PISA2015科學(xué)素養(yǎng)測(cè)評(píng)案例賞析及教學(xué)啟示

(西安交通大學(xué)蘇州附屬初級(jí)中學(xué),江蘇 蘇州 215021)

1 問題的提出

2016年《中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》正式發(fā)布,提出學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)主要指學(xué)生應(yīng)具備的,能夠適應(yīng)終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力．物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”、“科學(xué)思維”、“科學(xué)探究”和“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個(gè)方面．學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)是檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)教育質(zhì)量的重要依據(jù)．核心素養(yǎng)導(dǎo)向的學(xué)生學(xué)業(yè)質(zhì)量評(píng)價(jià)能夠推動(dòng)物理教學(xué)的開展,為發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)．

國際學(xué)生評(píng)估項(xiàng)目[1](Program for International Student Assessment,簡稱PISA)是一項(xiàng)由經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(Organization for Economic Co-operation and Development,簡稱OECD)統(tǒng)籌的學(xué)生能力國際評(píng)估計(jì)劃,主要對(duì)接近完成基礎(chǔ)教育的15歲學(xué)生進(jìn)行評(píng)估,測(cè)試學(xué)生們能否掌握參與社會(huì)所需要的知識(shí)與技能．核心素養(yǎng)一詞最早出現(xiàn)于OCED的相關(guān)研究報(bào)告中,OCED率先提出的核心素養(yǎng)框架[2]包括“能互動(dòng)地使用工具、能在異質(zhì)社會(huì)團(tuán)體中互動(dòng)、能自主行動(dòng)”3個(gè)方面,PISA測(cè)評(píng)一定程度上反映了國際組織對(duì)核心素養(yǎng)評(píng)價(jià)的理念與方法．基于PISA2015科學(xué)素養(yǎng)測(cè)評(píng)(以下簡稱“PISA2015”)的視角,以蘇科版初中物理8年級(jí)第4章第4節(jié)“照相機(jī)與眼球 視力的矯正”為例,借鑒國家測(cè)評(píng)組織對(duì)核心素養(yǎng)的評(píng)價(jià),賞析“可調(diào)式眼鏡”測(cè)評(píng)案例,反思對(duì)“照相機(jī)與眼球 視力的矯正”一課教學(xué)的啟示,以供教學(xué)參考．

圖1 PISA2015科學(xué)素養(yǎng)測(cè)評(píng)框架

2 PISA科學(xué)素養(yǎng)測(cè)評(píng)簡介

如圖1所示,國際學(xué)生評(píng)估項(xiàng)目是近10多年來國際上參與國家和地區(qū)最多、影響力最大的評(píng)估項(xiàng)目,其宗旨在于使學(xué)生學(xué)得更好、教師教得更好、學(xué)校體制更加高效．PISA是一種定期的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)項(xiàng)目,測(cè)試從2000年開始,每3年進(jìn)行1次測(cè)評(píng),每次從閱讀、數(shù)學(xué)、科學(xué)中選擇一個(gè)作為主要領(lǐng)域,另外兩個(gè)作為次要領(lǐng)域．PISA2006和PISA2015重點(diǎn)測(cè)評(píng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng),2015年江蘇省正式開始參加PISA測(cè)評(píng)．PISA2015的科學(xué)測(cè)評(píng)以計(jì)算機(jī)為主,紙筆測(cè)試為輔,體現(xiàn)測(cè)評(píng)項(xiàng)目積極適應(yīng)信息化社會(huì)的要求．在PISA2006包含情境、能力、知識(shí)、態(tài)度及其相互關(guān)系的完整框架的基礎(chǔ)上,PISA2015進(jìn)行了一些調(diào)整,反映了國際測(cè)評(píng)教育理念的最新動(dòng)態(tài)發(fā)展．

3 PISA2015科學(xué)素養(yǎng)測(cè)評(píng)案例——可調(diào)式眼鏡

下面介紹PISA2015科學(xué)素養(yǎng)測(cè)評(píng)中“可調(diào)式眼鏡”的案例,由5個(gè)問題組合而成,問題1、4和5為選擇題,問題2和3為填空題,采用計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)獲取數(shù)據(jù),分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論．

可調(diào)式眼鏡： 一種新技術(shù)稱為可調(diào)式眼鏡,用于幫助人們矯正視力而不需要眼科醫(yī)生的指導(dǎo)．這些眼鏡的透鏡是液體制作的,透鏡的形狀是通過調(diào)節(jié)透鏡中液體的多少來實(shí)現(xiàn)的．

問題1.可調(diào)眼鏡并不新奇，人類的眼鏡也有一個(gè)可調(diào)節(jié)的晶狀體．眼睛晶狀體的形狀是通過肌肉作用調(diào)節(jié)的，為什么眼睛晶狀體的形狀要調(diào)節(jié)(見圖2，圖3)?

圖2 圖3

(A) 為了看清不同亮度的物體.

(B) 為了看清不同顏色的物體.

(C) 為了看清不同距離的物體.

(D) 為了看清不同大小的物體.

問題2.移動(dòng)滑塊改變透鏡的液體量，增加液體眼鏡的形狀會(huì)發(fā)生怎么樣的變化(見圖4)?從下拉菜單中選擇正確的答案．

圖4

當(dāng)液體增到平面透鏡中,透鏡側(cè)面的彎曲度會(huì)________(向外/向內(nèi)),這是因?yàn)橐后w施加在透鏡側(cè)面的合力________(增大/減小)．

可調(diào)式眼鏡的調(diào)查： 不同視力的3名學(xué)生使用一副可調(diào)式眼鏡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．Anna能看清遠(yuǎn)近不同的物體;Daniel能看清遠(yuǎn)處的物體,但不能看清近處的物體;Maria能看清近處的物體,但不能看清遠(yuǎn)處的物體．在模擬中,你可以看到透鏡中液體數(shù)量如何影響學(xué)生從不同距離看清一棵樹．

問題3.運(yùn)行模擬實(shí)驗(yàn),從下面的信息中收集數(shù)據(jù)，從下拉菜單中選擇回答問題(見圖5，圖6)．

圖5

圖6

Anna可以看清遠(yuǎn)近不同的物體,如何調(diào)節(jié)眼鏡改變Anna的視力的?

增加透鏡中的液體,不能看清________(遠(yuǎn)處/近處)的物體;減少透鏡中的液體,不能看清________(遠(yuǎn)處/近處)的物體．

問題4.運(yùn)行模擬實(shí)驗(yàn),從下面的信息中收集數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊一個(gè)或多個(gè)選項(xiàng)回答問題．

Daniel能看清遠(yuǎn)處的物體,但不能看清近處的物體．如何調(diào)節(jié)眼鏡使Daniel看清近處的物體?

(A) +2 加滿液體.

(B) +1 加一些液體.

(C) -1 減少一些液體.

(D) -2 減少所有液體.

問題5.運(yùn)行模擬實(shí)驗(yàn),從下面的信息中收集數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊一個(gè)選項(xiàng)回答問題．Maria能看清近處的物體但不能看清遠(yuǎn)處的物體．如何調(diào)節(jié)眼鏡讓Maria看清遠(yuǎn)近不同的物體?

(A) +2 加滿液體.

(B) +1 加一些液體.

(C) -1 減少一些液體.

(D) -2 減少所有液體.

表1 “可調(diào)試眼鏡”案例分析

根據(jù)PISA2015科學(xué)測(cè)評(píng)框架,案例的設(shè)計(jì)主要包括情境、知識(shí)、能力、態(tài)度、認(rèn)知需求等,態(tài)度的考查通過對(duì)問卷調(diào)查測(cè)評(píng),從而本案例中不涉及該維度的分析．“認(rèn)知需求”是PISA2015科學(xué)素養(yǎng)測(cè)試框架提出的新概念,有別于“試題難度”,也有研究者譯為“認(rèn)知難度”,它貫穿于3種能力考查過程,有低、中、高3個(gè)水平層次,具體可參見文獻(xiàn)[3]的研究成果,此處不再贅述．由表1可知,案例情境的創(chuàng)設(shè)以“個(gè)人的”為主,貼近學(xué)生的生活,探究科學(xué)與技術(shù)前沿?zé)狳c(diǎn)問題,著重考查學(xué)生的程序性知識(shí),關(guān)注學(xué)生對(duì)方法的理解與運(yùn)用,問題2-4均考查學(xué)生“科學(xué)地解釋數(shù)據(jù)和證據(jù)”的能力,要求學(xué)生綜合分析判斷數(shù)據(jù)和證據(jù),挖掘數(shù)據(jù)和證據(jù)隱含的物理規(guī)律和原理．認(rèn)知需求的設(shè)置呈現(xiàn)階梯性,全面測(cè)評(píng)不同學(xué)生的知識(shí)與能力的水平．

4 對(duì)初中物理教學(xué)的啟示

4.1 創(chuàng)設(shè)有效情境,引起學(xué)生的認(rèn)知沖突

PISA2015創(chuàng)設(shè)學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)過程中涉及的知識(shí)產(chǎn)生和應(yīng)用的真實(shí)情境,提升學(xué)生的問題解決能力．教材編排3個(gè)層次性的模塊:照相機(jī)、眼球和視力的矯正．照相機(jī)是對(duì)凸透鏡成像規(guī)律的直接應(yīng)用,對(duì)前一課時(shí)的內(nèi)容鞏固、拓展,

眼球

是焦距可變的“照相機(jī)”,視力的缺陷與矯正是焦距變化受到限制的“照相機(jī)”,設(shè)計(jì)探究活動(dòng)增加學(xué)生的體驗(yàn)性,總結(jié)視力的缺陷及其矯正的方法．本節(jié)內(nèi)容基于“照相機(jī)”模型,以焦距的變化為主線,貫穿整個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)．結(jié)合PISA2015案例問題2和3,筆者利用單反照相機(jī)創(chuàng)設(shè)情境,引起學(xué)生的認(rèn)知沖突．情境1:教師講臺(tái)前架設(shè)一臺(tái)單反照相機(jī),抓拍班級(jí)后排學(xué)生的照片,投影在屏幕．情境2:再抓拍班級(jí)前排學(xué)生的照片,投影在屏幕．引導(dǎo)學(xué)生觀察兩張照片上的前(后)排同一位學(xué)生,發(fā)現(xiàn)一張照片清晰,另一張照片卻模糊．同一架單反相機(jī),兩次照片拍攝效果為什么不同?學(xué)生感覺非常新奇,激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣．

4.2 調(diào)整教學(xué)邏輯,順應(yīng)學(xué)生思維的發(fā)展

PISA2015案例中問題1考查了學(xué)生對(duì)眼球工作原理的理解,注重基本概念的掌握．教材中對(duì)眼球的工作原理做了相應(yīng)的解釋“當(dāng)被觀察的物體與人眼的距離改變時(shí),人眼可以通過調(diào)節(jié)肌肉的松緊來改變晶狀體的彎曲度,即改變晶狀體的焦距,使物體仍能在視網(wǎng)膜上成清晰的像．”簡而言之,眼球通過調(diào)節(jié)晶狀體來看清遠(yuǎn)近不同的物體．筆者在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn),學(xué)生在解決“凸透鏡成像規(guī)律的應(yīng)用”問題時(shí),對(duì)2016年蘇州市中考物理試卷第27題第4小問該類問題存在疑惑．

圖7

(2016年蘇州市中考題)如圖7,在燭焰和凸透鏡之間放一副眼鏡,發(fā)現(xiàn)光屏上的像由清晰變模糊了,將光屏向透鏡移動(dòng)適當(dāng)距離后光屏上再次呈現(xiàn)清晰的像．則該眼鏡是________(選填“近視”或“遠(yuǎn)視”)眼鏡．

經(jīng)過訪談發(fā)現(xiàn),學(xué)生認(rèn)為戴上眼鏡后,將光屏向透鏡移動(dòng)適當(dāng)距離后光屏上再次呈現(xiàn)清晰的像,像成在視網(wǎng)膜的前方,從而本小問是近視眼,該眼鏡是凹透鏡,即近視眼鏡．該小問的設(shè)計(jì)與PISA2015案例中的問題4、5較為相似,有所不同的是案例中根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬,分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)判斷增加或減少液體,進(jìn)而判斷是近視眼鏡或遠(yuǎn)視眼鏡．反思教材中對(duì)模擬探究近視眼的缺陷的編排,發(fā)現(xiàn)教材的邏輯順序如圖8所示.

圖8 教材編寫邏輯順序

由圖8可知,教材從學(xué)生已有經(jīng)驗(yàn)出發(fā)獲取矯正方法,近視眼看不清近處的物體,通過戴上近視眼鏡后能看清近處的物體,確定視網(wǎng)膜的位置,即此時(shí)光屏的位置,移去近視眼鏡后,移動(dòng)光屏找到清晰的像,即此時(shí)光屏的位置．該邏輯順序是基于已有的解決方法,推理所出現(xiàn)的問題．參照文獻(xiàn)[4]對(duì)初中物理科學(xué)思維水平劃分可知,對(duì)學(xué)生的科學(xué)思維能力要求處于現(xiàn)象分析的高級(jí)要求,學(xué)生較難領(lǐng)會(huì)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)要領(lǐng)．此外,學(xué)生對(duì)光屏的功能存在疑惑:將光屏看做視網(wǎng)膜,那為什么可以移動(dòng)呢?缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生不知道近視眼為什么用凹透鏡矯正呢?此外,在PISA2015案例問題4、5和2016年蘇州中考物理試題第27題第4小問,對(duì)學(xué)生的科學(xué)思維能力要求處于現(xiàn)象分析的中級(jí)要求,基于問題的現(xiàn)象,分析判斷解決方案．按照正常的邏輯,課堂教學(xué)的教學(xué)要求高于評(píng)價(jià)要求,學(xué)生應(yīng)該靈活應(yīng)對(duì),但教學(xué)時(shí)較高的思維水平導(dǎo)致部分學(xué)生難以理解．通過生活中的現(xiàn)象,尋求問題的解決方案是學(xué)生常規(guī)的思維方法,筆者設(shè)計(jì)通過自制實(shí)驗(yàn)教具“雙變水透鏡”[5]實(shí)現(xiàn)眼球工作原理的可視化呈現(xiàn),自然過渡到近視眼缺陷、成因及其矯正(見圖9)．

圖9 眼球的工作原理

如圖9所示,將燭焰看成物體,水透鏡1看做晶狀體,光屏看做視網(wǎng)膜．(1) 按照?qǐng)D示組裝器材,調(diào)整在光屏上成清晰的像．(2) 當(dāng)物體靠近時(shí),視網(wǎng)膜上的像不清晰,向水透鏡1中注水,增加晶狀體的厚度,視網(wǎng)膜上的像變清晰．(3) 當(dāng)物體遠(yuǎn)離時(shí),視網(wǎng)膜上的像不清晰,向水透鏡1中抽水,減小晶狀體的厚度,視網(wǎng)膜上的像變清晰．動(dòng)態(tài)變化過程直觀顯示了眼球看清遠(yuǎn)近不同的物體的成像原理．(4) 當(dāng)物體繼續(xù)遠(yuǎn)離時(shí),視網(wǎng)膜上的像又不清晰,提問學(xué)生此時(shí)像在視網(wǎng)膜的什么位置?但此時(shí)無法繼續(xù)抽水,只能看清近處的物體,看不清遠(yuǎn)處的物體,即晶狀體凸度較大,比正常眼球的晶狀體的凸度大．(5) 使用另一水透鏡2(雙變水透鏡)固定于蠟燭與水透鏡1之間,提問:讓眼球重新看清物體,應(yīng)戴凸透鏡還是凹透鏡?要求學(xué)生說明理由,通過實(shí)驗(yàn)探究學(xué)生的猜想是否正確．該實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生從模擬眼球的工作原理到探究近視眼的缺陷及其矯正,邏輯上符合初中學(xué)生的漸進(jìn)性認(rèn)知水平,從近視眼的現(xiàn)象、成因,再到解決方法,也引導(dǎo)學(xué)生從3個(gè)角度判斷是否近視眼:(1) 能夠看清近處的物體,不能看清遠(yuǎn)處的物體;(2) 晶狀體比正常眼球更凸,會(huì)聚能力更強(qiáng);(3) 佩戴凹透鏡矯正．

4.3 滲透科學(xué)思想,培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識(shí)

PISA2015首次采用機(jī)測(cè),案例中問題3-5均采用計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn),要求學(xué)生收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和證據(jù),客觀地分析數(shù)據(jù)和證據(jù),有效避免對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論的死記硬背,著重考查學(xué)生對(duì)“程序性知識(shí)”的掌握和提升“科學(xué)地解釋數(shù)據(jù)和證據(jù)”的能力,問題4的模擬結(jié)果為前2個(gè)選項(xiàng),要求學(xué)生具備實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度,也體現(xiàn)了定性半定量的科學(xué)思想,不僅了解矯正遠(yuǎn)視眼時(shí)使用凸透鏡,而且知道不同凸度的凸透鏡的矯正功能．

圖10 探究動(dòng)能大小的影響因素

如圖10所示，在教學(xué)過程中滲透定性半定量的科學(xué)思想,能夠培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S方式,如在“探究動(dòng)能大小與哪些因素有關(guān)”時(shí),教師引導(dǎo)學(xué)生成比例增加小車下滑高度(成比例增加小車到水平面的速度),記錄木塊移動(dòng)的距離;成比例增加小車的質(zhì)量,記錄木塊移動(dòng)的距離．分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論．提問:通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,你能判斷速度和質(zhì)量哪個(gè)對(duì)動(dòng)能的影響更大嗎?該問題不需要學(xué)生定量計(jì)算動(dòng)能的表達(dá)式,但通過定性半定量的比較:速度增大為原來的n倍,木塊移動(dòng)的距離為s1,質(zhì)量增大為原來的n倍,木塊移動(dòng)的距離為s2,比較s1和s2即可得出結(jié)論．定性半定量思想是一種重要的思維方法,初中物理中常見的還有物理量的估算等．初中物理教學(xué)中通過科學(xué)思想的滲透,培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識(shí),發(fā)展學(xué)生的高階思維能力,提高學(xué)生的創(chuàng)新能力．

PISA科學(xué)素養(yǎng)測(cè)評(píng)項(xiàng)目創(chuàng)設(shè)具體的真實(shí)情境評(píng)價(jià)學(xué)生的科學(xué)知識(shí)、科學(xué)能力和科學(xué)態(tài)度等,突出評(píng)價(jià)體系的客觀性、科學(xué)性和時(shí)代性,為我國核心素養(yǎng)的評(píng)價(jià)內(nèi)涵的創(chuàng)建提供借鑒與參考． 此外,學(xué)生的核心素養(yǎng)的評(píng)價(jià)能夠推動(dòng)課堂教學(xué)的變革,準(zhǔn)確定位學(xué)生的發(fā)展水平,發(fā)展學(xué)生的的關(guān)鍵能力,為學(xué)生的終身學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)．