初中生物實(shí)驗(yàn)探究題的命題設(shè)問技術(shù)

蔡呈騰

初中生物實(shí)驗(yàn)探究題作為初中畢業(yè)生學(xué)業(yè)考試的四大題型之一，在重視考查學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能掌握情況的同時(shí)，注重考查學(xué)生提出科學(xué)問題，進(jìn)行猜想與假設(shè)，制訂探究方案，獲取事實(shí)與證據(jù)，解釋、檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)，表達(dá)與交流等科學(xué)探究能力，考查觀察、比較、分類、應(yīng)用數(shù)學(xué)、測(cè)量、預(yù)測(cè)、推論、形成操作性定義、解釋數(shù)據(jù)、控制變量、實(shí)驗(yàn)等科學(xué)探究的過程技能。初中生物實(shí)驗(yàn)探究題正是考查科學(xué)探究能力和探究過程技能最好的測(cè)量工具之一。

一道試題都要包含測(cè)量目標(biāo)、刺激情境及設(shè)問（應(yīng)答）3個(gè)維度，此即試題的三要素。命題的設(shè)問科學(xué)與否，是能否精準(zhǔn)達(dá)成測(cè)量目標(biāo)的最重要的外在載體，設(shè)問就是為達(dá)成測(cè)量目標(biāo)服務(wù)的。為了達(dá)成考查諸多實(shí)驗(yàn)探究能力與探究過程技能的測(cè)量目標(biāo)，命題者應(yīng)立足于生物實(shí)驗(yàn)的刺激情境特征，挖掘出符合考查學(xué)生探究能力和過探究程技能的設(shè)問。

下面以植物蒸騰作用的探究實(shí)驗(yàn)為試題的刺激情境，以科學(xué)探究能力和探究過程技能為測(cè)量目標(biāo)，略談命題設(shè)問的技術(shù)。

浙教版初中科學(xué)八年級(jí)下冊(cè)教材中關(guān)于蒸騰作用的教學(xué)配置了如下的“活動(dòng)”：

1.選取一盆正處于生長(zhǎng)旺盛期的闊葉植物（如天竺葵等）

2.用一透明塑料袋把幾片鄰近的葉片包扎起來。

3.對(duì)該植物澆水后，置于陽光下照射。

4.觀察塑料袋內(nèi)有沒有水珠產(chǎn)生。如果沒有水珠產(chǎn)生，請(qǐng)把植物搬到室內(nèi)使用快速冷卻，再觀察塑料袋上有沒有水珠：______。這說明______。

基于教材中的“活動(dòng)”，選擇探究植物蒸騰作用的實(shí)驗(yàn)作為刺激情境，命制一道實(shí)驗(yàn)探究題。試題情境如下：

為研究植物的蒸騰作用，小明做了如圖1所示的實(shí)驗(yàn)：

①取長(zhǎng)勢(shì)、葉片大小、數(shù)量相同的3條同種植物的枝條，分別編號(hào)A、B、C。

②將B枝條每片葉子的下表皮涂上凡士林，將c枝條每片葉子的上、下表皮都涂上凡士林（凡士林能封閉氣孔，阻止植物與外界之間的HO、O₂、CO₂等氣體的交換），A枝條不作處理。

③將3條枝條分別置于裝有等量清水的3個(gè)錐形瓶中，并分別加入等量的油形成油層。

④將3個(gè)錐形瓶分別放置于三個(gè)大小相同的鐘罩內(nèi)，鐘罩內(nèi)壁貼足量、等質(zhì)量的硅膠干燥膠片，用以完全吸收鐘罩內(nèi)空氣中的水蒸氣。

⑤將三個(gè)裝置置于同一強(qiáng)度的陽光下相同時(shí)間后，分別稱量錐形瓶中水的質(zhì)量和硅膠干燥膠片的質(zhì)量。

1明確實(shí)驗(yàn)變量，圍繞變量進(jìn)行設(shè)問

與教材“活動(dòng)”目的不同，作為實(shí)驗(yàn)探究題的刺激情境，為考查一定實(shí)驗(yàn)探究能力和探究過程技能，需要把教材“活動(dòng)”只需要說明“植物進(jìn)行了蒸騰作用”改為“植物的蒸騰作用快慢與什么因素有關(guān)”。為此，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行變量的確定。

影響植物蒸騰作用快慢的因素有哪些？總體說來，就是植物本身特征和外界環(huán)境兩個(gè)因素：

①植物本身。植物本身包括植物種類、生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)、葉片大小和數(shù)目等。生長(zhǎng)在不同干濕環(huán)境中的植物，蒸騰作用的快慢是不同的。一般，生長(zhǎng)在潮濕環(huán)境中植物的蒸騰作用旺盛，如教材建議選擇進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)種類是天竺葵、海桐、梧桐等帶葉片的枝條。

②環(huán)境因素。影響植物葉片進(jìn)行蒸騰作用的環(huán)境因素主要有光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、通風(fēng)情況等。從影響水份蒸發(fā)快慢的角度來分析，這些因素對(duì)葉片蒸騰作用影響都非常大。

綜合分析影響植物蒸騰作用快慢的因素，本實(shí)驗(yàn)選擇植物本身這個(gè)因素進(jìn)行探究。但植物本身作為實(shí)驗(yàn)的自變量，范疇還是太過寬泛，容易造成難以控制無關(guān)變量的情況，從而干擾了實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，或者在實(shí)驗(yàn)控制變量操作中不嚴(yán)謹(jǐn)，造成錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。所以，最終本實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)步驟①“取長(zhǎng)勢(shì)、葉片大小、數(shù)量相同的3條同種植物的枝條”，再通過凡士林處理氣孔，從而研究植物蒸騰作用與氣孔數(shù)量的關(guān)系。

在提出科學(xué)問題，進(jìn)行猜想與假設(shè)，制訂探究方案，獲取事實(shí)與證據(jù)，形成結(jié)論，解釋、檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)等實(shí)驗(yàn)探究能力中，提出科學(xué)問題、進(jìn)行猜想與假設(shè)、形成結(jié)論等3個(gè)實(shí)驗(yàn)探究能力的測(cè)量目標(biāo)是一致的，都需要通過對(duì)實(shí)驗(yàn)方案的分析，尋找哪個(gè)自變量影響了因變量；自變量與因變量有什么關(guān)系（提出科學(xué)問題）；實(shí)驗(yàn)是基于哪個(gè)自變量會(huì)影響因變量而設(shè)計(jì)的（進(jìn)行猜想與假設(shè)）；自變量與因變量存在具體的關(guān)系（形成結(jié)論）。

本實(shí)驗(yàn)的設(shè)問如下：

（1）小明研究的問題是____________。

（2）小明設(shè)計(jì)如上的實(shí)驗(yàn)方案是基于______的猜想與假設(shè)。

（3）小明通過實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論是______。

參考答案：

（1）植物蒸騰作用速率與氣孔數(shù)量的關(guān)系。

（2）氣孔數(shù)量會(huì)影響植物蒸騰作用速率

（3）在植物種類、環(huán)境等相同的情況下，氣孔數(shù)量越多，植物蒸騰作用速率越快。

選擇氣孔數(shù)量為自變量，不代表其他變量不重要。在其他測(cè)量目標(biāo)的考查上，或者對(duì)其他問題進(jìn)行設(shè)問時(shí)，就必須綜合考慮其他變量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

2設(shè)置對(duì)照實(shí)驗(yàn)，圍繞對(duì)照進(jìn)行設(shè)問

邏輯實(shí)證推理的一個(gè)基本要點(diǎn)就是通過對(duì)照實(shí)驗(yàn)獲取事實(shí)與證據(jù)。對(duì)照實(shí)驗(yàn)包括實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組。一般說來，實(shí)驗(yàn)組需要實(shí)驗(yàn)者對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行一定的處理，而對(duì)照組是沒有經(jīng)過處理的。對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行處理設(shè)置實(shí)驗(yàn)組，根據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)照的需要可以設(shè)一組，也可以設(shè)兩組或兩組以上的對(duì)照組。

本實(shí)例為了研究氣孔數(shù)量對(duì)植物蒸騰作用速率的影響，選擇“長(zhǎng)勢(shì)、葉片大小、數(shù)量相同的3條同種植物的枝條，分別編號(hào)A、B、C”進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，其中“將B枝條每片葉子的下表皮涂上凡士林，將C枝條每片葉子的上、下表皮都涂上凡士林，A枝條不作處理”，目的就是使A枝條為實(shí)驗(yàn)組，其它兩組為對(duì)照組。

圍繞對(duì)照實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)問，本實(shí)驗(yàn)的問題設(shè)置如下：

小明設(shè)置的實(shí)驗(yàn)方案中，實(shí)驗(yàn)組是____，對(duì)照組是______。

參考答案：BC；A。

實(shí)驗(yàn)用凡士林來涂在葉片表皮堵塞氣孔，確實(shí)達(dá)到了控制不同的氣孔數(shù)量進(jìn)行蒸騰作用的目的。但這種處理方法卻給實(shí)驗(yàn)控制變量帶來了“負(fù)面”效果。這種負(fù)面效果是實(shí)驗(yàn)者處理控制變量時(shí)需要特別認(rèn)真權(quán)衡的。當(dāng)然，從命題的角度來看，正是這種以控制變量為目的的實(shí)驗(yàn)操作，給實(shí)驗(yàn)帶來了“負(fù)面”效果，為命題提供了豐富的設(shè)問素材。

3確定操作定義，圍繞轉(zhuǎn)換進(jìn)行設(shè)問

操作性定義是指說明如何觀察或測(cè)量某一現(xiàn)象、事物或結(jié)構(gòu)所需要的實(shí)驗(yàn)操作。為什么需要確定操作定義？本實(shí)驗(yàn)研究的“植物蒸騰作用速率”是無法直接觀察的因變量，這就需要實(shí)驗(yàn)者對(duì)實(shí)驗(yàn)方案下操作性定義，即將無法直接測(cè)量、觀察的抽象實(shí)驗(yàn)變量轉(zhuǎn)換為可以操作、觀察的對(duì)象。

一般說來，判斷某一個(gè)定義是不是屬于操作性定義，有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：

①在這個(gè)定義里，要描述需要“操作什么”，也就是需要“做什么”；

②在這個(gè)定義里，要描述需“觀察測(cè)量什么”。

本實(shí)驗(yàn)步驟④分別在“3個(gè)錐形瓶分別放置于三個(gè)大小相同的鐘罩內(nèi)，鐘罩內(nèi)壁貼足量、等質(zhì)量的硅膠干燥膠片，用以完全吸收鐘罩內(nèi)空氣中的水蒸氣”。也就是說，本實(shí)驗(yàn)對(duì)植物蒸騰作用速率的判斷，是通過操作在相同時(shí)間內(nèi)實(shí)驗(yàn)前后“硅膠干燥膠片”的質(zhì)量變化來實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)橹参镎趄v作用速率越大，相同時(shí)間內(nèi)“硅膠干燥膠片”能吸盡鐘罩內(nèi)的水蒸氣，即“硅膠干燥膠片”質(zhì)量變大是由于植物蒸騰作用散失的水蒸氣造成的，所以它能反映植物蒸騰作用的速率。

圍繞確定操作定義進(jìn)行設(shè)問，本實(shí)驗(yàn)的設(shè)置如下問題：

本實(shí)驗(yàn)通過觀察測(cè)量____來反映植物蒸騰作用速率。

4應(yīng)用數(shù)據(jù)解釋，圍繞數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)

應(yīng)用數(shù)據(jù)解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，或者應(yīng)用數(shù)據(jù)獲取事實(shí)與證據(jù)，從而形成結(jié)論，這是非常基本而重要的科學(xué)探究能力。處理和解釋數(shù)據(jù)的能力就是將各科學(xué)探究過程所收集的各種資料，加以整理、分析、研判并解釋的過程。本實(shí)驗(yàn)涉及的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)主要包括枝條吸水的質(zhì)量、植物自身質(zhì)量的變化、植物蒸騰作用蒸發(fā)出來的水蒸氣的質(zhì)量等。由于植物自身質(zhì)量的變化不僅僅是由蒸騰作用吸水失水造成的，還包括植物吸收無機(jī)鹽，植物進(jìn)行光合作用利用水和二氧化碳合成有機(jī)物，植物呼吸作用分解有機(jī)物等。所以，為了精減實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，減少無關(guān)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案中只選取了枝條吸水質(zhì)量（錐形瓶中水量的減少）和植物蒸騰作用蒸發(fā)出來的水蒸氣的質(zhì)量。

列出數(shù)據(jù)如下：

小明通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)見表1。

圍繞這個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表，可以進(jìn)行如下的設(shè)問：

（1）為了解釋“在相同條件下，氣孔數(shù)目越多，植物蒸騰作用速率越快”這個(gè)結(jié)論，就可以設(shè)置如下的問題：

比較a₁、a₂、a（或m₁、m₂、m）的大小關(guān)系。

（2）為了解釋“正常情況下植物吸收的水份有99%用于蒸騰作用”，可設(shè)置如下問題：

若要證明植物A吸收的水分有99%用于蒸騰作用，則×100%=99%。（用表格中字母表示）

（3）上述僅僅是對(duì)植物A的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和解釋，表格提供的三組數(shù)據(jù)還可以橫向比較，如要對(duì)葉片上、下表皮氣孔的數(shù)量進(jìn)行比較，可設(shè)置問題如下：

請(qǐng)利用表中數(shù)據(jù)的關(guān)系式來說明，該植物葉片下表皮的氣孔數(shù)目多于上表皮

。

參考答案：（1）a₁2

（1）小明通過表格數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，如果m₁-m₂>m₂-m成立，說明該植物葉片下表皮氣孔數(shù)目大于上表皮。老師認(rèn)為，這樣的推理還不合理，理由是——。

（2）小明通過表格數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，如果m₁-m₂>m₂-m成立，說明該植物葉片下表皮氣孔數(shù)目大于上表皮。老師認(rèn)為，要使小明的結(jié)論合理，需要一個(gè)前提條件，即______。

參考答案：（1）上、下表皮每個(gè)氣孔蒸騰作用速率不一定相同（A植物每個(gè)氣孔蒸騰作用的速率與B植物不一定相同或每個(gè)氣孔蒸騰作用速率不一定完全相同）（2）上、下表皮每個(gè)氣孔的蒸騰作用速率相同。

如上兩個(gè)問題測(cè)量目標(biāo)是一致的，只是設(shè)問形式稍有不同而已，所以應(yīng)答也基本一致。測(cè)量目標(biāo)的關(guān)鍵點(diǎn)就是在于推理是否合理，而推理的合理性就在于對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的綜合分析，特別是對(duì)變量的辨析。以上兩個(gè)設(shè)問的測(cè)量目標(biāo)著眼的還是對(duì)下操作性定義的合理性提出質(zhì)疑，即氣孔數(shù)目多少能否代表蒸騰作用被硅膠干燥膠片吸收的水量。當(dāng)然，這種下操作性定義的科學(xué)性，與下操作性定義確定的前提條件有關(guān)。此題的前提就是上、下表皮每個(gè)氣孔平均蒸騰作用速率是一致的。

仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)，這個(gè)前提是不成立的。這也就有了對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)方案的再反思和評(píng)價(jià)的素材，這一點(diǎn)可以作為評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)過程提供命題情境。

6評(píng)價(jià)過程合理，圍繞評(píng)價(jià)進(jìn)行設(shè)問

對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)的內(nèi)容大致包括：對(duì)探究過程和證據(jù)獲得方式、方法、過程作出合適的評(píng)價(jià)，如實(shí)驗(yàn)獲得了反常的結(jié)果和證據(jù)，能夠說明它的不可靠性；對(duì)觀察和測(cè)量的精確性作出評(píng)價(jià)，能提出增加證據(jù)可靠性或獲得進(jìn)一步證據(jù)的相關(guān)探究的具體改進(jìn)建議等。

綜觀3個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，在控制氣孔數(shù)量不同時(shí)，必須保證其他影響蒸騰作用速率的因素都相同。如上分析，影響植物蒸騰作用速率的因素有植物本身的原因（內(nèi)因）和外部環(huán)境的原因（外因），從實(shí)驗(yàn)方案上整體分析，外界影響植物蒸騰作用速率的因素已全部控制相同，唯一影響的是由于用凡士林堵塞氣孔，阻止了水蒸氣的蒸騰作用，但同時(shí)也影響了植物體通過氣孔與外界環(huán)境之間的O₂、CO₂等氣體的交換。為了考查這個(gè)點(diǎn)，避免學(xué)生不清楚氣孔也是O₂、CO₂等氣體交換的通道，在實(shí)驗(yàn)步驟②中特意用括號(hào)說明的方式指出了這一點(diǎn)。

基于此分析，設(shè)置了如下的問題：

此實(shí)驗(yàn)在控制無關(guān)變量上還存在缺陷，請(qǐng)寫出一條沒有控制相同的無關(guān)變量____。

參考答案：光合作用（或呼吸作用、植物生命活動(dòng)強(qiáng)度）（其他合理答案也給分）

此問題正是基于B、C枝條氣孔被不同程序的堵塞，不斷影響了植物的蒸騰作用速率，同時(shí)也影響了O₂、CO₂等氣體的交換，從而影響了植物進(jìn)行光合作用和呼吸作用的強(qiáng)度，這樣，A、B、C三組實(shí)驗(yàn)的植物的生命活動(dòng)強(qiáng)度不同，也會(huì)影響著植物的蒸騰作用的速率。

一個(gè)探究性實(shí)驗(yàn)就是一個(gè)綜合的大項(xiàng)目，其內(nèi)含的科學(xué)探究能力和探究過程技能是多元的、復(fù)雜的。基于實(shí)驗(yàn)探究題的命題，測(cè)量目標(biāo)在于科學(xué)探究能力和探究過程技能，并以明確實(shí)驗(yàn)變量、設(shè)置對(duì)照實(shí)驗(yàn)、確定操作定義、應(yīng)用數(shù)據(jù)解釋、邏輯推理適洽、評(píng)價(jià)過程合理等6個(gè)角度去挖掘、設(shè)置問題，這就是實(shí)驗(yàn)探究題命題設(shè)問的技術(shù)。