基于PISA框架下的科學(xué)素養(yǎng)試題研究

夏旸

2014年4月，PISA2015國(guó)家中心嚴(yán)格按照國(guó)際規(guī)范實(shí)施了PISA2015試測(cè)，并于5月組織開展了試測(cè)的閱卷編碼工作。筆者有幸參與了科學(xué)素養(yǎng)閱卷編碼工作，并受PISA2015國(guó)家中心委托，命制了兩道科學(xué)素養(yǎng)測(cè)評(píng)模擬培訓(xùn)試題，試題已經(jīng)獲得PISA2015國(guó)家中心認(rèn)可，將作為有關(guān)培訓(xùn)資料進(jìn)行使用。下面結(jié)合模擬試題的編制，探討PISA2015科學(xué)素養(yǎng)試題的命制特點(diǎn)。

PISA科學(xué)素養(yǎng)測(cè)評(píng)的核心是考查科學(xué)能力，具體分為三個(gè)方面：1. 科學(xué)地解釋現(xiàn)象;2. 評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)科學(xué)實(shí)驗(yàn);3. 分析數(shù)據(jù)并作出科學(xué)結(jié)論?？茖W(xué)素養(yǎng)測(cè)評(píng)框架包含三個(gè)維度：科學(xué)基本觀念、科學(xué)實(shí)踐過(guò)程、科學(xué)情境?？茖W(xué)素養(yǎng)測(cè)試題目通常以單元形式組織，每個(gè)單元首先呈現(xiàn)一個(gè)問題情境（情境通常用文字、圖表、模擬實(shí)驗(yàn)等形式出現(xiàn)），情境都是學(xué)生在現(xiàn)實(shí)生活中可能遇到的，如臺(tái)風(fēng)、海嘯、地震、海洋生物、大氣、陽(yáng)光、溫室效應(yīng)、細(xì)菌、冰山等等。每個(gè)單元包含若干道試題，均是從真實(shí)情境中提煉得出，以較為開放的形式設(shè)問，綜合多學(xué)科知識(shí)考查學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。具體而言，PISA科學(xué)素養(yǎng)試題具有以下三個(gè)突出特點(diǎn)。

一、考查運(yùn)用科學(xué)知識(shí)識(shí)別問題、獲取新知的能力

PISA試題從生活實(shí)際情況入手，素材往往來(lái)自于身邊的事與物，既貼近人類生活，又往往能從新穎角度設(shè)計(jì)，考出新意。在引導(dǎo)學(xué)生分析、研究、判斷、解釋的過(guò)程中，不僅考查學(xué)生是否具備相應(yīng)的科學(xué)知識(shí)，而且也考查出學(xué)生獲取新知識(shí)的能力。

【案例1-1】無(wú)損探傷（筆者原創(chuàng)）

科學(xué)情境：無(wú)損探傷是在不損壞工件或原材料工作狀態(tài)的前提下，利用物質(zhì)的聲、光、磁和電等特性，對(duì)被檢驗(yàn)部件的表面和內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行檢查的一種測(cè)試手段。常用的無(wú)損探傷有：X光射線探傷、超聲波探傷、磁粉探傷、滲透探傷、渦流探傷、γ射線探傷、螢光探傷、著色探傷等方法。有些無(wú)損探傷方法由于利用具有輻射作用的射線進(jìn)行探測(cè)，如果使用不當(dāng)會(huì)造成輻射事故，對(duì)人體安全造成威脅。

問題1：你認(rèn)為對(duì)產(chǎn)品內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)，利用“無(wú)損探傷”希望解決的問題是（答案可能不止一項(xiàng)）：

A. 改進(jìn)制造工藝

B. 降低制造成本

C. 提高產(chǎn)品的可靠性

D. 保證設(shè)備的安全運(yùn)行

問題2：你認(rèn)為文章中提到的無(wú)損探傷方法有可能探測(cè)到某個(gè)零件的哪些問題，請(qǐng)說(shuō)明兩種具體的可能表現(xiàn)。

案例1-1命題思路：通過(guò)此問題的考查，能夠檢測(cè)學(xué)生通過(guò)題干內(nèi)容獲取新知后，利用已有科學(xué)知識(shí)或者經(jīng)驗(yàn)，對(duì)另一角度的問題進(jìn)行分析研究，重點(diǎn)考查了學(xué)生的演繹、推斷能力。問題1的滿分答案為：A、B、C、D;部分得分答案為：選擇了A、B、C、D中的一部分;其它作答或未作答均為零分。問題2的滿分答案為：零件中是否存在缺陷或不均勻性，給出缺陷大小、位置、性質(zhì)和數(shù)量等信息，只要列舉出其中2種均可;部分得分答案：只說(shuō)出一項(xiàng)合理的表現(xiàn);其它作答或未作答均為零分。

二、考查科學(xué)解釋現(xiàn)象、根據(jù)證據(jù)得出結(jié)論的能力

PISA科學(xué)素養(yǎng)重點(diǎn)考查15歲學(xué)生運(yùn)用科學(xué)知識(shí)解釋現(xiàn)象、根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得證據(jù)、根據(jù)證據(jù)得出結(jié)論的能力，采用的考查方式形式多樣，并且在PISA2015試測(cè)中得到優(yōu)化。

在PISA2015試測(cè)中，科學(xué)素養(yǎng)試題的命制方式非常靈活多樣，有的需要進(jìn)行科學(xué)試驗(yàn)，有的通過(guò)已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，有的要求設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，還有的利用計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)，等等。試題能夠從多個(gè)角度、多個(gè)層面考查學(xué)生的科學(xué)探究能力，更加全面地反映學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)狀況。

【案例1-2】無(wú)損探傷（續(xù)）

問題3：根據(jù)文章中的信息，下列哪一樣可以在實(shí)驗(yàn)室里通過(guò)科學(xué)探究來(lái)解決，請(qǐng)就每項(xiàng)圈出“是”或“否”。

案例1-2命題思路：通過(guò)此問題的考查，能夠檢測(cè)學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)的過(guò)程中，對(duì)于出現(xiàn)的研究課題是否能夠利用實(shí)驗(yàn)（或者是否有必要實(shí)驗(yàn)）進(jìn)行解決，重點(diǎn)考查了學(xué)生理解科學(xué)的本質(zhì)的能力。問題3的滿分答案為：否、是、是;其它作答或未作答均為零分。

【案例1-3】無(wú)損探傷（續(xù)）

問題5：超聲波探傷是利用超聲能透入金屬材料的深處，并由一截面進(jìn)入另一截面時(shí)，在界面邊緣發(fā)生反射的特點(diǎn)來(lái)檢查零件缺陷的一種方法，示意圖見下，當(dāng)超聲波探傷儀發(fā)出脈沖信號(hào)，自零件表面由探頭通至金屬內(nèi)部，遇到缺陷與零件底面時(shí)就分別發(fā)生反射波來(lái)，在螢光屏上形成脈沖波形，根據(jù)這些脈沖波形來(lái)判斷缺陷位置和大小。

下圖表示某次檢測(cè)的示意圖，根據(jù)圖中信息，你能判斷此次檢測(cè)的方向嗎？請(qǐng)給出能夠支持你的選擇的理由。

問題6：超聲波探傷不僅能夠檢測(cè)缺陷的深度和位置，而且還可以根據(jù)圖像檢測(cè)出缺陷的面積。根據(jù)下圖，你能夠得到有關(guān)檢測(cè)缺陷面積大小的什么結(jié)論？

案例1-3命題思路：通過(guò)此問題的考查，能夠檢測(cè)學(xué)生通過(guò)題干內(nèi)容獲取新知后，利用自身的識(shí)圖、判斷、分析、對(duì)比等能力，科學(xué)地解釋現(xiàn)象，重點(diǎn)考查了學(xué)生的科學(xué)研究能力。問題5的滿分答案為：說(shuō)出正確判斷和理由或說(shuō)出正確理由，可以（能夠）判斷此次檢測(cè)的方向，即從右到左檢測(cè)，缺陷波比底波出現(xiàn)的時(shí)間早;部分得分答案為：進(jìn)行了正確判斷，但無(wú)理由;其它作答或未作答均為零分。問題6的滿分答案為：說(shuō)出正確判斷和理由或說(shuō)出正確理由，即缺陷深度位置相同，缺陷面積越大，缺陷波幅度越高;部分得分答案為：結(jié)論不完整;其它作答或未作答均為零分。

【案例2-1】吊車（筆者原創(chuàng)）

科學(xué)情境：吊車（見下圖）是能夠在一定范圍內(nèi)垂直提升和水平搬運(yùn)重物的起重機(jī)械中的一種，被廣泛用于港口、車間、工地等，但其工作受地面（如平整或者傾斜）等情形的限制。

起重量是指吊車能夠起升重物的最大質(zhì)量（單位為千克kg或噸t），是吊車的主要性能參數(shù)指標(biāo)。超過(guò)起重量，吊車可能發(fā)生傾覆事故。每臺(tái)吊車的起重量是可以隨吊臂傾角和吊臂長(zhǎng)度的變化而變化的。

問題1：如果想要研究起重量如何隨吊臂長(zhǎng)度的變化而變化，應(yīng)該選用下圖中圖A、圖B、圖C中的哪些實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行？請(qǐng)給出能夠支持你的選擇的解釋或理由。

案例2-1命題思路：通過(guò)此問題的考查，能夠檢測(cè)學(xué)生通過(guò)題干內(nèi)容要求，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)，重點(diǎn)考查學(xué)生的科學(xué)研究方法中“控制變量法”的應(yīng)用能力。問題1的滿分答案為：同時(shí)滿足正確選擇（圖A和圖C）和解釋（如果要研究吊臂長(zhǎng)度與起重量的關(guān)系，應(yīng)該保持吊臂傾角不變）;部分得分答案為：正確選擇（圖A和圖C）但無(wú)解釋，或者沒有進(jìn)行選擇但解釋正確;其它作答或未作答均為零分。

【案例2-2】吊車（續(xù)）

問題2：科學(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)室進(jìn)行了某種型號(hào)吊車起重量的模擬測(cè)試。實(shí)驗(yàn)記錄如下表所示，其中吊臂傾角可以調(diào)整為30°、45°或60°;吊臂長(zhǎng)度可以調(diào)整為10米、15米或20米。請(qǐng)先做模擬實(shí)驗(yàn)，再解決問題。

你認(rèn)為吊臂傾角為30°時(shí)，使用該吊車能否吊起5000 kg的物體而使吊車不發(fā)生文章中提到的傾覆事故。

判斷1： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 。

從模擬實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)中選擇能夠支持你結(jié)論的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)2： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?。

問題3：通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)，你認(rèn)為增加起重量可能包括下列說(shuō)法中的哪些方法？（答案可能不止一項(xiàng)）

A. 增大吊臂傾角 B. ?減小吊臂長(zhǎng)度

C. 減小吊臂傾角 D. 增大吊臂長(zhǎng)度

案例2-2命題思路：此問題是PISA2015的最新改進(jìn)和重點(diǎn)考查項(xiàng)目。通過(guò)此問題的考查，能夠檢測(cè)學(xué)生通過(guò)題干內(nèi)容要求，選擇合適的方案，模擬進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作以及利用正確的證據(jù)得出結(jié)論的能力。問題2的滿分答案為：判斷1是“能吊起”，數(shù)據(jù)2是“選擇下表數(shù)據(jù)中的實(shí)驗(yàn)1或?qū)嶒?yàn)2，或者兩者均選”;部分得分答案包括2種情形：一是判斷1填“能吊起”，但無(wú)數(shù)據(jù)，二是無(wú)判斷，但數(shù)據(jù)選擇正確;其它作答或未作答均為零分（下面附表為學(xué)生通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)可能獲得的數(shù)據(jù)）。問題3的滿分答案為：A、B;部分得分答案為：選擇了A、B中的一個(gè);其它作答或未作答均為零分。

三、考查理解科學(xué)的社會(huì)作用、參與科學(xué)決策的能力

這類試題對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)相對(duì)陌生，能夠從輕知識(shí)、重能力的角度進(jìn)行考查，從思維過(guò)程、邏輯分析、解決策略方面入手，促使學(xué)生能夠形成良好的學(xué)習(xí)、生活習(xí)慣?？疾榻嵌泉?dú)特，弘揚(yáng)終身學(xué)習(xí)理念。

【案例1-4】無(wú)損探傷（續(xù)）

問題4：你認(rèn)為造成輻射事故的原因可能包括下列說(shuō)法中的哪些原因？（答案可能不止一項(xiàng)）

A. 檢測(cè)設(shè)備故障

B. 工作人員不按規(guī)章操作

C. 被檢測(cè)零件有缺陷

D. 超過(guò)檢測(cè)設(shè)備的使用標(biāo)準(zhǔn)

【案例2-3】吊車（續(xù)）

問題4：根據(jù)文章中的信息，下列哪一樣還有可能影響起重量的大小，請(qǐng)就每項(xiàng)圈出“是”或“否”。

問題5：你認(rèn)為增加吊臂長(zhǎng)度可以影響起重量的大小之外，還可以產(chǎn)生哪些方面的影響？請(qǐng)說(shuō)出你認(rèn)為可能的兩項(xiàng)影響。

案例1-4、案例2-3命題思路：通過(guò)此問題的考查，能夠激勵(lì)學(xué)生進(jìn)行更加深層次的思考和拓展，將科學(xué)知識(shí)應(yīng)用到生活中的其他方面。案例1-4中的問題4的滿分答案為：A、B、D;部分得分答案為：選擇了A、B、D中的一部分;其它作答或未作答均為零分。案例2-3中問題4的滿分答案為：是、是、否;其它作答或未作答均為零分。案例2-3中問題5的滿分答案為：可以起吊更遠(yuǎn)的物體，可以將物體起吊得更高，可以起吊體積更大的物體，等等，只要列舉出其中之二即可;部分得分答案為：只說(shuō)出一項(xiàng)合理的影響;其它作答或未作答均為零分。

PISA是目前世界上最具影響力、涉及范圍最廣的國(guó)際學(xué)生學(xué)習(xí)評(píng)估項(xiàng)目之一，其測(cè)試的先進(jìn)理念、評(píng)估結(jié)果對(duì)多國(guó)的教育改革產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。在學(xué)習(xí)PISA并嘗試根據(jù)PISA測(cè)評(píng)框架命制科學(xué)素養(yǎng)試題的過(guò)程中，我深切認(rèn)識(shí)到要處理好科學(xué)教學(xué)與生活應(yīng)用的關(guān)系?？茖W(xué)來(lái)源于生活，并用于生活。對(duì)于自然科學(xué)，學(xué)生早已在學(xué)習(xí)以前，就通過(guò)與其身處的自然環(huán)境以及無(wú)所不在的信息來(lái)源的相互作用，形成了自己對(duì)許多自然現(xiàn)象樸素的理解，他們都帶著自己特殊的生活經(jīng)歷、體驗(yàn)、感受和情感?？茖W(xué)教學(xué)就是要將這些簡(jiǎn)單樸素的理解進(jìn)行歸納、分析、拓展、應(yīng)用、提升，有時(shí)還要進(jìn)行糾偏。PISA測(cè)評(píng)中每道題目都是學(xué)生在現(xiàn)實(shí)生活中可能遇到的問題，我們的科學(xué)教育也應(yīng)該還原科學(xué)的本來(lái)面目，在綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)解決科學(xué)問題中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 國(guó)家教育考試評(píng)價(jià)研究院?？荚囋u(píng)價(jià)：PISA測(cè)試表現(xiàn)優(yōu)異地區(qū)教育改革對(duì)美國(guó)的啟示——以上海和香港為例http：//niea.neea.edu.cn/infor.jsp？infoid=44831&class_id=40_03

注：本欄目文章系國(guó)家教育體制改革領(lǐng)導(dǎo)小組研究項(xiàng)目“研提OECD組織PISA測(cè)試項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)啟示”的研究成果之一。

本欄責(zé)任編輯 ? ?潘孟良