刍议科学探究试题素材的来源、特征及处理策略

徐宏武

摘 要：科学探究是初中学生核心素养的基本组成，实验探究题是初中科学毕业升学考试中考查学生科学探究能力的重要题型，是衡量一份试卷质量高低的主要评价指标。初中科学教材上的探究、活动、阅读、读图、思考与讨论等栏目内容，生产常识、生活现象、科技作品的工作原理，学术论文、医学案例等文献资料，科学史实、重大发现和经典发明、教学实践创新成果等都是命制实验探究题的重要素材。

关键词：科学探究；实验探究题；素材来源

科学探究是《义务教育初中科学课程标准（2011年版）》主要的课程目标之一。科学探究不仅是一种教学方法，更是学生获取科学知识的一种基本方式。学生在科学探究过程中不仅可以亲身体验科学本质，还可以更深刻地理解科学知识，更好地掌握科学方法，有利于培养学生持之以恒、严谨认真的科学态度和不惧权威、敢于怀疑、勇于创新的科学精神，有助于发展学生的逻辑思维和批判性思维能力，从而更有效地提高科学素养。因此，考查学生科学探究能力高低的实验探究题，是浙江省初中科学毕业升学考试的重要题型。

一、实验探究题的内涵和作用

初中科学毕业升学考试中实验探究题主要用来考查科学探究过程中学生提出问题、作出假设、设计方案、实践探究、分析数据、得出结论和交流评价等方面的能力。优秀的实验探究题有利于引导初中科学教学的改革方向，有利于改变学生的学习方式和教师的教学模式，有利于培养学生的科学态度、科学精神和科学思维。因此，实验探究题从它“诞生”的那一刻起就受到教师、学生、家长和专家们的高度关注，对于一份承担毕业过关和升学选拔双重功能的毕业升学考试试卷来讲，实验探究题是其中最引人注意的“亮点题”和“明星题”，是衡量一份试卷质量优劣的重要评价内容；对于每一位渴望升入理想学校而走进考场的考生来说，实验探究题是最令他们重视的“拉分题”和“关键题”，是影响他们科学学科考分高低的重要试题类型。

二、实验探究题的素材来源、特征及处理

现代教育测量学认为，试题由刺激情境、测量目标和问题设置三部分组成，从实验探究题的功能定位分析，实验探究题相比其他题型，更需要具体的、恰当的问题情境。合适的素材是命制出优秀实验探究题的关键，通常情况下命题者可以从下述五个方面寻找、获取并处理实验探究题的命题素材。

（一）教材上的探究、活动、阅读、读图、思考与讨论等栏目内容

浙教版初中科学教材编写专家为了增加教材的可读性、趣味性，编写教材时设置了探究、活动、阅读、读图、思考与讨论等栏目，命题时选用这些材料，由于它们来自课本，对于所有参加考试的同学而言，这些材料都同时、同样拥有，理论上讲也都同样熟悉，所以教材素材具有公平性、适切性等特征，拥有任何其他资料都无法比拟的优点。因此，教材素材是命题者应该首先考虑的材料。

【例1】小叶同学在研究蚕豆叶片上、下表皮气孔密度（单位面积气孔数目）时，采用了以下三种方案进行实验。

方案一：用显微镜观察同一张蚕豆叶片的上、下表皮装片。

方案二：把新鲜的蚕豆叶片浸没在60℃左右的热水中（如图1所示），观察叶片两面的气泡数目。

方案三：在一株生长旺盛的蚕豆植株上选取一片蚕豆叶，用滤纸把它上、下表皮的水分吸干，將两张浸有氯化钴溶液的蓝色滤纸（遇水会变红）相对应地贴在叶片上、下表皮的表面，并用回形针将其固定，观察贴在叶片上、下表皮上的滤纸，哪一张先变色，哪一张的颜色深一些。

（1）采用方案 可以观察到叶片的保卫细胞。

（2）方案二中观察到_____________现象，说明叶片下表皮气孔密度比上表皮大。

（3）小叶采用方案三进行实验，贴上滤纸后经过较长时间，发现两张蓝色滤纸颜色都变为一样红。小叶同学认为蚕豆叶片上、下表皮气孔同样多，与方案二实验结论不一致。于是去问老师，老师询问了小叶的实验过程后，指出小叶用方案三所做实验的结论不可靠。

你认为老师这样判断的理由是____________。

【答案】（1）一

（2）下表皮气泡的数目比上表皮多

（3）实验时间过长导致两张滤纸都吸收了足够的水分

【素材处理】本题素材来自浙教版八下科学教材关于探究蚕豆叶片上下表皮气孔密度的实验，命题者对实验探究步骤进行了演绎改编，从“显微镜的功能”“实验现象的判断”和“实验方案的评价”三个方面设计问题，既让学生在探究过程中完成对核心知识的考查，又让学生再次体验教材实验的思想和方法。这种源于教材的实验探究题能引导科学教育的正确方向，引领师生回归教材、夯实基础、重视能力的发展。

（二）生产常识、生活现象，科技作品的工作原理

科学与生产、生活息息相关，科学、技术、社会和环境的关系是初中科学的重要内容，这些密切联系实际的材料，对于全体学生都具有新颖性、实用性等特征。因此，有关生活现象、生产常识、科技产品工作原理、绿色能源等素材，也是实验探究题命题者要收集和积累的重要材料。

【例2】听长辈说制作生拌菜不能添加黄瓜，难道黄瓜能使蔬菜中的营养素流失吗？

【查阅资料】

青椒等蔬菜中含有大量的维生素C，且维生素C能使蓝色的淀粉碘溶液褪色。

【实验操作】

步骤一：淀粉碘溶液配制：取1g淀粉，加入100mL水，搅拌均匀，再加入1mL碘酒溶液。

步骤二：分别榨取新鲜黄瓜汁与青椒汁。各取20mL青椒汁分别倒入A、B两锥形瓶中，再分别加入黄瓜汁、蒸馏水各40mL混匀，放置60min，中间每隔10min搅拌一次。

步骤三：取等量蓝色淀粉碘溶液分别装入两个烧杯，分别倒入A、B两溶液，搅拌均匀，静置观察。

【现象记录】

[实验操作 实验现象 淀粉碘溶液+青椒和黄瓜混合汁 蓝色不消褪 淀粉碘溶液+青椒汁和蒸馏水 蓝色褪去 ]

根据上述实验过程回答下列问题：

（1）科学实验需要控制变量。下列情况会影响测定结果的是 。

A.混合液放置时间不同

B.被测物质的体积不同

C.锥形瓶的大小不同

（2）在步骤二中每隔10min搅拌一次，其目的是 。

（3）能证实黄瓜汁把维生素C分解了的实验现象是 。

（4）请指出该实验存在的缺陷： 。

【答案】（1）A、B

（2）使混合液充分接触，加快反应速度（加快反应速度、混合均匀）

（3）蓝色不消褪

（4）样本过于单一；没有重复实验等

【素材处理】本题素材来自于常见的生活现象，材料鲜活真实，体现了新课程的基本理念。命题者立足于“黄瓜能否使蔬菜中的营养素流失”这个话题，通过比较完整的实验过程，结合具体情景从“控制变量法”“实验操作的目的”“证据的收集”和“对观察和策略的精确性作出评价”四个方面设置试题，考查学生的科学思维、交流评价等能力。试题把知识的落脚点投放在现实的问题情境之中，让“科学的生活，生活的科学”这一理念渗透到学生的思想中，促进学生认识到科学无处不在，引导学生关注生活，并从中发现科学问题。

（三）学术论文、医学案例等文献资料

关注人口、环境、资源、生物多样性等话题的学术论文，标志医学进步的典型案例，都具有科学性、典型性、时代性等特征，是编制实验探究题良好的素材。节选各类科学学术论文信息，或典型医学案例材料等，进行适当删减改编是编制实验探究题的一种常见方法。

【例3】19世纪中叶，欧洲产妇在医院分娩的死亡率比在家中分娩高很多。塞曼尔维斯偶然发现，一位医生在解剖尸体时割伤手指，不久就死亡，其症状与产妇死亡一样。他猜测产妇尸体中有一种“尸体物质”，可能经医生的手或手术器具进入分娩产妇体内。经观察试验，了解到以下信息：

A.医院对手术器具不消毒，医生在手术和解剖尸体时不戴手套。

B.维也纳总医院的第一妇产科医生解剖尸体后常直接从解剖室去帮助产妇分娩，第二妇产科医生无需解剖尸体。

C.塞曼尔维斯要求对手术器械进行消毒，助产医生在进病房之前用氯水消毒液清洗双手。

D.调查实验部分结果记录如下。

请回答：

（1）下列物质或生物中，不是塞曼尔维斯医生认为的“尸体物质”是 。

A.病毒 B.细菌 C.真菌 D.水

（2）分析维也纳总医院产妇死亡率统计表，可以得出的结论是 。

（3）综合分析塞曼尔维斯收集的信息，你认为导致产妇在医院分娩死亡率比在家中高的原因是 。

【答案】（1）D

（2）用氯水消毒能降低产妇的死亡率

（3）医院产妇接触尸体物质的概率比在家高

【素材处理】本题材料来自医学类论文，以真实医学案例为素材，信息承接历史，体现医学进步，命题者选取“19世纪中叶，欧洲产妇在医院分娩的死亡率比在家中分娩高很多”这个历史事件，并针对该问题研究的真实情境中重点选取了“作出猜测”“分析数据得出结论”和“综合分析能力”三个方面设置问题，考查学生的各种能力，尤其是第（3）小题要求解释异常医学现象，切中本题核心，需较强的综合分析能力，以及变量控制思想。题目材料数据真实、可靠，对每位学生来说都具有新颖性、科学性和真实性，是学业水平考试的优秀背景材料。

（四）科学史实、重大发现和经典发明

一部由“正确”与“错误”交织书写的科学史，汇集科学家研究中所采用的研究方式、思维方法和智慧结晶。科学史不仅呈现了相关科学知识的发现过程，更蕴含着科学探究方法、思维方式等科学教育的重要元素，能帮助学生理解科学本质，领悟科学的批判性和统一性，是提升学生科学素养的重要资源。科学史实、重大发现、经典发明等材料具有过程性、事实性、思维性等特征，它们都是现今初中科学毕业升学试题中考查学生探究能力、体现科学本质试题的重要素材来源。

【例4】材料一：1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了通电导体周围存在磁场。

材料二：1825年，瑞士物理学家科拉顿做了如下实验：他将一个能反映微小变化的电流表，通过导线与螺旋线圈串联成闭合电路，并将螺旋线圈和电流表分别放置在两个相连的房间，如图2。他将一个条形磁铁插入螺旋线圈内，同时跑到另一个房间里，观察电流表的指针是否偏转。进行多次实验，他都没有发现电流表指针发生偏转。

材料三：1831年，英國物理学家法拉第用闭合电路的一部分导体，在磁场里切割磁感线的时候，发现导体中产生电流，从而实现了利用磁场获得电流的愿望。

（1）进行奥斯特实验时，在静止的小磁针上方，分别用甲和乙两种方式放置一根导线。当导线通电时，小磁针发生明显偏转的是 （选填“甲”或“乙”）。

（2）科拉顿、法拉第等物理学家相继进行如材料所说的实验研究，是基于 的科学猜想。

（3）科拉顿的实验中， （选填“已经”或“没有”）满足产生感应电流的条件。要使他能观察到电流表指针偏转，你提出的一种改进方法是 。

【答案】（1）甲

（2）磁能产生电

（3）已经将电流表等器材置于同一房间内

【素材处理】本题以“电与磁”科学研究史中的三个典型事件为素材，第（1）小题命题者对教材上奥斯特实验进行了延伸考核设置考题，第（2）、（3）小题命题者从“实验的设计与改进”、“科学猜想能力”两个角度设置问题，考查电与磁、科学探究的基础知识，同时引导学生建立科学发展的基本特点是其科学知识、科学理论和科学方法的历史继承和发展的观点。试题以科学家对“磁生电”的研究情景的设置具有教育意义，问题设置时又能做到落点很低，高高举起，轻轻落下。由于试题具有上述优点，所以本题不仅对今后教学有积极的引导作用，而且本题通过磁生电的发现历程，让学生进一步体会科学不是哪一个时代的产物，而是历史的积累和发展的结果，是人们认识自然的一个去粗取精、去伪存真、由表及里、由此及彼的过程，逐步发展成系统的科学知识。

（五）教学实践创新成果

课堂不仅是教师为学生传授知识的场所，更是教师践行自己教育理想、落实教学理念、创新教学方法的天堂，教师的许多教学尝试、教学收获都是原创实验探究题的第一手资料，现有的许多优秀实验探究题的素材就来自于教师的教学实践创新成果，可以毫不夸張地说，教学实践是实验探究试题素材的不竭源泉。教学实践创新成果往往具有原创性、新颖性和公平性等特征。命题者使用这些材料命制试题时，要特别注意试题的科学性和规范性，严防错误的出现。

【例5】小峰和小刚阅读试剂标签后发现，市场销售的高锰酸钾晶体纯度高达99.5%，含水量可以忽略不计。为探究“试管放置方式对高锰酸钾制取氧气速度和体积的影响”，他俩设计了制取氧气的直立型装置（如图3），并与斜卧型装置比较，在气密性良好的装置中分别加入5.0g高锰酸钾晶体，用同一酒精灯分别加热，用同一型号的集气瓶收集气体，每组实验进行五次，实验数据取平均值后记录如下：

（1）收集2瓶氧气，所需时间较短的装置类型是 。

（2）等质量的高锰酸钾加热到不再产生气体，斜卧型装置收集到氧气的总体积比直立型少的原因是 。

（3）根据2KMnO4[=][△]K2MnO4+ MnO2 +O2↑，算出5.0g高锰酸钾生成的氧气体积（理论值）。

实验中发现，斜卧型发生装置收集到的氧气体积明显大于理论值，他们对其原因进行了探究：

【提出假设】

小峰假设：反应生成的二氧化锰在较高温度下受热分解放出氧气。

你的假设： 。

【设计实验】要验证小峰的假设能否成立，请设计简明的实验方案 。

【答案】（1）直立型

（2）斜卧型装置中的固体被气流带到试管口（或棉花团）附近更多，未完全反应的更多，所以收集到的氧气较少

（3）计算结果略。反应生成的锰酸钾在较高温度下受热分解放出氧气（或反应生成的二氧化锰和锰酸钾在较高温度下受热分解放出氧气）。取一定量的二氧化锰于试管中，加热一段时间，若冷却后测得二氧化锰的质量不变，证明小峰的假设不成立，否则假设成立（或取一定量的二氧化锰于试管中，加热一段时间，若不能使带火星的木条复燃，证明小峰的假设不成立，否则假设成立）

【素材处理】本题以利用加热高锰酸钾固体制取氧气创新实验为素材，根据教学中发现的“试管放置方式对高锰酸钾制取氧气速度和体积的影响”不同现象，通过创新实验设计问题考查学生的假设能力、方案设计能力、综合分析能力。教师教学创新成果这类素材具有很大的灵活性，可以要求学生回答实验要解决的问题、实验中的变量控制、数据的读取与分析解释等，与学生做过的实验相比，这类创新实验能够有效避免学生的简单机械记忆，将试题考查引向更深层次的高阶思维。

三、结语

编制实验探究题的素材来源远远不止上述五个方面，好的试题素材应具有新颖性、科学性、原创性、适切性、公平性等特征。好素材是好试题的基础，但仅仅有好素材，还不一定就能打造出好试题，因为从素材到试题，还要完成材料的选择、整理、加工、打磨等系列化程序，而且其中的任何一个环节都是高水平命题者必须具备的、缺一不可的核心能力。