基于简单示例 提高学生实验探究能力

贵州 付忠义 李应查

不论是从《普通高中生物学课程标准（2017 年版）》中，还是从2019 年《普通高等学校招生全国统一考试大纲》及历年高考真题中，都不难看出新时代教育对学生能力的要求逐渐提高，尤其是“实验与探究能力”。而且在学科核心素养中，明确提出了科学探究的要求，但具体落实到学科教学层面，主要还是对实验探究的教学要求。

实验教学的内容不仅包括实验操作，在科学合理的实验探究中，“实验操作”固然重要，但实验的成功还依赖于科学的实验设计和结果分析。因此，教师在实验教学中应从多角度提高学生的综合实验能力，同时又要进行分层次教学，从一些简单示例的分析开始，逐步突破实验教学的难点问题，提升学生科学思维和科学探究的学科核心素养，更是提高实验教学质量的有效途径。

一、分析简单图文示例，提高实验探究能力

近年来，随着对实验探究能力重视程度的提高，高考中也经常遇到与实验探究有关的试题。常见类型有①判断自变量、因变量、无关变量；②分析自变量或无关变量对因变量的影响；③设计实验思路，作出实验预期及结论等。教师在平时的教学过程中可通过引导学生分析试题的图文信息，提高学生的科学思维能力，并有意识地指导学生进行独立思考，从而提高学生的实验探究能力。

1.判断变量

判断变量是解答“科学探究类”试题的必经之路，对于一个具体的探究过程，必须先明确自变量和因变量，并且分析出无关变量。通过分析已有实验素材的变量，可以在科学思维层次上更好地培养学生分析和解决问题的能力，同时使学生能在实验设计中学会如何使用控制变量法，为实验设计的科学性奠定坚实的基础。教师还要注意引导学生熟悉常见的信息呈现方式：（1）文字信息；（2）表格信息；（3）图形信息，并能针对不同类型的信息呈现方式，采用不同的思考方式进行分析。

（1）文字类信息中的变量分析

文字类信息是试题最常见的表述方式，通过对文字信息的分析，能够清晰地体验文字信息题是如何表达自变量与因变量之间的关系和如何严格地控制无关变量，对提高学生的语言表达能力和分析能力有显著作用。

如2018 年全国卷Ⅱ第29 题的题干“为研究垂体对机体生长发育的作用，某同学用垂体切除法进行实验。……以体重变化作为生长发育的检测指标”。从文字叙述上分析“A 对B 的作用（或影响）”表明“B 可能随A 的变化而变化”，所以A 属于自变量，B 属于因变量。上述实验中自变量为“是否切除垂体”，因变量为“机体的生长发育情况（体重变化）”。除了“是否切除垂体”以外，还有很多因素会对机体的生长发育产生影响，比如“食物类型、饲喂量、饲养环境”等，尤其需要注意实验组的动物通过手术切除了垂体，这项操作产生了两个变量：手术（无关变量）和切除甲状腺（自变量）。因此，为了排除是手术产生的影响，对照组的动物也需要进行手术，与之不同的是不切除甲状腺。通过示例分析，加强学生对无关变量和单一变量原则的理解和掌握。再如，2018 年全国卷Ⅰ第31 题中，“为探究不同因素对尿量的影响，某同学用麻醉后的实验兔进行不同的实验，实验内容如下：a.记录实验兔的尿量（单位：滴/分钟）。b.耳缘静脉注射垂体提取液0.5 mL，记录尿量。c.待尿量恢复后，耳缘静脉注射20%葡萄糖溶液15 mL，记录尿量。取尿液做尿糖定性实验。”分析上述题干可以看出，自变量为“不同因素”，因变量为“尿量”。而从实验内容可以看出，“不同因素”具体是指“注射垂体提取液或20%葡萄糖溶液”，除此以外的其他因素（如温度、环境、亮度等）属于无关变量。通过示例分析，提高学生对实验变量进行分析和表达的能力。

（2）表格类信息中的变量分析

表格类信息的呈现方式更加直观，一般表格信息有两大类型的呈现方式：a.呈现实验操作过程；b.呈现实验操作过程及结果。不论是以哪种类型呈现的表格，其文字量都比单纯的文字描述类试题字数少很多，在字数减少的同时使主要内容更易于凸显出来，但也增大了结论表达的难度。通过对这类试题的分析训练，能更好地提高学生的归纳与概括能力、表达能力及其科学思维层次。

如2019 年全国卷Ⅲ第30 题中的表格如表1：

表1

结合题干和设问信息可知，因变量为“是否产生再次免疫应答”，而表1 中的操作差异就是引起因变量差异的因素，从表1 中可以看出A 组与B 组形成对照，C 组与D 组形成对照，同时，A、B 组的结论可以与C、D 组的结论进行对比。由此可以看出，自变量为“注射抗原的类型和顺序”。通过示例分析，可提高学生信息获取能力和语言表达能力，并提高学生实验设计的合理性。再如，2018 年江苏卷第32 题中的（5）获得工程菌表达的α-淀粉酶后，为探究影响酶活性的因素，以浓度为1%的可溶性淀粉为底物测定酶活性，结果如表2：

表2

根据上述实验结果，初步判断该α-淀粉酶活性最高的条件为___________________________________________________________。

解答此类题型，依照“结果不同找不同（操作）”的原则即可。即结果（酶相对活性）为因变量，导致酶相对活性差异的因素（pH、缓冲液类型）为自变量。从表2 可以看出，缓冲液相同、pH 不同时酶相对活性不同，pH 相同、缓冲液不同时酶相对活性也不同，所以缓冲液类型和pH 都属于影响酶相对活性的因素，因此，解题时先找到酶相对活性的最大值，再找到对应的pH 和缓冲液类型即可。通过示例分析，可提高学生获取信息的能力和分析问题的能力，尤其可以提高学生对实验结果记录表的设计能力。

（3）图形类信息中的变量分析

图形类信息相对文字类信息和表格类信息能更加直观地体现出自变量和因变量的关系，但难点是一般无法从图形中直接看出无关变量，这类信息往往用来描述实验结果和结论。通过分析图形，能更好地理解自变量与因变量之间的关系，增强图文转化能力；同时能提高学生对实验数据的分析、处理能力，为得出正确的实验结论提供保障。

如2018 年全国卷Ⅰ第30 题的题图，如图1：

图1

由图1 可知，在一定范围内，净光合速率随光照强度的改变而改变，这种变化存在植物种类的差异性。所以，因变量是“净光合速率”，而自变量是“光照强度和植物种类”。通过示例分析，可提高学生图文转化能力、分析能力、表达能力，并有助于学生丰富实验结果和结论的表达方式。

2.变量之间的关系

分析实验变量之间的关系对学生科学思维和科学探究素养均有较大的提升作用。分析无关变量、自变量和因变量之间的关系，可以提高实验方案的科学性与准确性；分析自变量与因变量之间的关系是处理实验结果、得出实验结论的重要前提。

如2019 年海南卷第27 题部分节选：“在适宜条件下，测得的某植物根细胞对a、b 两种物质的吸收速率与外界溶液中这两种物质浓度的关系如图2 所示（a、b 两条曲线分别代表植物根细胞对不同浓度a、b 两种物质的吸收速率）”

图2

（2）实验结果表明：当外界溶液中b 的浓度达到一定数值时，再增加b 的浓度，根细胞对b 的吸收速率不再增加。可能的原因是__________________________________。

分析以上材料可知，因变量是“吸收速率”，自变量是“物质种类和物质浓度”，即同一浓度、不同物质的吸收速率可能有差异；同一物质、不同浓度的吸收速率也可能有差异，并且可以看出两种物质的吸收速率与浓度的变化关系不同。物质a 的吸收速率与物质浓度呈正相关，即随着物质浓度的增大，物质吸收速率逐渐增大；而物质b 的吸收速率在一定范围内随物质浓度增大而增大，到达某一点后不再增加。从物质跨膜运输的角度分析，两种物质的跨膜运输方式不同，物质a 的运输只与浓度有关，而物质b 的运输不仅受浓度的影响，还受到其他因素的限制。可判断物质a 的跨膜运输方式为自由扩散，物质b 的跨膜运输方式为协助扩散，由于受载体蛋白数量的限制，当载体蛋白应用量饱和时，物质吸收速率不再随浓度的增大而增大。通过示例分析，可提高学生对变量的分析能力，学会判断无关变量，并正确分析自变量和因变量的关系。

3.实验思路、预期结果及结论

此类问题已经成为现在出题形式的“新宠儿”，以2019 年高考为例，仅全国卷和海南卷就出现四次这种类型的设问：如2019 年全国卷Ⅰ第29 题、2019 年全国卷Ⅲ第29 题和32 题、2019 年海南卷第27 题。通过前期的变量分析、作出假设，对实验的目的有了宏观的掌握，然后需要设计和实施实验方案。设计方案之前先要构思出成熟的实验思路，这个过程是对前面变量分析的一个综合应用，能综合体现学生的科学素养。对教学而言，一方面可以提高学生实验探究的成功率，另一方面也是应对考试、检测科学素养的必要途径。

二、尝试完成实验探究，体验完整科研过程

科学探究是理论分析和实践操作相结合的一个完整过程，二者缺一不可。通过示例分析可以提升学生科学思维、科学探究等科学素养，但实验探究能力的全面提高还需要在实践中实现。通过对简单易行、成功率高的科学实验进行探究，能更有效、更全面地促进学生实验探究能力的发展。

1.合理选择课题，奠定成功基石

观察现象并提出有研究价值的科学问题，是实验探究中最重要的能力之一。作为提升综合实验能力的探究课题，首先，要贴近生活又贴近教学，让生活与学习相协调统一；其次，要求课题的可操作性强，有充分的实验资源，简单易行，学生能独立完成，并从中体验到科学探究的全过程。满足以上要求的实验课题，需要教师从教学内容中提炼，也可以选择源于生活的内容，但最好不是教材上已设计好的实验。

2.科学设计实验，提升综合能力

科学合理的实验设计是学生科学思维能力的体现，是科学探究能力的要求，更是实验成功的基础。实验设计必需考虑到科学探究的主要步骤：观察并提出问题——作出假设——设计方案——实施方案——结果分析——得出结论——表达与交流等。同时必须遵循科学探究的几项基本原则：科学性原则、对照原则、单一变量原则、可重复性原则等。下文结合一简单示例详述科学设计实验的过程。

（1）根据经验，结合课题作出合理的假设及分析

课题为“探究小麦幼苗的生长是否需要钾元素”，根据课题可以从两个角度进行假设，即结果有两种可能性：需要或者不需要。那“需要”或“不需要”会有什么样的差异呢？如果小麦生长需要钾元素，则缺钾就不能正常生长；如果小麦生长不需要钾元素，则缺钾就不影响小麦的正常生长。所以，实验设计需要围绕缺钾时小麦是否能够正常生长来展开，并通过观察和分析实验现象对小麦生长是否需要钾元素做出进一步判断。

（2）遵循探究原则，合理设计方案

根据假设及分析可知，若要完成课题探究的内容则需要证明缺钾时小麦是否能正常生长。而如何判断小麦的生长是否正常，需要有对比的对象，并且对比的对象应该是正常的，两个对比之间除“是否含钾”以外，其他条件应该完全相同，即遵循对照原则和单一变量原则。

设计方案如下：

①培养小麦幼苗若干株备用，配制缺钾培养液和全素培养液备用；

②取生活状态相同的小麦幼苗30 株分成A、B 两组，每组15 株；

③A 组用缺钾培养液培养，B 组用相同浓度且等量的全素培养液培养；

④将以上两组小麦幼苗置于通风、温暖、散射光的同一环境中培养；

⑤每天注意统计各组小麦幼苗的生长状况（包括生根数、根长、茎叶长、茎叶颜色等），各组每项指标均计算组内植株的平均值；

⑥分析实验结果，通过各项指标的对比，得出合理的结论；

⑦撰写实验报告，并与其他小组交流，修改和完善实验方案，进行二次实验。

（3）对以上设计的必要说明

本实验探究的是“缺钾”时小麦的生长状况，即自变量是“是否含钾元素”，因变量是“小麦幼苗的生长状况”，其他影响小麦生长的因素均为无关变量。根据“无关变量应相同且适宜”的原则，实验设计时要保证所有无关变量“相同”“等量”等，如“生活状态相同”“相同浓度且等量”“同一环境”等。实验设计时还要遵循平行可重复原则，即避免偶然因素，所以每组实验选取15 株幼苗，并且需要设计二次实验。

（4）设计结果记录表是实验探究的必备能力

根据需要，合理地设计结果记录表，使数据收集更规范的同时也能提高数据处理的效率。根据以上实验设计，结果记录表设计如表3。

表3

3.精确完成实验，验证实验假设

“提出问题——作出假设——设计方案”是一个思维过程，但是要想真正得出科学合理的结论，实验操作和数据分析是必不可少的环节，只有准确无误地完成这两个环节才能对假设进行有效的验证。

（1）实践操作，提升实验动手能力

正确的实践操作是实验成功的基本要求。按照设计的方案，准确无误地进行实验，并记录好所需数据。要想提高实验操作能力，必需以亲自动手为前提，否则再充分的理论基础也无法体现出科学探究的真实结果。

（2）实验数据分析，全面巩固提升

准确合理地分析实验数据，是实验操作中必不可少的环节，只有分析合理，结论才有理有据。通过对实验数据的分析，对比实验组与对照组相关指标的异同，便能准确验证假设的合理性。在数据分析和结论表达的过程中，对学生的科学思维和科学探究都有全面的提升作用。

教师应充分利用新课教学和复习课，通过课堂理论分析和课外实践操作等途径，有效地培养学生的实验分析能力和实验操作能力，提高学生的科学思维和科学探究素养。这不仅是适应高考改革的需要，也是学生全面发展的需要，更是社会发展的需要。选择贴近生活、紧扣教学的简单示例，严格按照科学探究的基本步骤，以小课题探究的形式全方位开展活动，能全面提高学生的分析能力、表达能力、动手能力，是培养学生实验探究能力的有效途径之一。