结构化复习 提升实验探究能力

四川 葛方金

《普通高中生物学课程标准（2017 年版2020 年修订）》将“科学探究”列为学科核心素养的重要组成部分，它指能够发现现实世界中的生物学问题，针对特定的生物学现象，进行观察、提问、实验设计、方案实施以及对结果的交流与讨论的能力。《中国高考评价体系》也将“实践操作能力群”作为考查的关键能力群，其主要包括：实验设计能力、数据处理能力、信息转化能力、动手操作能力、应用写作能力、语言表达能力等等。近年的高考试卷中，实验类试题在选择题和非选择题部分都占有一定比例，对学生来说挑战难度越来越大。那么，如何高效复习实验，提升学生的科学探究能力呢？经实践，笔者认为结构化复习是有效的路径。

1.统整教材实验，融会贯通

普通高中生物学教材中有大量的实验内容，包括演示实验、分组实验、资料分析和科学史实验等，其中蕴含着丰富的实验原理、基本的实验方法和技术、科学探究的思想和精神。它们既是命制选择类实验题的出发点和落脚点，其实验原理和思想、方法和技术也是完成非选择类实验题的必备知识和技能。因此，以一定的逻辑主线归类统整教材实验，可让学生在比较与分析中深刻理解有关实验的异同，洞悉其之间的内在联系，有组织、系统地掌握实验原理、方法和技术，从而融会贯通。

1.1 归类教材实验内容

按完成实验所需的基本技术，可将教材基本实验归类为显微观察类（如表1）、物质提取类、检测和微生物的鉴定类、调查类、探究类。

表1 显微观察类实验

续表

1.2 归纳教材实验方法

表2 教材基本实验方法

1.3 统整实验试剂的作用

有些实验试剂在教材的不同实验中均有使用，但在不同实验中其浓度、方法或作用不完全相同，因此，教师可依据实验试剂的作用对教材实验进行归类统整，使学生深度理解有关实验试剂的使用方法和作用。如可对生物学实验中普遍使用的酒精、盐酸（如表3）和氢氧化钠溶液的作用进行归纳总结。

表3 盐酸在不同实验中的作用

续表

通过统整，可以对教材实验的复习进行连续设计，组织、结合成一个有意义的整体课程，这样可以保证学生学习的深刻性、综合性，使学生融会贯通地掌握教材实验的基本内容和方法。

2.实验设计，分类构建策略

高考试卷中的实验设计类试题主要考查形式有设计和完善实验步骤、设计实验思路、实验分析和评价。教师对不同类型实验题进行训练和指导，归纳、构建答题策略，可以提升学生的科学思维和科学探究能力。

2.1 设计和完善实验步骤

【例1】（2018 年，全国卷Ⅱ，第29 题）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。在实验过程中，用幼龄大鼠为材料，以体重变化作为生长发育的检测指标。回答下列问题：

（1）请完善下面的实验步骤

①将若干只大鼠随机分为A、B 两组后进行处理，A 组（对照组）的处理是__________；B 组的处理是___________。

②将上述两组大鼠置于相同的适宜条件下饲养。

③______________。

④对所得数据进行统计处理与分析。

（2）实验结果与分析

B 组大鼠生长发育的状况不如A 组，出现这种差异的原因是由于B 组的处理使大鼠缺失了来源于垂体的_________激素和_________激素。

【参考答案】（1）①手术但不切除垂体 切除垂体 ③每隔一定时间，测定并记录两组大鼠的体重（2）生长 促甲状腺

【试题分析】本题以“研究垂体对机体生长发育的作用”为情境，考查学生的实验与探究能力。

（1）依据题意可知：本实验的目的是研究垂体对机体生长发育的作用，自变量是垂体的有无，因变量是通过检测幼龄大鼠体重的变化来反映其生长发育的状况，其他对实验结果有影响的无关变量应控制相同且适宜。据此，结合题意所示的实验方法（切除法）和不完善的实验步骤和实验设计的基本原则，可判断①A 组（对照组）手术但不切除垂体，B 组切除垂体；②每隔一定时间，测定并记录两组大鼠的体重。

（2）垂体分泌的促甲状腺激素可促进甲状腺的生长发育，调节甲状腺激素的合成、分泌。垂体分泌的生长激素和甲状腺分泌的甲状腺激素都有促进生长发育的作用，但前者主要促进生长，后者主要促进发育，二者相互协调机体才能正常的生长发育。由于B 组的处理使大鼠缺失了来源于垂体的生长激素和促甲状腺激素，因此B 组大鼠生长发育的状况不如A 组。

【策略构建】设计实验步骤：

①取材分组编号；②施加自变量；③控制无关变量；④检测因变量。

2.2 设计实验思路

【例2】植物叶片表皮上分布有大量的气孔，气孔结构如图所示。当组成气孔的细胞（保卫细胞）吸水后，会膨胀变形，气孔开启；反之细胞失水收缩，气孔关闭。请以放置一小段时间的菠菜为材料设计一个实验，证明气孔具有开启和关闭的功能。（要求写出实验思路，预测实验结果。）

气孔结构示意图

【参考答案】取菠菜叶，用清水制成临时装片，在显微镜下观察气孔状态；预测现象：气孔开启。在装片上滴上浓盐水，一段时间后在显微镜下继续观察气孔状态；预测现象：气孔关闭。

【试题分析】本题创设了“气孔的结构和气孔开闭的原理”这一问题情境，要求学生以放置一小段时间的菠菜为材料设计一个实验，证明气孔具有开启和关闭的功能，考查学生获取信息的能力和科学探究能力。根据必修1 教材“探究植物细胞的吸水和失水”实验的原理和步骤，本实验的自变量是菠菜叶细胞所处的外界溶液，因变量是通过在显微镜下观察气孔状态来反映其开启和关闭。运用教材实验中渗透作用的原理，取菠菜叶，用清水制成临时装片，在显微镜下观察气孔状态；预测现象：气孔开启。在装片上滴上浓盐水，一段时间后在显微镜下继续观察气孔状态；预测现象：气孔关闭。通过自身前后对照的方法，即可证明气孔具有开启和关闭的功能。

【策略构建】设计实验思路：

①控制自变量；②检测因变量。

实验思路和实验步骤的区别：实验步骤是实验思路的具体实施，它更加具体，重视操作；实验思路更加宏观，它是大体的构思和框架。

2.3 实验分析和评价

【例3】为验证“镁是植物生活的必需元素”，两位同学进行了实验设计，下列是实验的基本思路。请分别指出两个实验思路能否达到实验目的，为什么？

（1）实验一：取生长状况一致的大豆幼苗，用符合实验要求的容器进行培养。对照组容器内只盛有蒸馏水，实验组容器内盛有用蒸馏水配制的镁盐溶液。两组置于相同的适宜条件下培养，并对溶液通气，观察比较两组植物的生长发育情况。

（2）实验二：取生长状况一致的大豆幼苗，栽培在盛有砂性土壤的容器中（砂性土壤肥力均匀，容器符合实验要求），对照组浇以蒸馏水，实验组浇以用蒸馏水配制的镁盐溶液，两组置于相同的适宜条件下培养，观察比较两组植物的生长发育情况。

【参考答案】（1）不能。因为蒸馏水和镁盐溶液均缺乏植物必需的矿质元素而使两组植物生长均不正常。

（2）不能。因为两组容器内的砂性土壤中都可能含有镁离子。

【试题分析】本题以“验证镁是植物生活的必需元素”为情境，要求学生依据实验设计的基本原则，对实验进行分析与评价，主要考查学生的批判性思维和实验探究能力。根据实验目的“验证镁是植物生活的必需元素”可知，本实验的自变量是培养植物的营养液是完全营养液还是缺镁的完全营养液，因变量是通过观察比较植物的生长发育情况来反映镁是植物生活的必需元素，其他对实验结果有影响的无关变量应保持相同且适宜。联系必修1 教材中“查找资料，了解某一种植物生长发育需要哪些无机盐。设计实验，证明某一种或某几种无机盐是这种植物生长发育所必需的”技能训练，运用溶液培养法，取生长状况一致的大豆幼苗，用符合实验要求的容器，对照组盛有含植物必需的各种矿质元素的完全营养液，实验组盛有不含镁离子的完全营养液，两组置于相同且适宜的条件下培养，并对溶液通气；观察比较两组植物的生长发育情况即可验证镁是植物生活的必需元素。

【策略构建】

实验分析题型：

①实验名称：探究/验证自变量对因变量的影响；

②实验原理：自变量作用的科学原理；自变量引起因变量变化的原理；操作自变量的原理；因变量检测原理；

③实验结果：看到的现象或能检测到的指标；

④实验结论：根据观察到的检测结果，说明自变量对因变量的影响（分为验证性实验和探究性实验）。

实验评价题型：

①对照设计是否合理：看有无对照，若有对照，则看自变量设置是否合理，是否有分组标记，是否排除了无关变量的干扰等。

②实验基本原则是否遵循：对照原则、单一变量原则、科学性原则、平行重复原则、简便可行性原则。

③步骤、器材、条件是否选择得当：步骤是否完整，顺序是否合理；材料的选择、使用方法、用量是否合理；是否需要搅拌、加热等，实验所控制的光、温度等环境因素是否合理等。

总之，教师可以通过结构化复习，将逐渐积累起来的实验基本原理、方法和基本技术加以归纳和整理，使之具有结构层次，成为有组织、有内在联系的系统性知识，实现对教材实验的深度掌握和灵活应用。分类构建实验设计题的策略，可以达到对学生进行结构化的训练和指导，提升科学探究能力的目的。