聚焦高考“实验思路”设计提升实验探究能力

郑荣铃

摘 要：基于高考生物探究能力考查的高考评价体系，“实验思路”设计类问题是考查实验探究能力的有效载体。“实验思路”设计问题在近几年高考生物占有重要的地位。本文聚焦高考“实验思路”设计，阐述“实验思路”设计考查情况、类型、解题策略和教学建议，提升学生实验探究能力。

关键词：实验思路;实验探究;高考生物

实验与探究能力的考查能充分体现学生的关键能力、学科素养和核心价值。“实验思路”设计类问题是考查实验探究能力的有效载体。以新情境为背景，以实验思路设计为载体，充分体现学生运用学科知识解决实际问题的能力。有效地设计“实验思路”是学生存在的薄弱环节，加强此类问题分析、研究，教学指导是解决此类问题的重要途径。笔者将从“实验思路”设计考查情况、类型、解题策略和教学建议四个方面阐述，聚焦高考“实验思路”设计，提升实验探究能力。

一、高考生物“实验思路”类问题考查情况

通过对2019—2021年三年高考生物“实验思路”设计问题的考查情况分类、统计，2019年考查4题，2020年考查2题，2021年考查5题。通过比较、分析，相比于2020年高考，2019、2021年“实验思路”设计问题考查占比较高。2021年高考多省市高考生物自主命题，考查了这一题型，凸显出这类题型是高考生物试题的重要组成之一。

经过多年高三教学实践积累和高考学生答题情况反馈，高考学生在这类问题的错误主要集中在实验对象選择，自变量、因变量和无关变量处理，答题规范。基于以上问题，如何设计实验，如何规范答题，如何提高答题有效性，成为高考生物复习备考亟须解决的关键问题。在新高考评价体系下，重视新情境下解决问题的能力。在试题复杂的新情境下，厘清实验设计思路，用生物学语言表述实验设计是高考评价体系对学生的能力要求之一。高考生物学科要求学生能准确地叙述实验思路、分析解释实验结果和归纳总结实验结论，是指引学生表达实验与探究过程中的思维路径[1]。这种考查形式是纸笔测试下实验探究能力考查的重要途径，符合学生理解层次和高中教学实际。

二、“实验思路”设计问题的类型

科学实验探究过程所涵盖的问题剖析、思路建构、方法选择、结果分析、结论概括均需严密的逻辑思考、合适推理、归纳总结等[2]。高考生物对实验与探究能力的考查可有效地实现对逻辑思维能力的测评，而“实验思路”设计问题是考查实验与探究能力的良好载体。

高考生物“实验思路”设计问题，依据实验运用的实验思想方法、研究的问题和设问的方式综合分析、归纳和总结，笔者将其可分为六类如下：研究单一自变量对因变量的影响，研究两自变量间的关系（协同或拮抗关系）对因变量的影响，因变量不是A而是由B引起（A、B均代表自变量），运用对比实验进行研究，区分研究对象的类型，探究最适X（X可表示温度、物质浓度、pH等）。

三、不同类型“实验思路”设计问题解题策略

“实验思路”设计问题明确要求学生能从实验目的出发，以实验材料、用具为载体，阐述如何进行实验以达成实验目的，此类问题要求学生运用科学思维进行实验探究[3]。笔者以高考试题和部分省市质检题为例分析、总结解题策略，帮助学生更加思路清晰、高效地解决这类问题，提高学生在高考新情境下的实验探究能力。

“实验思路”设计问题的解题一般流程。从试题中确定实验目的;依托实验目的找出自变量、因变量和无关变量;处理自变量，选择合适的实验对象，根据自变量设置实验组与对照组;处理因变量，因变量需将相关信息转化为可观察或测量、统计的指标;控制各组无关变量相同;预期实验结果，可通过实验原理将假设的实验结论逆向演绎、推导。

（一）研究单一自变量对因变量的影响

单一自变量“实验思路”是指实验目的中仅有一个自变量的“实验思路”类问题。该类问题的关键是找准实验自变量，以此为实验设计的起点，以探究或验证自变量对因变量的影响。实验对象和用具的选择、无关变量的控制也是影响实验成败的因素。有时完成实验需要在特定的条件下（无关变量）才能实现，因此实验设计时还需考虑特定的条件以达成实验目的。例如2020年高考山东卷第22题（4）设计实验验证破坏脑—脾神经通路可降低小鼠的体液免疫能力。小鼠只有受到抗原刺激才可进行体液免疫，而题中要验证体液免疫能力的变化，必须给小鼠刺激抗原，故注射抗原作为无关变量。实验组与对照组均需要进行注射抗原处理，否则无法达成实验目的。

（二）研究两自变量间的关系对因变量的影响

研究两自变量间的关系对因变量的影响，两自变量间的关系是指两自变量间存在某自变量促进或抑制另一自变量而影响实验结果，或者两者间存在协同作用或者抑制作用。研究两自变量间的关系首先需要研究两自变量分别对实验的影响，需要设置一组空白对照组与自变量形成对照;其次再研究二者间的关系，两自变量均进行相应的处理以达成实验目的。例如，2021年高考山东卷第23（3），已知长期束缚会引起小鼠过度紧张、焦虑。请设计实验验证上述调节机制中长期束缚及肾上腺对黑毛小鼠体毛的影响。是否长期束缚和是否去除肾上腺均属于自变量，不做处理作为对照，长期束缚处理、去除肾上腺处理、去除肾上腺+长期束缚处理三组分别作为实验组，通过实验组间的相互比较以说明长期束缚和肾上腺二者之间的关系。

（三）因变量不是A而是由B引起

“因变量不是A而是由B引起”类实验思路问题，其中的A和B均代表自变量。学生通常在分析实验目的时认为B是自变量而忽略了A，这是学生在实验设计时出现的主要问题，因此找准实验的自变量是该类实验设计的关键。A、B均为实验的自变量，因此实验设计时需分别为A、B设置对照进行实验探究或验证。例如，2019年高考全国I卷第29题（3），“有研究表明：干旱条件下气孔开度减小不是由缺水直接引起的，而是由ABA引起的。请以该种植物的ABA缺失突变体（不能合成ABA）植株为材料，设计实验来验证这一结论”。本实验自变量为是否缺水和是否由ABA引起，既需要对缺水进行验证，也需要对ABA进行验证。

“因变量不是A而是由B引起”类实验思路问题，实验中含有A、B两个自变量，也可采用A、B两个自变量相互组合的方式进行实验分组验证或探究。据此实验可分成三组，即正常浇水、干旱处理、干旱+ABA处理。

（四）运用对比实验进行研究

运用对比实验进行研究是指运用对比实验的思想方法设计实验。实验探究时无须另设对照组，对比实验的两组或多组实验相互对照，以进一步验证、探究实验结果由何种因素所致。例如，2017年高考全国I卷第29题，利用放射性同位素标记的方法，以体外培养的宿主细胞等为材料，设计实验以确定一种新病毒的类型（DNA病毒还是RNA病毒）。DNA特有碱基是胸腺嘧啶，RNA特有碱基是尿嘧啶。分别将胸腺嘧啶、尿嘧啶用放射性同位素标记，两组形成对比实验以确定病毒的类型。

（五）区分研究对象的类型

区分研究对象的类型是指根据实验对象的特点，运用实验的方法区分研究对象。此类实验设计的关键是“去同求异”，即找出两个研究对象之间的差异性，以差异性为支点通过设计实验而区分研究对象。通常，将实验对象在特殊情况下处理，且一次实验即可区分不同的研究对象。例如，2021年高考河北卷第23题（4），“请设计一个简单实验，区分筛选平板上的醋酸菌和兼性厌氧型乳酸菌”。醋酸菌和乳酸菌的呼吸方式不同，醋酸菌只能进行有氧呼吸，二者区别能否在无氧条件下进行细胞呼吸，因此可通过创设无氧条件以区分醋酸菌和兼性厌氧乳酸菌。

（六）探究最适X

探究最适X的实验，其中X表示需研究的自变量，例如温度、浓度、pH等。探究最适X的实验，实验可设计为在一定范围内设置多组等X的梯度实验，处理实验对象，根据实验结果出现峰值或谷值确定最适X。例如，2011年高考全国I卷理综第31题（3），“某同学从温度为55℃—65℃的泉水中筛选出能合成脂肪酶的细菌，并从该细菌中提取了脂肪酶。根据该细菌的生活环境，简要写出测定该酶催化作用最适温度的实验思路”。确定最适温度可在55℃—65℃范围内设置等温度梯度，分别测定酶活性。若所测得酶活性出现峰值，峰值所对应的温度即为最适温度。

四、“实验思路”类问题的教学建议

在高考试题研究的基础上，引导学生运用“实验思路”类问题的科学思维方法，归纳、总结不同类型“实验思路”类问题的解题策略，提高学生的实验探究能力和科学思维能力。在教学实践过程可采取理论和实践相结合的方式，提高学生的高中生物实验学科素养。

（一）巧用教材实验，提高实验设计能力

高考“实验思路”类试题源于教材，但高于教材。教师应与学生共同分析教材的经典实验，深刻领会教材实验的科学思维方法，以灵活地迁移、运用于实验设计。利用教材实验领会实验设计的思路和方法。只有熟练教材实验的操作与设计思想，才能有效地运用合适的方法解题提高实验设计能力。例如，2017年高考全国I卷第29题，探究病毒的类型，运用了赫尔希、蔡斯噬菌体侵染细菌实验所用的对比实验方法，若学生熟练对比实验设计实验，该实验设计定会水到渠成。教材中鲁宾卡门探究氧气中氧来源实验、达尔文探究胚芽鞘感光部位的实验均运用了对比实验法。考查教材外的拓展性实验，能使学生在新的具体情境中，学会迁移应用、融会贯通，提高学科思维和创新能力。

（二）总结思维方法，厘清实验脉络

学生在复习备考时，师生需在教材基础上，结合实验设计的基本原则，归纳、总结出“实验思路”设计的思维方法，厘清实验脉络，准确写出实验设計思路、预期实验结果与结论。“实验思路”设计的思维方法：确定实验目的→找出自变量、因变量、无关变量→分组、处理自变量→控制无关变量→处理因变量→实验思路→预期结果、结论。在实验目的分析的基础上，精读题干，标出关键词，形成实验设计的基本脉络，有助于学生熟练掌握如何进行实验设计。

（三）巧设变式，融会贯通

学生掌握实验设计的技能，需要一定的训练，有效的训练能快速提高学生的实验设计能力。教师可基于教材实验或高考试题巧设实验设计的变式，引导学生有效地写出实验思路。在课堂上，教师可组织学生开展评价、修改完善实验设计，提高实验思路设计的针对性和效率。可用变式训练学生的实验思路设计。例如，“大豆在高pH环境下光合效率的下降不是由于高pH直接引起的，而是由乙烯引起的，设计实验来验证这一结论”，这一问题是源于2019年高考全国I卷第29题（3）的改造，通过变式训练能进一步提高学生对实验设计的理解与熟练度。

（四）创设平台，重视实验操作

在高中生物学教学过程中普遍忽视实验操作教学，其主要原因为开展实验教学的设施达不到要求，单次实验占用较多课时。教师要创设条件，让学生有机会进行实验操作。通过实验操作，可丰富学生在新情境中思考问题的体验，促进知识迁移和灵活运用知识解决问题的能力的提升，增强其对实验题目思考和作答的优势[4]。实验操作经历还有助于对类似实验的理解，提高对复杂问题的解决能力。例如，教师可创设条件组织学生探究生长素类似物促进扦插枝条生根的最适浓度，通过实验有助于学生运用等梯度实验来确定最适浓度。在实验教学中应将理论知识与实验操作相结合，注重创设一些新情境，以培养学生实验设计创新方案，解决实际问题并进行科学严谨表述的能力。高考生物加强实验与探究能力考查，有利于引导中学教学中重视实验操作，巩固生物学科基础，促进生物学科核心素养目标的实现。

（五）专题复习，构建实验体系

学生在学习过程中，知识碎片化难成体系，制约了学生形成完整的知识体系，影响了学科素养的提升。教师在实验复习时，可整合、归纳出实验设计的核心知识，转化为专题复习。在实验设计过程中，总结科学思维方法和解题技巧，培育学生的实验创新能力，提高复习的高度和效率。例如，在基因定位于何种染色体上，教师通过假设基因在染色体上的类型，尝试设计实验解决这类问题，以专题形式组织学生探究，形成基因定位于染色体的实验知识体系。在“实验思路”设计问题上，可利用笔者前述“实验思路”设计问题解题的一般流程来进行，综合归纳“实验思路”设计的类型，形成“实验思路”设计问题的体系[5]。

结束语

“实验思路”类问题是实验与探究能力的有效考查载体，提升实验探究能力是高中教学中的核心问题。通过引导高中实验教学，提高生物学科素养。提高学科素养，提高实验与探究能力，更需为学生创造实验操作、实践的平台。重视学科基础，提高生物学科综合能力，促进生物学科核心素养目标的实现。高中教学实践，实验探究能力考查还存在实验结果等分析，教师要善于引导学生开展研究、内化知识，转化为能力，开展有效教学培养学生实验能力，提高学科素养。

参考文献

[1]郭学恒.聚焦关键能力助力素养养成[J].中学生物教学，2019（9）：55.

[2]郭学恒.高考生物对逻辑思维能力的考查探析[J].中国考试，2019（9）：54.

[3]方伟奇.核心素养理念下的2019年高考全国卷Ⅰ生物试题评析[J].中学生物学，2019（10）：52.

[4]郭学恒.高考生物学对实验与探究能力的考查[J].生物学教学，2018（8）：71-73.

[5]李斌.高三生物学二轮复习的策略探析[J].生物学教学，2020（4）：17-18.