基于初中生物學科學探究的紙筆測試命題之思考

伯海英

（廈門市教育科學研究院，福建 廈門 361004）

科學探究是學生理解生物學概念、建立生命觀念不可或缺的學習方式，科學探究素養是學生理解和應用生物學知識解決問題綜合水平的重要體現，學生需親歷科學探究過程才能得以發展該素養。只有有效考查學生的科學探究能力，才能有利于教師研究和提升科學探究的“教”，促進學生發展科學探究能力的“學”。教育部《關于加強初中學業水平考試命題工作的意見》中，明確要求通過命題改革推動“教師積極探索基于情境、問題導向、深度思維、高度參與的教育教學模 式”［1］。紙筆測試如何更有效地評估學生科學探究能力，一直是中考命題研究的熱點和難點。

一、科學探究紙筆測試題仍存在“機械傾向”

1.問題情境囿于學生熟悉的教材實驗及其簡單變形

以人教版為例，教材設計了豐富的科學探究活動，諸如探究非生物因素對生物的影響、種子萌發的條件、光合作用和呼吸作用系列實驗、饅頭在口腔中的消化作用等實驗，是學生理解科學探究的重要載體。將這些實驗及其簡單變形編制在日常作業或者單元測試中，有利于鞏固和加強學生對科學探究理解，但是僅囿于此是不夠的，學生容易根據經驗進行機械套用，無法真正檢測和促進探究能力的發展。

2.“套路式”的設問或易于從題干中直接獲取作答信息

例如，在題干中完整表述了研究目的，如“科研人員研究重金屬汞對小麥種子發芽率的影響”，要求學生回答該實驗研究的問題和變量，教師給出的答題套路是：①找到這句話，并且把句號改成問號，就是實驗研究的問題，如“重金屬汞對小麥種子發芽率有影響嗎？”②探究問題的結構一般是“實驗研究的變量對觀測指標的影響”，按照這個“規律”找到變量。再比如，考查實驗設計常設問“重復實驗的目的”，要求回答“避免偶然性”；考查數據處理常設問“取平均值的目的”，要求回答“減少誤差”，學生可背記答案答題。凡此種種機械考查視角，無法評估學生對科學探究的理解，對發展學生學科核心素養無益。實際上，一旦題目情境和設問略有創新，“套路”失效，學生便無所適從。

二、多角度優化科學探究紙筆測試有效性

高中生物學考查科學探究的試題中，大多需要關聯生物學概念進行原理分析、結果預測、結果解釋、結論應用等，偏向于在實驗情境中考查與生物學概念相關的分析、解釋、概括、推理、綜合等科學思維。初中生物學中原理性知識比較淺顯，科學探究類試題在關聯概念解釋、推理方面的考查顯著弱于高中，相較而言，更偏于考查對科學探究本身的理解，例如設置對照實驗、控制單一變量、設計重復實驗、實驗數據圖表分析、結論表述等。為了提高考查有效性，亟待豐富情境選材、創設真實情境、多角度創新設問，突顯生物學概念原理與科學思維相結合解決問題。

1.選擇情境

情境是探究的載體，一般涉及學科情境、生活情境、學術情境，不同類型的情境考查側重點和教育價值不同，都需以真實為前提，杜撰或想當然的情境不僅違背科學精神，也容易出現科學性錯誤。與學生現實生活密切聯系的生活情境，例如發酵食品制作、食品保存、植物生長、動物行為等，對于引導學生觀察生活、學以致用是很有價值的，這類素材有賴于日常對實踐證據、文獻依據的搜集，作為試題情境考查學生提出問題、設計實驗的能力。學術情境指利用科技文獻作為試題情境，其真實、新穎特征有利于規避“題海戰術”，提高考查科學探究的有效性，也是近年來中考科學探究類試題重點方向。正確理解文獻中的科學實驗，并根據初中學生認知水平進行合理簡化，是命制該類試題的關鍵。

2.問題和假設

只有在具體情境中才能有效考查學生提出科學的、合理的探究性問題的能力，其中確定研究的變量是提出問題的關鍵，學生應能識別情境中的探究性問題，并有依據地作出假設，假設應體現研究的變量引起的因果關系。

【例1】將等量a 細菌接種到已消毒的培養基上，培養24 小時，具體操作和結果如下表。該實驗研究的問題是_____。

【例2】小紅發現在水、溫、氧氣條件適宜時，綠豆種子在不透光櫥柜里會萌發，提出“綠豆種子萌發是否需要光”的疑問。請針對該問題作出合理的假設：____。

例1 屬于逆向設問，要求學生根據實驗設計和結果反推研究問題，學生應通過觀察表格信息，判斷實驗變量是溫度，實驗要解決的問題是找到適宜細菌a生長的溫度。例2 中，學生如果按照“套路”答題，將問題直接改為陳述句，回答“綠豆種子萌發需要光”，這個答案并不合理，因為它忽略了合理假設必須依據一定的知識、經驗或事實的原則。對問題和假設的考查有更多靈活的視角，比如例1 可轉化為設問“該實驗研究的目的是？”通過靈活設問避免學生靠“套路”作答，實現有效考查。

在真實生活或科學研究中，能抓住關鍵變量提出值得探究的問題，并且確定正確的假設方向是非常重要的，這是研究獲得成功的前提。教師在教學中應有必要的示范，示范如何在觀察的基礎上，抓住關鍵要素，準確把握事物之間的聯系，指導學生答題關鍵是變量明確具體、表述完整規范，而不是機械的“套路”。

3.設計和實施

科學探究中理解、運用實驗原則是關鍵。學生要記住科學探究應該遵循科學性、單一變量、平行重復等原則并不難，關鍵是在新情境中能否靈活應用原則、結合生物學知識和思想方法來分析和解決問題，這是紙筆測試中應著力考查的內容。具體可考查學生是否真正理解科學探究應正確關聯的科學概念、恰當的材料和手段，是否真正理解對照實驗，如何控制單一變量，如何控制無關變量相同且適宜，是否設計重復實驗提升實驗結果的可信度等等，其中，識別和控制實驗變量、觀察或監測觀察指標，是區分探究能力的關鍵點之一。

【例3】一組針對實驗設計和實施的設問舉例

（1）探究大豆種子萌發所需的環境條件，……各裝置的設置及實驗結果如下表（空出實驗組或對照組的部分條件）……表格中的①②對應的環境條件應設置為▲。

（2）題干呈現設計方案……要探究“萬壽菊的花提取液對褐孢霉是否有抑制作用？”應選用▲組和▲組作為對照實驗。

（3）在該實驗基礎上，研究小組打算進一步研究光對根提取液實驗效果的影響，他們應該再補充一組實驗，其設計應與▲組相同，并置于▲環境中培養。

（4）要進一步比較入侵植物馬纓丹和薇甘菊的觸殺效果，保持上述實驗步驟③-⑥不變，請設計步驟①和②：①▲；②▲。

（5）在相同的測試箱中，測定不同光照強度時植株的光合作用強度。……測試箱中需要控制的無關變量，除植株長勢外，還應有▲。

（6）為提高溫室番茄產量，某研究者據圖分析，提出“每日增加光照4 小時”的建議，寫出該建議的合理與局限之處。

（7）為探究光照強度對光合作用速率的影響，用調節白熾燈與植物的距離來控制變量，這樣做是否合理？請簡述理由：▲。

（8）對植物進行長期遮光處理后發現葉片氣孔數目變少、直徑變小，為探究這種變化是否能遺傳，請寫出實驗設計思路：▲。

設計和實施的測試重點，已逐漸從具體步驟描述轉向思路設計，更加直接聚焦于科學思維考查，一定程度規避了機械背記和套用。針對初中學生的認知水平和表達能力可選擇多樣的考查形式，如給定變量，要求補充關鍵步驟形成對照實驗（例3-（1））；給定一組實驗的條件，要求根據單一變量原則設計另一組（例3-（2）（3）（4））；給定研究的變量（自變量），要求分析確定或控制實施中可能的無關變量（例3-（5））；給定實驗方案，要求根據科學探究原則，找出方案中的不足或精妙處，或要求對結果進行預判，分析方案的合理和局限性，并進行修正（例3-（6）（7））；給定實驗目的，要求寫出設計思路（例3-（8））等。通過情境的新穎度、條件的隱蔽性、設問的開放度和表達要求等進行變式設計，在科學探究理解水平、思維的靈活性、嚴謹性、創新性等加大區分度。

4.結果和結論

解釋證據并基于證據推測結論是科學探究類紙筆測試的高頻設問點，體現生物學基于科學實證的學科本質。設問視角主要有兩個方向：一是分析和解釋結果、二是根據結果推出結論。常以實驗現象圖文描述、實驗數據圖、數據表來呈現實驗結果，要求學生分析實驗變量與觀測指標的因果關系，提煉現象、數據變化的規律性，結合生物學概念原理對實驗結果進行解釋、推斷等，考查學生獲取和甄別信息，結合生物學原理進行科學解釋、邏輯推理并提煉和表達結論等科學探究能力。這類試題的命制往往基于學術情境，需要命題者深入挖掘實驗數據圖表中需要學生歸納推理、溯因推理等考查點。實驗結果和結論的考查還可挖掘更多靈活的視角，如多圖表關聯設問，要求學生先理順不同實驗因素之間的關系，從中甄選答題信息；逆向設問，要求學生通過分析結果反推實驗問題和設計思路；又如應用性拓展設問，要求學生將實驗證據、結論應用于解釋和解決生活、生產實際問題。

【例4】2018 年福建生物中考第34 題（圖1）以四條曲線呈現實驗結果，第（3）題要求回答“分析曲線，隨炮制時間增加，亞硝酸鹽含量變化趨勢均表現為▲”；第（4）題要求回答“分析比較四條曲線亞硝酸鹽含量最大值，不同濃度食醋對泡白菜亞硝酸鹽含量的影響是▲”。兩道題分別從橫向觀察和縱向比較設問，考查學生能否獲取正確的信息，推理能否基于證據、邏輯是否清晰合理嚴密。學生面對四條曲線，首先要分析設問方向，甄別解決問題應選擇的有效證據，證據選擇錯誤可能答非所問。

圖1 添加不同濃度食醋的泡白菜種硝酸鹽含量的變化

初中生物學科學探究類試題中，有不少題目雖然以生物學實驗為背景，但通過分析結果信息可直接提煉結論，不需關聯生物學知識，因此考查點單純落在科學探究技能和科學思維。筆者認為這并不是理想試題。包容性好的科學探究題，應需要關聯生物學概念、原理解決問題，即需要尋求相應的生物學概念及原理進而進行溯因推理。

【例5】以研究紫葉芥菜與綠葉芥菜光合作用的差異為背景，要求學生根據實驗結果（圖2），回答：（3）光照強度高于B 點時，栽培▲芥菜產量較高；低于該強度時，▲芥菜生長較好；（4）光照強度超過A 點（曲線與橫坐標軸的交點），研究人員測得密閉測試箱中二氧化碳的量開始下降，原因是▲；（5）據圖，從光照強度和光合作用強度關系說明：其他條件適宜時，無法采用不斷增加光照強度的措施來提高芥菜產量：▲。第（3）（5）題定位于分析結果推斷結論，但沒有直接問結論，而是將實驗證據運用于分析生產實際，考查學生遷移證據的能力；第（4）題定位于解釋結果，考查學生結合生物學原理分析、解釋實驗現象的能力。并從分析、表達難度上設計了遞增梯度。

圖2 不同光照強度紫葉芥菜和綠色紫葉芥菜單株光合作用強度

【例6】一組針對實驗結果和結論的設問舉例

（1）對照分析表1 和表2，對洋桔梗營養器官生長影響最顯著的是▲肥。在保持氮肥0.4 g/L、鉀肥0.3g/L 的情況下，促進洋桔梗開花的磷肥最適用量是▲g/L。

（2）……該實驗可用于論證的觀點是▲；實驗結果支持該觀點嗎?▲

（3）興趣小組建議用2.0g/mL 薇甘菊提取液觸殺非洲大蝸牛。請根據實驗結果解釋該建議的合理性：▲。

（4）……小明根據數據判斷“兩種因素共同作用能提高玉米產量”，請分析該判斷的合理和不足，并修正不足之處。

在這組設問舉例中，第（1）題要求多表關聯分析，第（2）題要求逆向推理解釋，第（3）（4）題則屬于應用性拓展設問，要求學生遷移證據解釋實際問題。

【例7】2020 年福建生物中考第34 題

題干中先給出了生產實踐中的現象“在種植兩個品種的扁豆時發現，大量的蚜蟲寄生在綠色扁豆上，而相鄰的紫色扁豆上僅有少量”，提出“蚜蟲為什么不選擇紫色扁豆呢？”給出“假設一：蚜蟲對扁豆的選擇與顏色的刺激有關”及其相關實驗設計，第（1）題設問“由于黑暗環境中蚜蟲不能接受顏色刺激，步驟③“將甲、乙裝置分別放在兩種實驗環境中”，兩種實驗環境應分別是▲”；第（2）題設問“如果觀察到甲裝置中大多數蚜蟲出現在綠色扁豆上，乙裝置中大多數蚜蟲出現在▲色扁豆上，則假設不成立。”

接著，補充題干信息“經分析發現紫色扁豆中含有物質A，而綠色扁豆中沒有”，并提出“假設二：蚜蟲對扁豆的選擇與物質A 有關”，并以表格形式呈現相關實驗設計，第（3）題就實驗變量和實驗步驟設問；第（4）題就實驗結果設問。

從上述試題簡述看，該題設問新穎，在基于現象提出問題、作出假設，基于問題和假設設計實驗，根據實驗結果論證假設合理性等方面，以及問題、假設、實證、結論等內在邏輯關系等方面做出積極的探索。第（1）題變換角度，巧妙地考查學生是否準確抓住實驗變量、進行實驗設計，通過設計明亮和黑暗的環境，實際上造成蚜蟲對顏色的不同感知；第（2）題以“假設不成立”反推現象，考查學生是否真實理解實驗設計原理，是否正確建立假設和現象的關系；第（3）題考查學生對實驗變量和無關變量的理解；第（4）題給定實驗結論，要求學生從實驗結果中尋求證據，滲透了論證的思想。

總之，在提升科學探究紙筆測試的有效性方面，我們還有很多路要走。但是“考”不是目的，以考促學，真正提升學生科學探究能力才是硬道理。初中生物學教師在實施科學探究教學時，除了以教材科學探究活動為載體，還應積極創設新情境，帶領學生在問題解決中學習，這對教師教學能力提出更高的要求。首先，教師要主動學習已有優秀教學和試題中的情境和設問，提升自身對科學探究的多角度、多層次理解；其次，從模仿開始，以激活思維、促進學生理解科學探究為出發點，拓展設問的靈活性和有效性；然后，采用支架式教學策略，為學生解決問題搭設必要的支架，并逐步撤離這些支架，直至學生能獨立解決新情境下的科學探究問題；最后，指導學生形成問題解決圖式，提升解決問題效率。學生分析和設計實驗能力較難提高，和鮮于從成功案例中提煉問題解決經驗策略有關。問題解決圖式融合原理、策略、程序等的積極認知結構，教師可通過變式訓練，指導學生比較、概括和應用問題解決圖式，也有助于提升學生元認知水平。