高考生物學對實驗與探究能力的考查

郭學恒

(教育部考試中心 北京 100084)

2017年高考全國卷生物學科試題嚴格遵循《2017年普通高等學校招生全國統一考試大綱》(簡稱《考試大綱》)進行命制，注重發揮立德樹人、服務選才、引導教學的高考核心功能，體現出必備知識、關鍵能力、學科素養、核心價值的考查目標，從基礎性、綜合性、應用性、創新性等方面進行考查[1]。作為一門實驗科學，生物學科的理論體系與知識結構均來源于科學實驗的實踐探索和知識積累，因此科學探究是生物學科核心素養的關鍵組成，是中學教學的重要目標，也是學生進入高校學習及今后發展過程中應當具備的基本能力。高考生物學對實驗與探究能力的考查，既對高中畢業生學科關鍵能力進行測量，又為高校人才選拔提供依據和參考，還能積極地引導高中生物學加強實驗教學。

1 實驗與探究能力是高考生物學的重要考查目標

高考生物學對實驗與探究能力的考查要求考生具備基本科學探究的能力。《普通高等學校招生全國統一考試大綱的說明》(簡稱《考試說明》)依據《考試大綱》制定，對考查目標等內容進行解釋和詳細說明，是高考命題的依據。2017年《考試說明》對實驗與探究能力的考查要求考生能基于所學實驗方法和技能設計實驗、驗證生物學事實、分析和解釋實驗結果、根據實驗結果得出結論，以及對某些生物學問題進行初步探究[2]。

科學探究的基本過程包括提出問題、分析問題和解決問題。提出問題是科學探究的第一步，要根據實際情境提出具體的學科問題，明確擬解決的問題及其核心；分析問題是基于學科必備知識與具體問題情境，深入剖析問題，尋求解決問題的依據和思路；解決問題是在分析問題的基礎上制訂科學嚴謹、切實可行、操作簡單的研究方案，通過按步驟執行研究方案得到實驗結果，通過數據挖掘與學理解釋，達成解決問題的目標。通過對生物學課程的學習和實踐，學生應當具備基本的實驗與探究能力。這既是中學生物學科教學的目標，亦是高考生物學考查的目標[3]。

2 實驗與探究能力的查考基于高考評價體系

高考命題工作依據高考評價體系，以“立德樹人、服務選才、引導教學”為核心立場，以“必備知識、關鍵能力、學科素養、核心價值”為考查內容，依據《考試大綱》進行命制[4]。以下就2017年高考理科綜合全國I卷第29題(例1)進行例析。

例1 根據遺傳物質的化學組成，可將病毒分為RNA病毒和DNA病毒兩種類型。有些病毒對人類健康會造成很大危害。通常，一種新病毒出現后需要確定該病毒的類型。假設在宿主細胞內不發生堿基之間的相互轉換。請利用放射性同位素標記的方法，以體外培養的宿主細胞等為材料，設計實驗以確定一種新病毒的類型。簡要寫出(1)實驗思路；(2)預期實驗結果及結論即可。(要求： 實驗包含可相互印證的甲、乙兩個組)

2.1 必備知識 高考生物學對實驗與探究這一關鍵學科能力的考查，必定涵蓋對解決問題所需的必備知識，以及基于能力目標的學科核心素養和核心價值。例1中，核酸的結構和功能、DNA和RNA成分的差異、病毒的增殖過程和放射性同位素標記法等是生物學基礎知識。對這些基礎知識的理解和掌握是解答上述29題的必備知識。

2.2 關鍵能力 實驗與探究能力是生物學科的核心能力，涵蓋對知識的綜合運用能力、分析和解決問題的能力、表達與交流能力等，是在形成知識框架基礎之上的拓展和延伸。在學習生物學這一實驗科學的過程中，實驗與探究能力是分析和解決生物學實際問題的基本技能。本試題要求設計實驗以確定病毒的核酸類型，簡要寫出實驗思路、預期結果和結論，就是考查對簡單生物學事實的驗證和初步探究的能力。

2.3 學科素養 生物學學科素養始終滲透對實驗與探究能力的考查。生物學學科素養是在學習生命科學知識過程中養成的綜合品質和正確的價值觀，體現在能夠從生物學科視角處理和解決相關復雜問題，反映出專業的科學精神與實踐能力。如例1中，要求考生根據所學生物學知識和實驗方法解決鑒定某種病毒核酸類型的問題，就是考查以專業方法解決實際問題的科學思維與科學探究品質。

2.4 社會責任 社會責任是生物學科核心素養的重要內容，高考生物學試題注重社會責任感培養的引導。當新型烈性傳染病毒蔓延時，對其本質和致病機理的認識可對其有效控制和預防提供策略性指導方案。例如，嚴重急性呼吸道綜合征(severer acute respiratory syndrome， SARS)是由新型SARS冠狀病毒感染所致的烈性傳染病，通過飛沫快速傳播，沒有特效藥物治療，需要采取快速研究以盡早控制感染。病毒的核酸是其關鍵組分，有DNA和RNA兩種類型，是病毒分類的重要依據。對新型病毒認識的第一步就是鑒定其核酸類型，例1就在這種新型病毒核酸鑒定的情境下展開，引導對現實生活的關注和思考，促使高度社會責任感的養成。

3 實驗與探究能力通過規范的表達與分析論證反映

利用科學規范的學術語言對問題進行分析、論證和表達是學科核心素養的體現。生物學科實驗與探究過程和結果需通過語言文字表達進行傳播和交流，包括具有學科專業化視角的分析、論證及表達。語言表達是進行交流的媒介，科學成果的傳播與傳承需要語言作為載體。實驗研究的傳播通常包括學術論文和口頭報告等形式。因此基本的語言表達能力是進行科學交流的基礎。自然科學研究成果的表述是為了學術交流，講究科學性、準確性、邏輯性、簡約性。

上述例1題要求寫出實驗思路、結果和結論，對科學語言表述能力的考查較為完整。對實驗思路的表述內容要包含實驗材料、實驗方法、實驗步驟等信息，行文需簡明、完整、邏輯、合理。能夠滿足以上要求的表述需要對擬探究的問題有科學的分析和提出專業的解決方案，并能夠用文字恰當的表達。嚴謹、規范的表述既是學術交流的基本方式，又是學習與研究的基本素養。在學習過程中應注意培養和加強科學語言表達的能力，以清晰準確地表達真實想法，提高自身的科學素養和綜合素質。

4 非選擇題是實驗與探究能力的有效考查方式

基于歷年高考生物學實測數據，非選擇題能夠有效區分考生的學科能力。為此，目前考查實驗與探究能力的高考生物學試題主要以簡答題和填空題兩種非選擇題方式呈現。前者要求考生厘清作答思路，依循學科邏輯與長句表達規范將完整的過程進行精準表達，考查要求較高(如例1)；后者在設問上層層遞進，反映由表及里的認知過程，呈現探究和解決問題的基本思路，要求考生對相對單一的具體問題思考后以規范的專業術語直接作答，考查要求相對較低，如2017年高考理科綜合全國Ⅲ卷第30題。

例2： 干旱可促進植物體內脫落酸(ABA)的合成。取正常水分條件下生長的某種植物的野生型和ABA缺失突變體幼苗，進行適度干旱處理，測定一定時間內莖葉和根的生長量，結果如圖所示。回答下列問題：

(1) 綜合分析上圖可知，干旱條件下，ABA對野生型幼苗的作用是___________。

(2) 若給干旱處理的突變體幼苗施加適量的ABA，推測植物葉片的蒸騰速率會_________，以對環境的變化作出反應。

(3) ABA有“逆境激素”之稱，其在植物體中的主要合成部位有_________(答出兩點即可)。

(4) 根系是植物吸收水分的主要器官。根細胞內水分的主要作用有_________(答出兩點即可)。

根據測量數據發現，例1題難度較大，區分度較好；例2難度適中，區分度良好。這兩道題均能有效地區分不同能力的考生，以實現高考的區分和選拔功能。例1要求寫出整體實驗設計方案，考查要求全面，難點亦在于此；而例2只要求對探究過程中的部分問題分析思考，如對莖葉和根長度的分析得知ABA在干旱條件下的作用。例1類的簡答題側重了實驗探究綜合能力以及科學表述能力的綜合考查，例2類題型側重了對實驗探究過程中具體問題的深度思考和分析。

實驗思路的表述要求科學性。例1中實驗采用的實驗材料有宿主細胞和放射性同位素標記的胸腺嘧啶或尿嘧啶，實驗方法是將病毒接種于宿主細胞擴增后檢測放射性。實驗思路的表述中需包含關鍵操作步驟的信息，以體現科學性。如宿主細胞要在含有放射性同位素標記的嘧啶培養基中培養后再接種病毒，以保證宿主細胞吸收了標記過的嘧啶；接種病毒后要培養一段時間以確保病毒有充分的擴增便于后續檢測，是檢測結果可靠性與實驗操作可行性的條件。實驗思路的簡要描述呈現了解決問題的思維路徑，體現出內在的邏輯性與可行性。如病毒大量增殖后顯現的放射性表現出其核酸類型，病毒的增殖需要在宿主細胞中完成；宿主細胞需要吸收放射性同位素標記的嘧啶，故而先要培養符合條件的宿主細胞，再接種病毒。對可行性的考慮包括接種病毒后需培養一段時間，當新擴增的病毒達到一定量再檢測其放射性，即選擇恰當的檢測尺度以達到實驗目的。實驗結論要基于實驗結果，應盡可能提供正反兩面、多層次的實驗結果來支持實驗結論。從不同角度或不同層次得到相似的結論，更加提高了結論的可信度。在例1中，若在含有放射性同位素標記的胸腺嘧啶培養基中擴增的病毒具有放射性，則接種病毒的核酸為DNA；若無放射性，則接種病毒核酸應為RNA，此時需要正面證實病毒核酸為RNA的直接實驗結果支持。為此，可采用與前述實驗相反的方法，即在含有放射性同位素標記尿嘧啶的培養基中擴增病毒；若新擴增的病毒具有放射性，則接種病毒的核酸為RNA。這樣兩組實驗的結果可相互印證、共同支持實驗結論，既有正面支持又有反面印證，以提高實驗結論的可靠性。這種實驗設計思路是生物學實驗探究中的常見思路，體現了實驗與探究過程中的科學嚴謹性，是實驗與探究能力的考查目標。

將以上兩題對比可知，例2是近年高考試題的常見題型，考生對此類試題較為熟悉，日常練習比較充分，思考和回答問題相對單一，作答難度較低；而例1題型較為陌生，近年高考試題中類似題型主要為遺傳雜交類，日常學習過程中可能沒有類似作答練習；加之作答要求高，需要寫出完整的實驗思路與預測結果，又處于高考這種特殊情況下思考作答，或許有慌亂緊張的心理變化，致使得分較低。由此反映出目前高中生物學實驗教學的薄弱，缺乏基于所學知識進行實驗設計與探究能力的訓練；還體現出科學規范表述能力的不足，對于相對完整的實驗思路不能恰當表達。例1實測結果應當引起高中生物學教學的重視與反思。

5 考查實驗與探究能力以引導中學實驗教學

目前在中學生物學教學過程中普遍存在忽視實驗教學和實驗操作的問題。其主要原因有開展實驗教學的設施要求略高，需要各種實驗材料和實驗儀器；耗費時間長，單次實驗占用較多課時數；教學效果差，學生完成實驗的質量較低，不能達到實驗教學目的。為了應付高考對實驗能力的考查，中學教學過程中常采用“教師講實驗、學生背實驗”來達到實驗學習目的。根據例1實測結果可知目前高中生物學實驗教學對學生實驗與探究能力培養的不足，大部分學生不能完成整體實驗方案的設計及進行科學嚴謹的表述，欠缺生物學科核心能力的訓練。

高考應充分發揮其引導教學的核心功能，促進教學的改進。通過充分的實驗教學和實驗操作，可豐富學生在新情境中思考問題的經歷，促進遷移和靈活運用所學知識解決實際問題的能力，增強其對實驗題目思考和作答的優勢。實驗操作經歷還有助于對相似實驗過程的理解，增強對復雜問題的處理能力。對例1和例2類似實驗題目的分析和作答，實際實驗操作和思考的經歷有助于更快更準地認識題目情境，明確考查意圖，發掘問題核心并思考作答。實驗操作是培養實驗與探究能力的重要途徑。實驗教學尤其是實際操作對于深入思考生物學問題、理解生物學理論知識、實現學以致用的目標大有裨益。在教學中應將理論知識應用與實際操作相結合，注重培養設計實驗方案解決生物學問題并進行科學嚴謹表述的能力。高考生物學對實驗與探究能力考查的加強，有利于引導中學教學中重視實驗操作，按照規律開展實驗教學，加強學科基礎，提高學生學科綜合能力，促進生物學科核心素養目標的實現。