使A枝条为实验组，其它两组为对照组。

围绕对照实验进行设问，本实验的问题设置如下：

小明设置的实验方案中，实验组是____，对照组是______。

参考答案：BC；A。

实验用凡士林来涂在叶片表皮堵塞气孔，确实达到了控制不同的气孔数量进行蒸腾作用的目的。但这种处理方法却给实验控制变量带来了“负面”效果。这种负面效果是实验者处理控制变量时需要特别认真权衡的。当然，从命题的角度来看，正是这种以控制变量为目的的实验操作，给实验带来了“负面”效果，为命题提供了丰富的设问素材。

3确定操作定义，围绕转换进行设问

操作性定义是指说明如何观察或测量某一现象、事物或结构所需要的实验操作。为什么需要确定操作定义？本实验研究的“植物蒸腾作用速率”是无法直接观察的因变量，这就需要实验者对实验方案下操作性定义，即将无法直接测量、观察的抽象实验变量转换为可以操作、观察的对象。

一般说来，判断某一个定义是不是属于操作性定义，有两个标准：

①在这个定义里，要描述需要“操作什么”，也就是需要“做什么”；

②在这个定义里，要描述需“观察测量什么”。

本实验步骤④分别在“3个锥形瓶分别放置于三个大小相同的钟罩内，钟罩内壁贴足量、等质量的硅胶干燥胶片，用以完全吸收钟罩内空气中的水蒸气”。也就是说，本实验对植物蒸腾作用速率的判断，是通过操作在相同时间内实验前后“硅胶干燥胶片”的质量变化来实现的。因为植物蒸腾作用速率越大，相同时间内“硅胶干燥胶片”能吸尽钟罩内的水蒸气，即“硅胶干燥胶片”质量变大是由于植物蒸腾作用散失的水蒸气造成的，所以它能反映植物蒸腾作用的速率。

围绕确定操作定义进行设问，本实验的设置如下问题：

本实验通过观察测量____来反映植物蒸腾作用速率。

4应用数据解释，围绕数据进行设计

应用数据解释实验现象，或者应用数据获取事实与证据，从而形成结论，这是非常基本而重要的科学探究能力。处理和解释数据的能力就是将各科学探究过程所收集的各种资料，加以整理、分析、研判并解释的过程。本实验涉及的实验数据主要包括枝条吸水的质量、植物自身质量的变化、植物蒸腾作用蒸发出来的水蒸气的质量等。由于植物自身质量的变化不仅仅是由蒸腾作用吸水失水造成的，还包括植物吸收无机盐，植物进行光合作用利用水和二氧化碳合成有机物，植物呼吸作用分解有机物等。所以，为了精减实验数据，减少无关因素对实验的干扰，实验设计方案中只选取了枝条吸水质量（锥形瓶中水量的减少）和植物蒸腾作用蒸发出来的水蒸气的质量。

列出数据如下：

小明通过实验测得数据见表1。

围绕这个实验数据表，可以进行如下的设问：

（1）为了解释“在相同条件下，气孔数目越多，植物蒸腾作用速率越快”这个结论，就可以设置如下的问题：

比较a₁、a₂、a（或m₁、m₂、m）的大小关系。

（2）为了解释“正常情况下植物吸收的水份有99%用于蒸腾作用”，可设置如下问题：

若要证明植物A吸收的水分有99%用于蒸腾作用，则×100%=99%。（用表格中字母表示）

（3）上述仅仅是对植物A的数据进行处理和解释，表格提供的三组数据还可以横向比较，如要对叶片上、下表皮气孔的数量进行比较，可设置问题如下：

请利用表中数据的关系式来说明，该植物叶片下表皮的气孔数目多于上表皮

。

参考答案：（1）a₁2

（1）小明通过表格数据发现，如果m₁-m₂>m₂-m成立，说明该植物叶片下表皮气孔数目大于上表皮。老师认为，这样的推理还不合理，理由是——。

（2）小明通过表格数据发现，如果m₁-m₂>m₂-m成立，说明该植物叶片下表皮气孔数目大于上表皮。老师认为，要使小明的结论合理，需要一个前提条件，即______。

参考答案：（1）上、下表皮每个气孔蒸腾作用速率不一定相同（A植物每个气孔蒸腾作用的速率与B植物不一定相同或每个气孔蒸腾作用速率不一定完全相同）（2）上、下表皮每个气孔的蒸腾作用速率相同。

如上两个问题测量目标是一致的，只是设问形式稍有不同而已，所以应答也基本一致。测量目标的关键点就是在于推理是否合理，而推理的合理性就在于对整个实验的综合分析，特别是对变量的辨析。以上两个设问的测量目标着眼的还是对下操作性定义的合理性提出质疑，即气孔数目多少能否代表蒸腾作用被硅胶干燥胶片吸收的水量。当然，这种下操作性定义的科学性，与下操作性定义确定的前提条件有关。此题的前提就是上、下表皮每个气孔平均蒸腾作用速率是一致的。

仔细分析发现，这个前提是不成立的。这也就有了对整个实验方案的再反思和评价的素材，这一点可以作为评价实验过程提供命题情境。

6评价过程合理，围绕评价进行设问

对实验进行评价的内容大致包括：对探究过程和证据获得方式、方法、过程作出合适的评价，如实验获得了反常的结果和证据，能够说明它的不可靠性；对观察和测量的精确性作出评价，能提出增加证据可靠性或获得进一步证据的相关探究的具体改进建议等。

综观3个对比实验，在控制气孔数量不同时，必须保证其他影响蒸腾作用速率的因素都相同。如上分析，影响植物蒸腾作用速率的因素有植物本身的原因（内因）和外部环境的原因（外因），从实验方案上整体分析，外界影响植物蒸腾作用速率的因素已全部控制相同，唯一影响的是由于用凡士林堵塞气孔，阻止了水蒸气的蒸腾作用，但同时也影响了植物体通过气孔与外界环境之间的O₂、CO₂等气体的交换。为了考查这个点，避免学生不清楚气孔也是O₂、CO₂等气体交换的通道，在实验步骤②中特意用括号说明的方式指出了这一点。

基于此分析，设置了如下的问题：

此实验在控制无关变量上还存在缺陷，请写出一条没有控制相同的无关变量____。

参考答案：光合作用（或呼吸作用、植物生命活动强度）（其他合理答案也给分）

此问题正是基于B、C枝条气孔被不同程序的堵塞，不断影响了植物的蒸腾作用速率，同时也影响了O₂、CO₂等气体的交换，从而影响了植物进行光合作用和呼吸作用的强度，这样，A、B、C三组实验的植物的生命活动强度不同，也会影响着植物的蒸腾作用的速率。

一个探究性实验就是一个综合的大项目，其内含的科學探究能力和探究过程技能是多元的、复杂的。基于实验探究题的命题，测量目标在于科学探究能力和探究过程技能，并以明确实验变量、设置对照实验、确定操作定义、应用数据解释、逻辑推理适洽、评价过程合理等6个角度去挖掘、设置问题，这就是实验探究题命题设问的技术。