初中生物學實驗探究題命題的設(shè)問技術(shù)

謝亮

試題的三要素包括考查目標、刺激情景和設(shè)問3個維度。設(shè)問的質(zhì)量直接決定了“考試和評價”能否發(fā)揮導向激勵作用，促進核心素養(yǎng)落地，設(shè)問就是為達成考查目標服務(wù)的。為了達成考查諸多實驗探究能力與科學思維的目標，命題者應(yīng)立足于刺激情景特點，挖掘出符合考查目標的設(shè)問。

命題是學科教師的必備專業(yè)素養(yǎng)，命題研究是落實“教—學—評”一體化的重要路徑。因而，廣東省基礎(chǔ)教育教研基地（初中生物·中山）的建設(shè)目標之一是提升學科教師的命題能力，為此開展了系列的培訓及命題比賽等。筆者以“中山市初中學段生物學科選拔賽”命制的實驗探究題為例，闡述命題的設(shè)問技術(shù)。

命題的背景材料（節(jié)選）：

長期以來，中國處理生活垃圾的方法主要是不做分類，直接填埋。結(jié)果，垃圾中的有毒有害物質(zhì)污染空氣、土地、水資源；垃圾堆積滋生蚊蟲老鼠等有害生物，這些都嚴重損害人類健康。

后來，人們采用焚燒代替填埋。然而由于垃圾未經(jīng)預先分類，大量的不可燃垃圾（如金屬、玻璃制品，包括含水量很高的餐廚垃圾）被送進了焚燒爐。這導致焚燒溫度不夠高，含氯的廚余垃圾（例如食鹽）、塑料垃圾（例如聚氯乙烯）產(chǎn)生劇毒致癌物質(zhì)——二噁英。二噁英在自然環(huán)境中，很難降解消除，會隨大氣環(huán)流長距離遷移，經(jīng)皮膚、呼吸道和消化道進入人體或其他生物體內(nèi)。它會破壞人類免疫系統(tǒng)、導致甲狀腺激素和類固醇激素分泌失衡，影響生殖功能，甚至導致癌癥。更嚴重的是二噁英影響幼兒發(fā)育，導致胎兒畸形等。

在此背景下，從2019年07月01日起，上海成為中國第一個實施“垃圾強制分類投放”的城市。該市生活垃圾分為以下四類：

……

垃圾分類后，由于只把能燒的垃圾送進焚燒爐，焚燒溫度將顯著提高。當焚燒溫度高于850℃時，二噁英就不會產(chǎn)生，產(chǎn)生的熱量還可以發(fā)電……

基于背景材料，在中山市的四種填空題題型中，筆者選擇探究垃圾焚燒的實驗作為情境，命制了一道實驗探究題。試題情境如下：

二噁英是一種劇毒致癌物質(zhì)。很難在環(huán)境中降解消除，會通過各種途徑進入人體和其他生物體內(nèi)。如垃圾未分類，導致焚燒時溫度不夠高，含氯的廚余垃圾（例如食鹽）、塑料垃圾（例如聚氯乙烯）較易產(chǎn)生二噁英。

為了弄清楚二噁英在垃圾焚燒時的形成原因，科學家們做了以下實驗：

A：實驗用具：塑料垃圾，城市落葉，專業(yè)焚燒爐，氣體檢測設(shè)備等。

B：實驗過程及結(jié)果如下表：

一、確定實驗變量，圍繞變量進行設(shè)問

變量是指實驗設(shè)計中可以被操作的特定條件。根據(jù)在實驗中的作用可分為自變量、因變量和無關(guān)變量。根據(jù)實驗要求，設(shè)計者能改變的變量叫自變量；隨自變量的改變而改變的變量叫因變量，二者形成因果關(guān)系，實驗目的就是獲得并解釋這種因果關(guān)系。另外，實驗中可能還存在一些其他因素，會對結(jié)果造成影響，這些變量稱為無關(guān)變量。實驗中需要控制無關(guān)變量，以保證自變量與因變量的因果關(guān)系，增加實驗科學性。在命制實驗題時，只有首先弄清楚實驗中的各種變量，才能準確分析實驗步驟、實驗結(jié)果等問題。

垃圾焚燒時形成二噁英的原因是什么呢？根據(jù)刺激情景，我們發(fā)現(xiàn)主要有兩個原因：焚燒時垃圾的種類和焚燒時的溫度。

垃圾的種類。我們在日常生產(chǎn)、生活中，產(chǎn)生的垃圾種類非常多：可回收垃圾有廢金屬、廢塑料等，有害垃圾有廢電池、廢藥品等，濕垃圾有剩飯剩菜、枯枝落葉等，還有除這三類以外的干垃圾。垃圾的類別作為實驗的自變量，可選擇的實驗材料太過寬泛，容易造成難以控制無關(guān)變量的情況，從而干擾實驗的結(jié)果。所以本實驗分別從可回收垃圾中選擇了“塑料垃圾”，濕垃圾中選擇了“城市落葉”作為實驗材料。

焚燒時的溫度。日常的焚燒，溫度一般在300℃～650℃之間，容易產(chǎn)生有毒氣體。專業(yè)的垃圾焚燒爐通過使用二次熱解氣化技術(shù)，解決一次焚燒時產(chǎn)生的有害氣體。要達到二次熱解氣化，必須確保爐內(nèi)溫度一直維持在850℃以上。所以，實驗分為“普通焚燒（溫度低）”和“專業(yè)高溫焚燒（850℃以上）”。

在提出問題、進行假設(shè)、制訂探究方案、獲取事實和證據(jù)、形成結(jié)論等過程中，提出問題、作出假設(shè)、得出結(jié)論等三個實驗探究能力的測量目標是一致的，都需要對實驗設(shè)計方案的進行分析，尋找自變量與因變量的關(guān)系（提出問題）；實驗是基于哪個自變量對因變量的影響而設(shè)計的（作出假設(shè)）；證實自變量與因變量有何具體關(guān)系（形成結(jié)論）。

實驗可以設(shè)問如下：①本實驗研究的問題是什么？②實驗方案所依據(jù)的猜想與假設(shè)是什么？③通過實驗，形成的結(jié)論是什么？

參考答案：①是什么原因使垃圾焚燒時會產(chǎn)生二噁英。②二噁英的產(chǎn)生與焚燒垃圾的種類和焚燒時的溫度有關(guān)系。③焚燒時垃圾的種類和焚燒時的溫度會影響二噁英的產(chǎn)生。

因為提出問題、進行假設(shè)、形成結(jié)論這3個實驗探究能力的測量目標是一致的，在實際命題中，往往只需要對其中一點進行設(shè)問即可。

二、聚焦對照實驗，圍繞實驗設(shè)計進行設(shè)問

對照實驗包含實驗組和對照組。為了確保實驗結(jié)果只是由于自變量的不同而引起的，應(yīng)當使對照實驗的兩組除自變量以外，其他條件都要相同。根據(jù)實驗的需要可以設(shè)置一組對照，也可以設(shè)置兩組或兩組以上的對照。

刺激情景中提到：“如垃圾未分類，導致焚燒時溫度不夠高，含氯的廚余垃圾（例如食鹽）、塑料垃圾（例如聚氯乙烯）較易產(chǎn)生二噁英。”基于此，實驗設(shè)計為：甲組（普通焚燒塑料垃圾）與乙組（普通焚燒城市落葉）形成一組對照實驗；甲組（普通焚燒塑料垃圾）與丙組（專業(yè)高溫焚燒塑料垃圾）形成一組對照實驗。

聚焦對照實驗，圍繞實驗設(shè)計進行設(shè)問，實驗可設(shè)問如下：①甲組與_____組對照，變量是焚燒垃圾的種類。②甲組與乙組形成對照，變量是_____。③為了研究焚燒溫度對于二噁英形成的影響，可將甲組與丙組設(shè)計為一組對照試驗，①處應(yīng)加入的物質(zhì)是_____。④表（見上頁）中空白處應(yīng)加入的物質(zhì)是_____，理由是_____。

參考答案：①乙。②垃圾的種類。③塑料垃圾100g。④塑料垃圾100g；單一變量原則/控制溫度這一個變量。

上述兩題考查的相同背景知識的實驗設(shè)計能力，只是設(shè)問角度不同，題目難度也有所不同。其中，①和③都是基礎(chǔ)設(shè)問，學生只需對表格中的情景進行簡單分析即可作答；而②和④都需要學生有一定的歸納、推理能力，②中對于變量的填寫，刺激情景中沒有明確提及，需要學生自己歸納總結(jié)。我們在命題時，可根據(jù)實際情況，選擇相應(yīng)難度的設(shè)問。

三、邏輯推理適恰，圍繞歸納演繹進行設(shè)問

推理是科學探究過程中的一種綜合能力，是科學思維的具體體現(xiàn)。科學思維是指尊重證據(jù)和事實，崇尚嚴謹和務(wù)實的求知態(tài)度，運用科學的思維方法去認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力。在實驗過程中，必須根據(jù)實驗的結(jié)果做出合理的推理，才可能形成結(jié)論。要想使推理的結(jié)果更可靠，就需要實驗者仔細觀察和測量，把結(jié)果盡可能詳盡地記錄下來。同時，要全方位考慮各種因素對實驗的影響，擇取最可靠的推理作為結(jié)論。

正是因為各種因素? 的存在影響著推理的合理性，所以在命題時，可以將其作為測量目標，通過設(shè)問“推理是否有不足之處”來考查推理、演繹能力。

實驗可設(shè)問如下：①通過實驗發(fā)現(xiàn)，普通焚燒城市落葉時無二噁英產(chǎn)生。某同學由此推測：農(nóng)民焚燒農(nóng)作物秸稈也無二噁英產(chǎn)生。老師認為，這樣的推理不夠合理，理由是：_____。②某同學根據(jù)推測：農(nóng)民焚燒農(nóng)作物秸稈不會產(chǎn)生二噁英。老師認為，要使推理合理，需要一個前提條件，即：_____。

參考答案：①農(nóng)作物秸稈可能含有合成二噁英的原料（如含氯物質(zhì)）。②農(nóng)作物秸稈不含合成二噁英的原料（如含氯物質(zhì)）。注：研究表明，使用農(nóng)藥會使秸稈燃燒釋放二噁英。

如上兩個問題測量目標是一致的，只是設(shè)問的形式不同而已，所以應(yīng)答也基本一致。測量目標的關(guān)鍵點就是在于演繹推理是否合理，而演繹推理的合理性就在于對整個實驗的綜合分析，特別是對變量的辨析。此處由“普通焚燒城市落葉不產(chǎn)生二噁英”，推理出“焚燒農(nóng)作物秸稈也不產(chǎn)生二噁英”，這樣的推理需要一個前提條件，這種隱藏的前提條件給推理者帶來了“負面”推理效果。當然，從命題的角度來看，正是這種“負面”效果，為命題提供了豐富的設(shè)問素材。

四、聯(lián)系生活實際，圍繞社會責任進行設(shè)問

社會責任是指基于對生物學的認識及對科學、技術(shù)、社會、環(huán)境相互關(guān)系的理解，參與個人和社會事務(wù)的討論，做出理性解釋和判斷，解決生產(chǎn)生活問題的責任擔當和能力。生物實驗探究題命題時，也應(yīng)注意指引學生關(guān)注與生物學相關(guān)的社會問題，初步形成主動參與社會決策的意識。

此題可以設(shè)問如下：作為中學生的我們，在垃圾分類方面，可以怎么做？請寫出兩點。

參考答案：①加強理論學習，明白垃圾的種類。②以身作則，分類投放垃圾。③提醒父母及身邊同學等，注意垃圾分類。④參與社區(qū)公益等活動中，加強宣傳垃圾分類等（此題具有開放性，答案不是唯一，只要做法合理，符合中學生身份即可）。

此題旨在引導學生熱愛自然，提高保護環(huán)境的意識，在檢查學生語言表達的同時，突出對生物學科核心素養(yǎng)，特別是對學生社會責任感培養(yǎng)情況的考查，了解學生能否用生物學的視角，主動參與解決社會的實際問題。

生物學實驗探究題以其較強的甄別功能在“廣東省初中學業(yè)水平考試（生物學）”中占據(jù)了重要的位置。其內(nèi)含的科學探究能力是多元的，復雜的。對于實驗探究題的命題，測量目標在于確定實驗變量、完善實驗設(shè)計、明晰邏輯推理、緊扣學科素養(yǎng)等方面去挖掘，這是實驗探究題命題的設(shè)問技術(shù)，也是教師日常教學與復習的工作重點。

注：本文系廣東省基礎(chǔ)教育教研基地項目（初中生物·中山）研究成果