芻議科學(xué)探究試題素材的來源、特征及處理策略

徐宏武

摘 要：科學(xué)探究是初中學(xué)生核心素養(yǎng)的基本組成，實(shí)驗(yàn)探究題是初中科學(xué)畢業(yè)升學(xué)考試中考查學(xué)生科學(xué)探究能力的重要題型，是衡量一份試卷質(zhì)量高低的主要評價(jià)指標(biāo)。初中科學(xué)教材上的探究、活動(dòng)、閱讀、讀圖、思考與討論等欄目內(nèi)容，生產(chǎn)常識、生活現(xiàn)象、科技作品的工作原理，學(xué)術(shù)論文、醫(yī)學(xué)案例等文獻(xiàn)資料，科學(xué)史實(shí)、重大發(fā)現(xiàn)和經(jīng)典發(fā)明、教學(xué)實(shí)踐創(chuàng)新成果等都是命制實(shí)驗(yàn)探究題的重要素材。

關(guān)鍵詞：科學(xué)探究；實(shí)驗(yàn)探究題；素材來源

科學(xué)探究是《義務(wù)教育初中科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》主要的課程目標(biāo)之一?？茖W(xué)探究不僅是一種教學(xué)方法，更是學(xué)生獲取科學(xué)知識的一種基本方式。學(xué)生在科學(xué)探究過程中不僅可以親身體驗(yàn)科學(xué)本質(zhì)，還可以更深刻地理解科學(xué)知識，更好地掌握科學(xué)方法，有利于培養(yǎng)學(xué)生持之以恒、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度和不懼權(quán)威、敢于懷疑、勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神，有助于發(fā)展學(xué)生的邏輯思維和批判性思維能力，從而更有效地提高科學(xué)素養(yǎng)。因此，考查學(xué)生科學(xué)探究能力高低的實(shí)驗(yàn)探究題，是浙江省初中科學(xué)畢業(yè)升學(xué)考試的重要題型。

一、實(shí)驗(yàn)探究題的內(nèi)涵和作用

初中科學(xué)畢業(yè)升學(xué)考試中實(shí)驗(yàn)探究題主要用來考查科學(xué)探究過程中學(xué)生提出問題、作出假設(shè)、設(shè)計(jì)方案、實(shí)踐探究、分析數(shù)據(jù)、得出結(jié)論和交流評價(jià)等方面的能力。優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)探究題有利于引導(dǎo)初中科學(xué)教學(xué)的改革方向，有利于改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式和教師的教學(xué)模式，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度、科學(xué)精神和科學(xué)思維。因此，實(shí)驗(yàn)探究題從它“誕生”的那一刻起就受到教師、學(xué)生、家長和專家們的高度關(guān)注，對于一份承擔(dān)畢業(yè)過關(guān)和升學(xué)選拔雙重功能的畢業(yè)升學(xué)考試試卷來講，實(shí)驗(yàn)探究題是其中最引人注意的“亮點(diǎn)題”和“明星題”，是衡量一份試卷質(zhì)量優(yōu)劣的重要評價(jià)內(nèi)容；對于每一位渴望升入理想學(xué)校而走進(jìn)考場的考生來說，實(shí)驗(yàn)探究題是最令他們重視的“拉分題”和“關(guān)鍵題”，是影響他們科學(xué)學(xué)科考分高低的重要試題類型。

二、實(shí)驗(yàn)探究題的素材來源、特征及處理

現(xiàn)代教育測量學(xué)認(rèn)為，試題由刺激情境、測量目標(biāo)和問題設(shè)置三部分組成，從實(shí)驗(yàn)探究題的功能定位分析，實(shí)驗(yàn)探究題相比其他題型，更需要具體的、恰當(dāng)?shù)膯栴}情境。合適的素材是命制出優(yōu)秀實(shí)驗(yàn)探究題的關(guān)鍵，通常情況下命題者可以從下述五個(gè)方面尋找、獲取并處理實(shí)驗(yàn)探究題的命題素材。

（一）教材上的探究、活動(dòng)、閱讀、讀圖、思考與討論等欄目內(nèi)容

浙教版初中科學(xué)教材編寫專家為了增加教材的可讀性、趣味性，編寫教材時(shí)設(shè)置了探究、活動(dòng)、閱讀、讀圖、思考與討論等欄目，命題時(shí)選用這些材料，由于它們來自課本，對于所有參加考試的同學(xué)而言，這些材料都同時(shí)、同樣擁有，理論上講也都同樣熟悉，所以教材素材具有公平性、適切性等特征，擁有任何其他資料都無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。因此，教材素材是命題者應(yīng)該首先考慮的材料。

【例1】小葉同學(xué)在研究蠶豆葉片上、下表皮氣孔密度（單位面積氣孔數(shù)目）時(shí)，采用了以下三種方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

方案一：用顯微鏡觀察同一張蠶豆葉片的上、下表皮裝片。

方案二：把新鮮的蠶豆葉片浸沒在60℃左右的熱水中（如圖1所示），觀察葉片兩面的氣泡數(shù)目。

方案三：在一株生長旺盛的蠶豆植株上選取一片蠶豆葉，用濾紙把它上、下表皮的水分吸干，將兩張浸有氯化鈷溶液的藍(lán)色濾紙（遇水會變紅）相對應(yīng)地貼在葉片上、下表皮的表面，并用回形針將其固定，觀察貼在葉片上、下表皮上的濾紙，哪一張先變色，哪一張的顏色深一些。

（1）采用方案 可以觀察到葉片的保衛(wèi)細(xì)胞。

（2）方案二中觀察到_____________現(xiàn)象，說明葉片下表皮氣孔密度比上表皮大。

（3）小葉采用方案三進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，貼上濾紙后經(jīng)過較長時(shí)間，發(fā)現(xiàn)兩張藍(lán)色濾紙顏色都變?yōu)橐粯蛹t。小葉同學(xué)認(rèn)為蠶豆葉片上、下表皮氣孔同樣多，與方案二實(shí)驗(yàn)結(jié)論不一致。于是去問老師，老師詢問了小葉的實(shí)驗(yàn)過程后，指出小葉用方案三所做實(shí)驗(yàn)的結(jié)論不可靠。

你認(rèn)為老師這樣判斷的理由是____________。

【答案】（1）一

（2）下表皮氣泡的數(shù)目比上表皮多

（3）實(shí)驗(yàn)時(shí)間過長導(dǎo)致兩張濾紙都吸收了足夠的水分

【素材處理】本題素材來自浙教版八下科學(xué)教材關(guān)于探究蠶豆葉片上下表皮氣孔密度的實(shí)驗(yàn)，命題者對實(shí)驗(yàn)探究步驟進(jìn)行了演繹改編，從“顯微鏡的功能”“實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的判斷”和“實(shí)驗(yàn)方案的評價(jià)”三個(gè)方面設(shè)計(jì)問題，既讓學(xué)生在探究過程中完成對核心知識的考查，又讓學(xué)生再次體驗(yàn)教材實(shí)驗(yàn)的思想和方法。這種源于教材的實(shí)驗(yàn)探究題能引導(dǎo)科學(xué)教育的正確方向，引領(lǐng)師生回歸教材、夯實(shí)基礎(chǔ)、重視能力的發(fā)展。

（二）生產(chǎn)常識、生活現(xiàn)象，科技作品的工作原理

科學(xué)與生產(chǎn)、生活息息相關(guān)，科學(xué)、技術(shù)、社會和環(huán)境的關(guān)系是初中科學(xué)的重要內(nèi)容，這些密切聯(lián)系實(shí)際的材料，對于全體學(xué)生都具有新穎性、實(shí)用性等特征。因此，有關(guān)生活現(xiàn)象、生產(chǎn)常識、科技產(chǎn)品工作原理、綠色能源等素材，也是實(shí)驗(yàn)探究題命題者要收集和積累的重要材料。

【例2】聽長輩說制作生拌菜不能添加黃瓜，難道黃瓜能使蔬菜中的營養(yǎng)素流失嗎？

【查閱資料】

青椒等蔬菜中含有大量的維生素C，且維生素C能使藍(lán)色的淀粉碘溶液褪色。

【實(shí)驗(yàn)操作】

步驟一：淀粉碘溶液配制：取1g淀粉，加入100mL水，攪拌均勻，再加入1mL碘酒溶液。

步驟二：分別榨取新鮮黃瓜汁與青椒汁。各取20mL青椒汁分別倒入A、B兩錐形瓶中，再分別加入黃瓜汁、蒸餾水各40mL混勻，放置60min，中間每隔10min攪拌一次。

步驟三：取等量藍(lán)色淀粉碘溶液分別裝入兩個(gè)燒杯，分別倒入A、B兩溶液，攪拌均勻，靜置觀察。

【現(xiàn)象記錄】

[實(shí)驗(yàn)操作 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 淀粉碘溶液+青椒和黃瓜混合汁 藍(lán)色不消褪 淀粉碘溶液+青椒汁和蒸餾水 藍(lán)色褪去 ]

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)過程回答下列問題：

（1）科學(xué)實(shí)驗(yàn)需要控制變量。下列情況會影響測定結(jié)果的是 。

A.混合液放置時(shí)間不同

B.被測物質(zhì)的體積不同

C.錐形瓶的大小不同

（2）在步驟二中每隔10min攪拌一次，其目的是 。

（3）能證實(shí)黃瓜汁把維生素C分解了的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是 。

（4）請指出該實(shí)驗(yàn)存在的缺陷： 。

【答案】（1）A、B

（2）使混合液充分接觸，加快反應(yīng)速度（加快反應(yīng)速度、混合均勻）

（3）藍(lán)色不消褪

（4）樣本過于單一；沒有重復(fù)實(shí)驗(yàn)等

【素材處理】本題素材來自于常見的生活現(xiàn)象，材料鮮活真實(shí)，體現(xiàn)了新課程的基本理念。命題者立足于“黃瓜能否使蔬菜中的營養(yǎng)素流失”這個(gè)話題，通過比較完整的實(shí)驗(yàn)過程，結(jié)合具體情景從“控制變量法”“實(shí)驗(yàn)操作的目的”“證據(jù)的收集”和“對觀察和策略的精確性作出評價(jià)”四個(gè)方面設(shè)置試題，考查學(xué)生的科學(xué)思維、交流評價(jià)等能力。試題把知識的落腳點(diǎn)投放在現(xiàn)實(shí)的問題情境之中，讓“科學(xué)的生活，生活的科學(xué)”這一理念滲透到學(xué)生的思想中，促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識到科學(xué)無處不在，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注生活，并從中發(fā)現(xiàn)科學(xué)問題。

（三）學(xué)術(shù)論文、醫(yī)學(xué)案例等文獻(xiàn)資料

關(guān)注人口、環(huán)境、資源、生物多樣性等話題的學(xué)術(shù)論文，標(biāo)志醫(yī)學(xué)進(jìn)步的典型案例，都具有科學(xué)性、典型性、時(shí)代性等特征，是編制實(shí)驗(yàn)探究題良好的素材。節(jié)選各類科學(xué)學(xué)術(shù)論文信息，或典型醫(yī)學(xué)案例材料等，進(jìn)行適當(dāng)刪減改編是編制實(shí)驗(yàn)探究題的一種常見方法。

【例3】19世紀(jì)中葉，歐洲產(chǎn)婦在醫(yī)院分娩的死亡率比在家中分娩高很多。塞曼爾維斯偶然發(fā)現(xiàn)，一位醫(yī)生在解剖尸體時(shí)割傷手指，不久就死亡，其癥狀與產(chǎn)婦死亡一樣。他猜測產(chǎn)婦尸體中有一種“尸體物質(zhì)”，可能經(jīng)醫(yī)生的手或手術(shù)器具進(jìn)入分娩產(chǎn)婦體內(nèi)。經(jīng)觀察試驗(yàn)，了解到以下信息：

A.醫(yī)院對手術(shù)器具不消毒，醫(yī)生在手術(shù)和解剖尸體時(shí)不戴手套。

B.維也納總醫(yī)院的第一婦產(chǎn)科醫(yī)生解剖尸體后常直接從解剖室去幫助產(chǎn)婦分娩，第二婦產(chǎn)科醫(yī)生無需解剖尸體。

C.塞曼爾維斯要求對手術(shù)器械進(jìn)行消毒，助產(chǎn)醫(yī)生在進(jìn)病房之前用氯水消毒液清洗雙手。

D.調(diào)查實(shí)驗(yàn)部分結(jié)果記錄如下。

請回答：

（1）下列物質(zhì)或生物中，不是塞曼爾維斯醫(yī)生認(rèn)為的“尸體物質(zhì)”是 。

A.病毒 B.細(xì)菌 C.真菌 D.水

（2）分析維也納總醫(yī)院產(chǎn)婦死亡率統(tǒng)計(jì)表，可以得出的結(jié)論是 。

（3）綜合分析塞曼爾維斯收集的信息，你認(rèn)為導(dǎo)致產(chǎn)婦在醫(yī)院分娩死亡率比在家中高的原因是 。

【答案】（1）D

（2）用氯水消毒能降低產(chǎn)婦的死亡率

（3）醫(yī)院產(chǎn)婦接觸尸體物質(zhì)的概率比在家高

【素材處理】本題材料來自醫(yī)學(xué)類論文，以真實(shí)醫(yī)學(xué)案例為素材，信息承接歷史，體現(xiàn)醫(yī)學(xué)進(jìn)步，命題者選取“19世紀(jì)中葉，歐洲產(chǎn)婦在醫(yī)院分娩的死亡率比在家中分娩高很多”這個(gè)歷史事件，并針對該問題研究的真實(shí)情境中重點(diǎn)選取了“作出猜測”“分析數(shù)據(jù)得出結(jié)論”和“綜合分析能力”三個(gè)方面設(shè)置問題，考查學(xué)生的各種能力，尤其是第（3）小題要求解釋異常醫(yī)學(xué)現(xiàn)象，切中本題核心，需較強(qiáng)的綜合分析能力，以及變量控制思想。題目材料數(shù)據(jù)真實(shí)、可靠，對每位學(xué)生來說都具有新穎性、科學(xué)性和真實(shí)性，是學(xué)業(yè)水平考試的優(yōu)秀背景材料。

（四）科學(xué)史實(shí)、重大發(fā)現(xiàn)和經(jīng)典發(fā)明

一部由“正確”與“錯(cuò)誤”交織書寫的科學(xué)史，匯集科學(xué)家研究中所采用的研究方式、思維方法和智慧結(jié)晶?？茖W(xué)史不僅呈現(xiàn)了相關(guān)科學(xué)知識的發(fā)現(xiàn)過程，更蘊(yùn)含著科學(xué)探究方法、思維方式等科學(xué)教育的重要元素，能幫助學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)，領(lǐng)悟科學(xué)的批判性和統(tǒng)一性，是提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要資源?？茖W(xué)史實(shí)、重大發(fā)現(xiàn)、經(jīng)典發(fā)明等材料具有過程性、事實(shí)性、思維性等特征，它們都是現(xiàn)今初中科學(xué)畢業(yè)升學(xué)試題中考查學(xué)生探究能力、體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)試題的重要素材來源。

【例4】材料一：1820年，丹麥物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)了通電導(dǎo)體周圍存在磁場。

材料二：1825年，瑞士物理學(xué)家科拉頓做了如下實(shí)驗(yàn)：他將一個(gè)能反映微小變化的電流表，通過導(dǎo)線與螺旋線圈串聯(lián)成閉合電路，并將螺旋線圈和電流表分別放置在兩個(gè)相連的房間，如圖2。他將一個(gè)條形磁鐵插入螺旋線圈內(nèi)，同時(shí)跑到另一個(gè)房間里，觀察電流表的指針是否偏轉(zhuǎn)。進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，他都沒有發(fā)現(xiàn)電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

材料三：1831年，英國物理學(xué)家法拉第用閉合電路的一部分導(dǎo)體，在磁場里切割磁感線的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體中產(chǎn)生電流，從而實(shí)現(xiàn)了利用磁場獲得電流的愿望。

（1）進(jìn)行奧斯特實(shí)驗(yàn)時(shí)，在靜止的小磁針上方，分別用甲和乙兩種方式放置一根導(dǎo)線。當(dāng)導(dǎo)線通電時(shí)，小磁針發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)的是 （選填“甲”或“乙”）。

（2）科拉頓、法拉第等物理學(xué)家相繼進(jìn)行如材料所說的實(shí)驗(yàn)研究，是基于 的科學(xué)猜想。

（3）科拉頓的實(shí)驗(yàn)中， （選填“已經(jīng)”或“沒有”）滿足產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件。要使他能觀察到電流表指針偏轉(zhuǎn)，你提出的一種改進(jìn)方法是 。

【答案】（1）甲

（2）磁能產(chǎn)生電

（3）已經(jīng)將電流表等器材置于同一房間內(nèi)

【素材處理】本題以“電與磁”科學(xué)研究史中的三個(gè)典型事件為素材，第（1）小題命題者對教材上奧斯特實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了延伸考核設(shè)置考題，第（2）、（3）小題命題者從“實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)”、“科學(xué)猜想能力”兩個(gè)角度設(shè)置問題，考查電與磁、科學(xué)探究的基礎(chǔ)知識，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生建立科學(xué)發(fā)展的基本特點(diǎn)是其科學(xué)知識、科學(xué)理論和科學(xué)方法的歷史繼承和發(fā)展的觀點(diǎn)。試題以科學(xué)家對“磁生電”的研究情景的設(shè)置具有教育意義，問題設(shè)置時(shí)又能做到落點(diǎn)很低，高高舉起，輕輕落下。由于試題具有上述優(yōu)點(diǎn)，所以本題不僅對今后教學(xué)有積極的引導(dǎo)作用，而且本題通過磁生電的發(fā)現(xiàn)歷程，讓學(xué)生進(jìn)一步體會科學(xué)不是哪一個(gè)時(shí)代的產(chǎn)物，而是歷史的積累和發(fā)展的結(jié)果，是人們認(rèn)識自然的一個(gè)去粗取精、去偽存真、由表及里、由此及彼的過程，逐步發(fā)展成系統(tǒng)的科學(xué)知識。

（五）教學(xué)實(shí)踐創(chuàng)新成果

課堂不僅是教師為學(xué)生傳授知識的場所，更是教師踐行自己教育理想、落實(shí)教學(xué)理念、創(chuàng)新教學(xué)方法的天堂，教師的許多教學(xué)嘗試、教學(xué)收獲都是原創(chuàng)實(shí)驗(yàn)探究題的第一手資料，現(xiàn)有的許多優(yōu)秀實(shí)驗(yàn)探究題的素材就來自于教師的教學(xué)實(shí)踐創(chuàng)新成果，可以毫不夸張地說，教學(xué)實(shí)踐是實(shí)驗(yàn)探究試題素材的不竭源泉。教學(xué)實(shí)踐創(chuàng)新成果往往具有原創(chuàng)性、新穎性和公平性等特征。命題者使用這些材料命制試題時(shí)，要特別注意試題的科學(xué)性和規(guī)范性，嚴(yán)防錯(cuò)誤的出現(xiàn)。

【例5】小峰和小剛閱讀試劑標(biāo)簽后發(fā)現(xiàn)，市場銷售的高錳酸鉀晶體純度高達(dá)99.5%，含水量可以忽略不計(jì)。為探究“試管放置方式對高錳酸鉀制取氧氣速度和體積的影響”，他倆設(shè)計(jì)了制取氧氣的直立型裝置（如圖3），并與斜臥型裝置比較，在氣密性良好的裝置中分別加入5.0g高錳酸鉀晶體，用同一酒精燈分別加熱，用同一型號的集氣瓶收集氣體，每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行五次，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值后記錄如下：

（1）收集2瓶氧氣，所需時(shí)間較短的裝置類型是 。

（2）等質(zhì)量的高錳酸鉀加熱到不再產(chǎn)生氣體，斜臥型裝置收集到氧氣的總體積比直立型少的原因是 。

（3）根據(jù)2KMnO4[=][△]K2MnO4+ MnO2 +O2↑，算出5.0g高錳酸鉀生成的氧氣體積（理論值）。

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，斜臥型發(fā)生裝置收集到的氧氣體積明顯大于理論值，他們對其原因進(jìn)行了探究：

【提出假設(shè)】

小峰假設(shè)：反應(yīng)生成的二氧化錳在較高溫度下受熱分解放出氧氣。

你的假設(shè)： 。

【設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)】要驗(yàn)證小峰的假設(shè)能否成立，請?jiān)O(shè)計(jì)簡明的實(shí)驗(yàn)方案 。

【答案】（1）直立型

（2）斜臥型裝置中的固體被氣流帶到試管口（或棉花團(tuán)）附近更多，未完全反應(yīng)的更多，所以收集到的氧氣較少

（3）計(jì)算結(jié)果略。反應(yīng)生成的錳酸鉀在較高溫度下受熱分解放出氧氣（或反應(yīng)生成的二氧化錳和錳酸鉀在較高溫度下受熱分解放出氧氣）。取一定量的二氧化錳于試管中，加熱一段時(shí)間，若冷卻后測得二氧化錳的質(zhì)量不變，證明小峰的假設(shè)不成立，否則假設(shè)成立（或取一定量的二氧化錳于試管中，加熱一段時(shí)間，若不能使帶火星的木條復(fù)燃，證明小峰的假設(shè)不成立，否則假設(shè)成立）

【素材處理】本題以利用加熱高錳酸鉀固體制取氧氣創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)為素材，根據(jù)教學(xué)中發(fā)現(xiàn)的“試管放置方式對高錳酸鉀制取氧氣速度和體積的影響”不同現(xiàn)象，通過創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)問題考查學(xué)生的假設(shè)能力、方案設(shè)計(jì)能力、綜合分析能力。教師教學(xué)創(chuàng)新成果這類素材具有很大的靈活性，可以要求學(xué)生回答實(shí)驗(yàn)要解決的問題、實(shí)驗(yàn)中的變量控制、數(shù)據(jù)的讀取與分析解釋等，與學(xué)生做過的實(shí)驗(yàn)相比，這類創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴行П苊鈱W(xué)生的簡單機(jī)械記憶，將試題考查引向更深層次的高階思維。

三、結(jié)語

編制實(shí)驗(yàn)探究題的素材來源遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止上述五個(gè)方面，好的試題素材應(yīng)具有新穎性、科學(xué)性、原創(chuàng)性、適切性、公平性等特征。好素材是好試題的基礎(chǔ)，但僅僅有好素材，還不一定就能打造出好試題，因?yàn)閺乃夭牡皆囶}，還要完成材料的選擇、整理、加工、打磨等系列化程序，而且其中的任何一個(gè)環(huán)節(jié)都是高水平命題者必須具備的、缺一不可的核心能力。