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高考生物学对实验与探究能力的考查

[日期:2018-12-13] 来源:生物学教学 2018年第8期  作者:郭学恒(教育部考试中心) [字体: ]

摘  要  贯彻落实立德树人、培养生物学科基本能力是高考生物学科的目标。高考生物学在实验探究的具体情境中,基于所学知识的理解、综合运用和生物学科思维进行命题以考查实验与探究能力。本文从考查目标、高考评价体系、规范表达、考查方式以及教学引导等方面对高考生物学实验与探究能力考查进行分析阐述。


关键词    生物学  实验与探究能力  高考评价体系

 

    2017 年高考全国卷生物学科试题严格遵循《2017 年普通高等学校招生全国统一考试大纲》( 简称《考试大纲》) 进行命制,注重发挥立德树人、服务选才、引导教学的高考核心功能,体现出必备知识、关键能力、学科素养、核心价值的考查目标,从基础性、综合性、应用性、创新性等方面进行考查。作为一门实验科学,生物学科的理论体系与知识结构均来源于科学实验的实践探索和知识积累,因此科学探究是生物学科核心素养的关键组成,是中学教学的重要目标,也是学生进入高校学习及今后发展过程中应当具备的基本能力。高考生物学对实验与探究能力的考查,既对高中毕业生学科关键能力进行测量,又为高校人才选拔提供依据和参考,还能积极地引导高中生物学加强实验教学。

1 实验与探究能力是高考生物学的重要考查目标

    高考生物学对实验与探究能力的考查要求考生具备基本科学探究的能力。《普通高等学校招生全国统一考试大纲的说明》( 简称《考试说明》) 依据《考试大纲》制定,对考查目标等内容进行解释和详细说明,是高考命题的依据。2017 年《考试说明》对实验与探究能力的考查要求考生能基于所学实验方法和技能设计实验、验证生物学事实、分析和解释实验结果、根据实验结果得出结论,以及对某些生物学问题进行初步探究。

    科学探究的基本过程包括提出问题、分析问题和解决问题。提出问题是科学探究的第一步,要根据实际情境提出具体的学科问题,明确拟解决的问题及其核心; 分析问题是基于学科必备知识与具体问题情境,深入剖析问题,寻求解决问题的依据和思路; 解决问题是在分析问题的基础上制订科学严谨、切实可行、操作简单的研究方案,通过按步骤执行研究方案得到实验结果,通过数据挖掘与学理解释,达成解决问题的目标。通过对生物学课程的学习和实践,学生应当具备基本的实验与探究能力。这既是中学生物学科教学的目标,亦是高考生物学考查的目标[3]

2  实验与探究能力的查考基于高考评价体系

高考命题工作依据高考评价体系,以“立德树人、服务选才、引导教学”为核心立场,以“必备知识、关键能力、学科素养、核心价值”为考查内容,依据《考试大纲》进行命制。以下就 2017 年高考理科综合全国 I 卷第 29 题( 例 1) 进行例析。

    例 1 根据遗传物质的化学组成,可将病毒分为RNA 病毒和 DNA 病毒两种类型。有些病毒对人类健康会造成很大危害。通常,一种新病毒出现后需要确定该病毒的类型。假设在宿主细胞内不发生碱基之间的相互转换。请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。简要写出( 1) 实验思路;(2) 预期实验结果及结论即可。( 要求: 实验包含可相互印证的甲、乙两个组) 2. 1 必备知识 高考生物学对实验与探究这一关键学科能力的考查,必定涵盖对解决问题所需的必备知识,以及基于能力目标的学科核心素养和核心价值。例 1 中,核酸的结构和功能、DNA 和 RNA 成分的差异、病毒的增殖过程和放射性同位素标记法等是生物学基础知识。对这些基础知识的理解和掌握是解答上述 29 题的必备知识。

2.2  关键能力 实验与探究能力是生物学科的核心能力,涵盖对知识的综合运用能力、分析和解决问题的能力、表达与交流能力等,是在形成知识框架基础之上的拓展和延伸。在学习生物学这一实验科学的过程中,实验与探究能力是分析和解决生物学实际问题的基本技能。本试题要求设计实验以确定病毒的核酸类型,简要写出实验思路、预期结果和结论,就是考查对简单生物学事实的验证和初步探究的能力。

2.3  学科素养 生物学学科素养始终渗透对实验与探究能力的考查。生物学学科素养是在学习生命科学知识过程中养成的综合品质和正确的价值观,体现在能够从生物学科视角处理和解决相关复杂问题,反映出专业的科学精神与实践能力。如例 1 中,要求考生根据所学生物学知识和实验方法解决鉴定某种病毒核酸类型的问题,就是考查以专业方法解决实际问题的科学思维与科学探究品质。

2.4 社会责任 社会责任是生物学科核心素养的重要内容,高考生物学试题注重社会责任感培养的引导。当新型烈性传染病毒蔓延时,对其本质和致病机理的认识可对其有效控制和预防提供策略性指导方案。例如,严重急性呼吸道综合征 ( severer acute respiratory syndrome,SARS) 是由新型 SARS 冠状病毒感染所致的烈性传染病,通过飞沫快速传播,没有特效药物治疗,需要采取快速研究以尽早控制感染。病毒的核酸是其关键组分,有 DNA 和 RNA 两种类型,是病毒分类的重要依据。对新型病毒认识的第一步就是鉴定其核酸类型,例 1 就在这种新型病毒核酸鉴定的情境下展开,引导对现实生活的关注和思考,促使高度社会责任感的养成。

3  实验与探究能力通过规范的表达与分析论证反映

    利用科学规范的学术语言对问题进行分析、论证和表达是学科核心素养的体现。生物学科实验与探究过程和结果需通过语言文字表达进行传播和交流,包括具有学科专业化视角的分析、论证及表达。语言表达是进行交流的媒介,科学成果的传播与传承需要语言作为载体。实验研究的传播通常包括学术论文和口头报告等形式。因此基本的语言表达能力是进行科学交流的基础。自然科学研究成果的表述是为了学术交流,讲究科学性、准确性、逻辑性、简约性。

    上述例 1 题要求写出实验思路、结果和结论,对科学语言表述能力的考查较为完整。对实验思路的表述内容要包含实验材料、实验方法、实验步骤等信息,行文需简明、完整、逻辑、合理。能够满足以上要求的表述需要对拟探究的问题有科学的分析和提出专业的解决方案,并能够用文字恰当的表达。严谨、规范的表述既是学术交流的基本方式,又是学习与研究的基本素养。在学习过程中应注意培养和加强科学语言表达的能力,以清晰准确地表达真实想法,提高自身的科学素养和综合素质。

4 非选择题是实验与探究能力的有效考查方式

    基于历年高考生物学实测数据,非选择题能够有效区分考生的学科能力。为此,目前考查实验与探究能力的高考生物学试题主要以简答题和填空题两种非选择题方式呈现。前者要求考生厘清作答思路,依循学科逻辑与长句表达规范将完整的过程进行精准表达,考查要求较高( 如例 1) ;后者在设问上层层递进,反映由表及里的认知过程,呈现探究和解决问题的基本思路,要求考生对相对单一的具体问题思考后以规范的专业术语直接作答,考查要求相对较低,如 2017 年高考理科综合全国Ⅲ卷第 30 题。

    例 2: 干旱可促进植物体内脱落酸( ABA) 的合成。取正常水分条件下生长的某种植物的野生型和 ABA 缺失突变体幼苗,进行适度干旱处理,测定一定时间内茎叶和根的生长量,结果如图所示。回答下列问题:

( 1) 综合分析上图可知,干旱条件下,ABA 对野生型幼苗的作用是______ 。

( 2)______若给干旱处理的突变体幼苗施加适量的ABA,推测植物叶片的蒸腾速率会              ,以对环境的变化作出反应。

( 3) ABA 有“逆境激素”之称,其在植物体中的主要合成部位有_________ ( 答出两点即可) 。

( 4) 根系是植物吸收水分的主要器官。根细胞内水分的主要作用有_________ ( 答出两点即可) 。

    根据测量数据发现,例 1 题难度较大,区分度较好; 例 2 难度适中,区分度良好。这两道题均能有效地区分不同能力的考生,以实现高考的区分和选拔功能。例 1 要求写出整体实验设计方案,考查要求全面,难点亦在于此; 而例 2 只要求对探究过程中的部分问题分析思考,如对茎叶和根长度的分析得知 ABA 在干旱条件下的作用。例 1 类的简答题侧重了实验探究综合能力以及科学表述能力的综合考查,例 2 类题型侧重了对实验探究过程中具体问题的深度思考和分析。

    实验思路的表述要求科学性。例 1 中实验采用的实验材料有宿主细胞和放射性同位素标记的胸腺嘧啶或尿嘧啶,实验方法是将病毒接种于宿主细胞扩增后检测放射性。实验思路的表述中需包含关键操作步骤的信息,以体现科学性。如宿主细胞要在含有放射性同位素标记的嘧啶培养基中培养后再接种病毒,以保证宿主细胞吸收了标记过的嘧啶; 接种病毒后要培养一段时间以确保病毒有充分的扩增便于后续检测,是检测结果可靠性与实验操作可行性的条件。实验思路的简要描述呈现了解决问题的思维路径,体现出内在的逻辑性与可行性。如病毒大量增殖后显现的放射性表现出其核酸类型,病毒的增殖需要在宿主细胞中完成; 宿主细胞需要吸收放射性同位素标记的嘧啶,故而先要培养符合条件的宿主细胞,再接种病毒。对可行性的考虑包括接种病毒后需培养一段时间,当新扩增的病毒达到一定量再检测其放射性,即选择恰当的检测尺度以达到实验目的。实验结论要基于实验结果,应尽可能提供正反两面、多层次的实验结果来支持实验结论。从不同角度或不同层次得到相似的结论,更加提高了结论的可信度。在例 1 中,若在含有放射性同位素标记的胸腺嘧啶培养基中扩增的病毒具有放射性,则接种病毒的核酸为 DNA; 若无放射性,则接种病毒核酸应为 RNA,此时需要正面证实病毒核酸为 RNA 的直接实验结果支持。为此,可采用与前述实验相反的方法,即在含有放射性同位素标记尿嘧啶的培养基中扩增病毒; 若新扩增的病毒具有放射性,则接种病毒的核酸为 RNA。这样两组实验的结果可相互印证、共同支持实验结论,既有正面支持又有反面印证,以提高实验结论的可靠性。这种实验设计思路是生物学实验探究中的常见思路,体现了实验与探究过程中的科学严谨性,是实验与探究能力的考查目标。

    将以上两题对比可知,例 2 是近年高考试题的常见题型,考生对此类试题较为熟悉,日常练习比较充分,思考和回答问题相对单一,作答难度较低; 而例 1 题型较为陌生,近年高考试题中类似题型主要为遗传杂交类,日常学习过程中可能没有类似作答练习; 加之作答要求高,需要写出完整的实验思路与预测结果,又处于高考这种特殊情况下思考作答,或许有慌乱紧张的心理变化,致使得分较低。由此反映出目前高中生物学实验教学的薄弱,缺乏基于所学知识进行实验设计与探究能力的训练; 还体现出科学规范表述能力的不足,对于相对完整的实验思路不能恰当表达。例 1 实测结果应当引起高中生物学教学的重视与反思。

5 考查实验与探究能力以引导中学实验教学

    目前在中学生物学教学过程中普遍存在忽视实验教学和实验操作的问题。其主要原因有开展实验教学的设施要求略高,需要各种实验材料和实验仪器; 耗费时间长,单次实验占用较多课时数; 教学效果差,学生完成实验的质量较低,不能达到实验教学目的。为了应付高考对实验能力的考查,中学教学过程中常采用 “教师讲实验、学生背实验”来达到实验学习目的。根据例 1 实测结果可知目前高中生物学实验教学对学生实验与探究能力培养的不足,大部分学生不能完成整体实验方案的设计及进行科学严谨的表述,欠缺生物学科核心能力的训练。

    高考应充分发挥其引导教学的核心功能,促进教学的改进。通过充分的实验教学和实验操作,可丰富学生在新情境中思考问题的经历,促进迁移和灵活运用所学知识解决实际问题的能力,增强其对实验题目思考和作答的优势。实验操作经历还有助于对相似实验过程的理解,增强对复杂问题的处理能力。对例 1 和例 2 类似实验题目的分析和作答,实际实验操作和思考的经历有助于更快更准地认识题目情境,明确考查意图,发掘问题核心并思考作答。实验操作是培养实验与探究能力的重要途径。实验教学尤其是实际操作对于深入思考生物学问题、理解生物学理论知识、实现学以致用的目标大有裨益。在教学中应将理论知识应用与实际操作相结合,注重培养设计实验方案解决生物学问题并进行科学严谨表述的能力。高考生物学对实验与探究能力考查的加强,有利于引导中学教学中重视实验操作,按照规律开展实验教学,加强学科基础,提高学生学科综合能力,促进生物学科核心素养目标的实现。

 

 

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