結構化復習 提升實驗探究能力

四川 葛方金

《普通高中生物學課程標準（2017 年版2020 年修訂）》將“科學探究”列為學科核心素養的重要組成部分，它指能夠發現現實世界中的生物學問題，針對特定的生物學現象，進行觀察、提問、實驗設計、方案實施以及對結果的交流與討論的能力。《中國高考評價體系》也將“實踐操作能力群”作為考查的關鍵能力群，其主要包括：實驗設計能力、數據處理能力、信息轉化能力、動手操作能力、應用寫作能力、語言表達能力等等。近年的高考試卷中，實驗類試題在選擇題和非選擇題部分都占有一定比例，對學生來說挑戰難度越來越大。那么，如何高效復習實驗，提升學生的科學探究能力呢？經實踐，筆者認為結構化復習是有效的路徑。

1.統整教材實驗，融會貫通

普通高中生物學教材中有大量的實驗內容，包括演示實驗、分組實驗、資料分析和科學史實驗等，其中蘊含著豐富的實驗原理、基本的實驗方法和技術、科學探究的思想和精神。它們既是命制選擇類實驗題的出發點和落腳點，其實驗原理和思想、方法和技術也是完成非選擇類實驗題的必備知識和技能。因此，以一定的邏輯主線歸類統整教材實驗，可讓學生在比較與分析中深刻理解有關實驗的異同，洞悉其之間的內在聯系，有組織、系統地掌握實驗原理、方法和技術，從而融會貫通。

1.1 歸類教材實驗內容

按完成實驗所需的基本技術，可將教材基本實驗歸類為顯微觀察類（如表1）、物質提取類、檢測和微生物的鑒定類、調查類、探究類。

表1 顯微觀察類實驗

續表

1.2 歸納教材實驗方法

表2 教材基本實驗方法

1.3 統整實驗試劑的作用

有些實驗試劑在教材的不同實驗中均有使用，但在不同實驗中其濃度、方法或作用不完全相同，因此，教師可依據實驗試劑的作用對教材實驗進行歸類統整，使學生深度理解有關實驗試劑的使用方法和作用。如可對生物學實驗中普遍使用的酒精、鹽酸（如表3）和氫氧化鈉溶液的作用進行歸納總結。

表3 鹽酸在不同實驗中的作用

續表

通過統整，可以對教材實驗的復習進行連續設計，組織、結合成一個有意義的整體課程，這樣可以保證學生學習的深刻性、綜合性，使學生融會貫通地掌握教材實驗的基本內容和方法。

2.實驗設計，分類構建策略

高考試卷中的實驗設計類試題主要考查形式有設計和完善實驗步驟、設計實驗思路、實驗分析和評價。教師對不同類型實驗題進行訓練和指導，歸納、構建答題策略，可以提升學生的科學思維和科學探究能力。

2.1 設計和完善實驗步驟

【例1】（2018 年，全國卷Ⅱ，第29 題）為研究垂體對機體生長發育的作用，某同學用垂體切除法進行實驗。在實驗過程中，用幼齡大鼠為材料，以體重變化作為生長發育的檢測指標。回答下列問題：

（1）請完善下面的實驗步驟

①將若干只大鼠隨機分為A、B 兩組后進行處理，A 組（對照組）的處理是__________；B 組的處理是___________。

②將上述兩組大鼠置于相同的適宜條件下飼養。

③______________。

④對所得數據進行統計處理與分析。

（2）實驗結果與分析

B 組大鼠生長發育的狀況不如A 組，出現這種差異的原因是由于B 組的處理使大鼠缺失了來源于垂體的_________激素和_________激素。

【參考答案】（1）①手術但不切除垂體 切除垂體 ③每隔一定時間，測定并記錄兩組大鼠的體重（2）生長 促甲狀腺

【試題分析】本題以“研究垂體對機體生長發育的作用”為情境，考查學生的實驗與探究能力。

（1）依據題意可知：本實驗的目的是研究垂體對機體生長發育的作用，自變量是垂體的有無，因變量是通過檢測幼齡大鼠體重的變化來反映其生長發育的狀況，其他對實驗結果有影響的無關變量應控制相同且適宜。據此，結合題意所示的實驗方法（切除法）和不完善的實驗步驟和實驗設計的基本原則，可判斷①A 組（對照組）手術但不切除垂體，B 組切除垂體；②每隔一定時間，測定并記錄兩組大鼠的體重。

（2）垂體分泌的促甲狀腺激素可促進甲狀腺的生長發育，調節甲狀腺激素的合成、分泌。垂體分泌的生長激素和甲狀腺分泌的甲狀腺激素都有促進生長發育的作用，但前者主要促進生長，后者主要促進發育，二者相互協調機體才能正常的生長發育。由于B 組的處理使大鼠缺失了來源于垂體的生長激素和促甲狀腺激素，因此B 組大鼠生長發育的狀況不如A 組。

【策略構建】設計實驗步驟：

①取材分組編號；②施加自變量；③控制無關變量；④檢測因變量。

2.2 設計實驗思路

【例2】植物葉片表皮上分布有大量的氣孔，氣孔結構如圖所示。當組成氣孔的細胞（保衛細胞）吸水后，會膨脹變形，氣孔開啟；反之細胞失水收縮，氣孔關閉。請以放置一小段時間的菠菜為材料設計一個實驗，證明氣孔具有開啟和關閉的功能。（要求寫出實驗思路，預測實驗結果。）

氣孔結構示意圖

【參考答案】取菠菜葉，用清水制成臨時裝片，在顯微鏡下觀察氣孔狀態；預測現象：氣孔開啟。在裝片上滴上濃鹽水，一段時間后在顯微鏡下繼續觀察氣孔狀態；預測現象：氣孔關閉。

【試題分析】本題創設了“氣孔的結構和氣孔開閉的原理”這一問題情境，要求學生以放置一小段時間的菠菜為材料設計一個實驗，證明氣孔具有開啟和關閉的功能，考查學生獲取信息的能力和科學探究能力。根據必修1 教材“探究植物細胞的吸水和失水”實驗的原理和步驟，本實驗的自變量是菠菜葉細胞所處的外界溶液，因變量是通過在顯微鏡下觀察氣孔狀態來反映其開啟和關閉。運用教材實驗中滲透作用的原理，取菠菜葉，用清水制成臨時裝片，在顯微鏡下觀察氣孔狀態；預測現象：氣孔開啟。在裝片上滴上濃鹽水，一段時間后在顯微鏡下繼續觀察氣孔狀態；預測現象：氣孔關閉。通過自身前后對照的方法，即可證明氣孔具有開啟和關閉的功能。

【策略構建】設計實驗思路：

①控制自變量；②檢測因變量。

實驗思路和實驗步驟的區別：實驗步驟是實驗思路的具體實施，它更加具體，重視操作；實驗思路更加宏觀，它是大體的構思和框架。

2.3 實驗分析和評價

【例3】為驗證“鎂是植物生活的必需元素”，兩位同學進行了實驗設計，下列是實驗的基本思路。請分別指出兩個實驗思路能否達到實驗目的，為什么？

（1）實驗一：取生長狀況一致的大豆幼苗，用符合實驗要求的容器進行培養。對照組容器內只盛有蒸餾水，實驗組容器內盛有用蒸餾水配制的鎂鹽溶液。兩組置于相同的適宜條件下培養，并對溶液通氣，觀察比較兩組植物的生長發育情況。

（2）實驗二：取生長狀況一致的大豆幼苗，栽培在盛有砂性土壤的容器中（砂性土壤肥力均勻，容器符合實驗要求），對照組澆以蒸餾水，實驗組澆以用蒸餾水配制的鎂鹽溶液，兩組置于相同的適宜條件下培養，觀察比較兩組植物的生長發育情況。

【參考答案】（1）不能。因為蒸餾水和鎂鹽溶液均缺乏植物必需的礦質元素而使兩組植物生長均不正常。

（2）不能。因為兩組容器內的砂性土壤中都可能含有鎂離子。

【試題分析】本題以“驗證鎂是植物生活的必需元素”為情境，要求學生依據實驗設計的基本原則，對實驗進行分析與評價，主要考查學生的批判性思維和實驗探究能力。根據實驗目的“驗證鎂是植物生活的必需元素”可知，本實驗的自變量是培養植物的營養液是完全營養液還是缺鎂的完全營養液，因變量是通過觀察比較植物的生長發育情況來反映鎂是植物生活的必需元素，其他對實驗結果有影響的無關變量應保持相同且適宜。聯系必修1 教材中“查找資料，了解某一種植物生長發育需要哪些無機鹽。設計實驗，證明某一種或某幾種無機鹽是這種植物生長發育所必需的”技能訓練，運用溶液培養法，取生長狀況一致的大豆幼苗，用符合實驗要求的容器，對照組盛有含植物必需的各種礦質元素的完全營養液，實驗組盛有不含鎂離子的完全營養液，兩組置于相同且適宜的條件下培養，并對溶液通氣；觀察比較兩組植物的生長發育情況即可驗證鎂是植物生活的必需元素。

【策略構建】

實驗分析題型：

①實驗名稱：探究/驗證自變量對因變量的影響；

②實驗原理：自變量作用的科學原理；自變量引起因變量變化的原理；操作自變量的原理；因變量檢測原理；

③實驗結果：看到的現象或能檢測到的指標；

④實驗結論：根據觀察到的檢測結果，說明自變量對因變量的影響（分為驗證性實驗和探究性實驗）。

實驗評價題型：

①對照設計是否合理：看有無對照，若有對照，則看自變量設置是否合理，是否有分組標記，是否排除了無關變量的干擾等。

②實驗基本原則是否遵循：對照原則、單一變量原則、科學性原則、平行重復原則、簡便可行性原則。

③步驟、器材、條件是否選擇得當：步驟是否完整，順序是否合理；材料的選擇、使用方法、用量是否合理；是否需要攪拌、加熱等，實驗所控制的光、溫度等環境因素是否合理等。

總之，教師可以通過結構化復習，將逐漸積累起來的實驗基本原理、方法和基本技術加以歸納和整理，使之具有結構層次，成為有組織、有內在聯系的系統性知識，實現對教材實驗的深度掌握和靈活應用。分類構建實驗設計題的策略，可以達到對學生進行結構化的訓練和指導，提升科學探究能力的目的。