PISA科學(xué)素養(yǎng)測試題的分析與啟示

陳紅君 田曼鈺 于海波

（1.東北師范大學(xué)教育學(xué)部，吉林 長春 130024；2.長春師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林 長春 130123；3.蛟河市第二高級中學(xué)校，吉林 蛟河 132599）

1 問題提出

Program for International Student Assess-ment（以下簡稱PISA）是國際上一種通用的教育評估方式，是由經(jīng)濟合作組織（Organization for Economic Co-operation and Development簡稱OECD）籌劃實施的測試，每3年舉行一次，用來評估學(xué)生的終身學(xué)習(xí)能力.PISA測試從2000年開始，至今已經(jīng)進行了8次測試，試題依據(jù)測試框架建立，內(nèi)容不斷豐富和完善，重點測試領(lǐng)域在閱讀素養(yǎng)、數(shù)學(xué)素養(yǎng)和科學(xué)素養(yǎng)之間輪換.具體如表1所示，最近一次將科學(xué)素養(yǎng)作為重點測試領(lǐng)域是在2015年，本研究以PISA官方網(wǎng)站發(fā)布的2015年科學(xué)素養(yǎng)測試題為研究對象，依據(jù)測試框架對測試題進行分析.

表1 測試年份及PISA重點測試領(lǐng)域

2 PISA2015科學(xué)素養(yǎng)測試框架介紹

科學(xué)素養(yǎng)測試框架主要包含四個維度，分別為情境、能力、知識和態(tài)度，如圖1所示.它們之間存在著密不可分的關(guān)系，比如，學(xué)生能力的形成會受到原有知識和態(tài)度的影響，學(xué)生的能力以及對能力的考查需要以情境為依托，在情境中進行檢驗.

圖1 PISA2015科學(xué)素養(yǎng)測試框架

測試框架將“情境”定義為生活中涉及的科學(xué)和技術(shù)，此定義意味著測試的情境不僅僅局限于學(xué)校情境，它更傾向于在社會生活中去創(chuàng)設(shè)情境，包括個人的、家庭的、地方的和國家的甚至是全球的社會情境.

測試框架將“能力”劃分為對科學(xué)現(xiàn)象進行解釋的能力、設(shè)計科學(xué)探究方案的能力和科學(xué)處理數(shù)據(jù)和證據(jù)的能力；并指出，當學(xué)生具有某一項能力時，就會表現(xiàn)出與此能力對應(yīng)的行為，PISA試題主要通過考察學(xué)生在測試中的行為表現(xiàn)，進而確定學(xué)生是否具備哪項能力.

測試框架將“知識”分為內(nèi)容性知識、過程性知識和認知性知識.內(nèi)容性知識體現(xiàn)在物理、化學(xué)和生物等學(xué)科，關(guān)注知識間跨學(xué)科彼此聯(lián)系，例如在解釋科學(xué)現(xiàn)象時，我們需要的相關(guān)背景知識，這類知識即為內(nèi)容性知識；程序性知識是分析和解釋數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，目的是對物質(zhì)世界做出合理的解釋，比如，“了解內(nèi)容性知識”是如何建立的知識即為程序性知識；認知性知識是指學(xué)生能夠理解科學(xué)實踐探究的基本原理，在解決實際問題時會構(gòu)建相應(yīng)的物理模型，知道該采取什么樣的程序性知識解決問題，以及選擇該程序性知識解決問題的原因.

測試框架將“態(tài)度”劃分為對科學(xué)的興趣、評估科學(xué)過程對于探究的價值以及環(huán)境意識.它們是學(xué)生在進行科學(xué)學(xué)習(xí)過程中所形成的對待科學(xué)的態(tài)度，既來源于科學(xué)學(xué)習(xí)的過程，又對科學(xué)學(xué)習(xí)起到積極作用，同時使學(xué)生具備一定的社會責(zé)任意識.

3 測試樣題分析

3.1 測試樣題整體分析

PISA 2015公開的測試樣題共計33道，按照單元劃分被分為8個單元，分別為蜂群衰竭失調(diào)、礦物燃料、火山噴發(fā)、地下水開采與地震、新型發(fā)電廠、可調(diào)節(jié)性眼鏡、熱天跑步和節(jié)能的房子，將試題整理分析如表2所示，由表中數(shù)據(jù)可知，試題在情境創(chuàng)設(shè)上傾向于個人和國家背景，重點考查學(xué)生的內(nèi)容性和程序性知識，在能力考查上更為重視科學(xué)解釋數(shù)據(jù)和證據(jù)的能力.

表2 PISA2015公開測試樣題統(tǒng)計

統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)公開測試題中對學(xué)生科學(xué)解釋數(shù)據(jù)和證據(jù)能力方面的考查占51.3%，對內(nèi)容性知識的考查占50%，進一步說明PISA測試重點考查學(xué)生的解釋數(shù)據(jù)和證據(jù)能力以及內(nèi)容性知識方面.

3.2 典型試題分析

其中新型發(fā)電廠試題情境創(chuàng)設(shè)貼近生產(chǎn)生活，且對科學(xué)知識的考查較為系統(tǒng)，體現(xiàn)各學(xué)科之間的融合，試題中覆蓋了測試框架中的“情境”“知識”“能力”和“態(tài)度”4個方面，下面從原題再現(xiàn)、試題簡析和框架解讀3方面來闡述.

（1）原題再現(xiàn)：圖2為利用鹽水和淡水之間的鹽濃度差發(fā)電的發(fā)電廠工作原理圖，發(fā)電廠所處的位置是淡水河以及海水交匯位置.發(fā)電廠將先從河水里抽取淡水通過管道在容器里匯集，并在另一個容器存放從海洋里抽取的鹽水.兩個容器之間設(shè)置了一個僅可滿足水分子通過的薄膜.基于此會致使水分子實現(xiàn)從低鹽到高鹽容器的移動.通過這種方式致使鹽水容器中水體積、壓力增加，鹽水容器中高壓水流經(jīng)過管道，會給渦輪機一定的驅(qū)動力，從而滿足發(fā)電目的.回答下列問題：

圖2 新型發(fā)電廠試題介紹

問題1：請參考新型發(fā)電廠信息，寫出正確的答案，在發(fā)電廠中發(fā)生了哪種能量的轉(zhuǎn)換？________到________.

問題2：許多發(fā)電廠使用石油和煤等化石燃料作為能源，為什么人們認為這個新型發(fā)電廠比使用化石燃料的發(fā)電廠更環(huán)保？

（2）試題簡析：試題提供了新型發(fā)電的原理圖，發(fā)電廠應(yīng)用管道1從淡水河中抽取淡水，應(yīng)用管道3從海洋中抽取鹽水，將抽取的淡水和鹽水匯集在同一容器中，用放大器觀察該容器可知，容器之間設(shè)置了僅水分子可以通過的薄膜，實現(xiàn)水分子從淡水向鹽水移動，使鹽水對周圍物體的壓力增大，流向渦輪機后，導(dǎo)致渦輪機發(fā)生轉(zhuǎn)動，達到發(fā)電目的.

（3）框架解讀.

① 情境—國家—科學(xué)技術(shù)前沿.

在新型發(fā)電廠這一單元，詳細介紹了新型發(fā)電廠的原理.從題干中可以發(fā)現(xiàn)，該新型發(fā)電裝置不同于日常生活中化石燃料發(fā)電，屬于較為創(chuàng)新和環(huán)保的發(fā)電方式，該單元以“國家”為背景進行情境創(chuàng)設(shè)，具體為“科學(xué)技術(shù)前沿”，在此背景下考查學(xué)生科學(xué)知識.該情境與其它兩類情境相比，與學(xué)生的生活實際更為貼近，不僅可以在情境中考查學(xué)生的能力，還可以通過情境中的背景信息讓學(xué)生對國家或地區(qū)的科技前沿有一定了解，更能考查學(xué)生適應(yīng)生活的必備能力.

② 能力—科學(xué)解釋數(shù)據(jù)和證據(jù)的能力.

學(xué)生在作答問題1時需要分析：由于鹽水和淡水的鹽濃度不同，淡水中的水分子將向鹽水中移動，導(dǎo)致鹽水容器中水的體積、壓力增加，鹽水容器中高壓水流經(jīng)過管道，會給渦輪機一定的驅(qū)動力，導(dǎo)致渦輪機運動而具有一定的動能，實現(xiàn)發(fā)電目的，得出問題1的正確答案為將動能轉(zhuǎn)化為電能.解答該試題的學(xué)生必須正確理解題干，理解由于濃度不同導(dǎo)致水分子轉(zhuǎn)移，以及渦輪機和發(fā)電機的功能，因此試題考查了學(xué)生科學(xué)的解釋數(shù)據(jù)和證據(jù)的能力，檢驗學(xué)生是否能夠運用科學(xué)知識作出合理選擇，難度設(shè)置上屬于中等難度.

③ 知識—內(nèi)容性知識—物理、生物.

解答問題1時，學(xué)生需要明確水分子的移動方向，水分子總是從低濃度溶液向高濃度溶液移動，即為生命科學(xué)知識.除此之外，容器中鹽水的體積增大導(dǎo)致對器壁的壓力增大，流向渦輪機后，使其運動獲得動能，最終將動能轉(zhuǎn)化為電能實現(xiàn)發(fā)電，考查了學(xué)生物理知識—能量的轉(zhuǎn)化.

④ 態(tài)度—環(huán)境意識.

學(xué)生在作答問題2時，需要了解化石燃料發(fā)電過程會釋放對大氣有害的物質(zhì)，而新型發(fā)電廠將動能轉(zhuǎn)化成電能，發(fā)電過程中無有害氣體的排放，更有利于環(huán)境保護，這不僅考查了學(xué)生內(nèi)容性知識（物理，化學(xué)）以及解釋科學(xué)現(xiàn)象的能力，同時也反映了學(xué)生在學(xué)習(xí)生活中對環(huán)境的關(guān)注情況，很好的檢驗了學(xué)生是否具備科學(xué)態(tài)度中所強調(diào)的環(huán)境意識.

4 PISA科學(xué)素養(yǎng)測試題的總結(jié)

分析公開測試題可以發(fā)現(xiàn)，“發(fā)電”這一情境來源于學(xué)生生活，“新型發(fā)電”是建立在學(xué)生熟知情境下的“國家科學(xué)技術(shù)前沿”，不僅能夠考查學(xué)生能力，還可以使學(xué)生對“國家科學(xué)技術(shù)前沿”有一定的了解，同時在試題整體分配上個人和國家為背景的試題居多，全球背景的情境創(chuàng)設(shè)較少；在知識的考查上，試題考查了學(xué)生物理、生物和化學(xué)三個學(xué)科知識，強調(diào)學(xué)科間的融合，整體上看內(nèi)容性知識所占比重較大，認知性知識所占比重較?。唤鉀Q試題時需要對試題中提供的發(fā)電原理圖進行分析，進而得出正確答案，這就需要學(xué)生具備科學(xué)解釋數(shù)據(jù)和證據(jù)能力，這也是面臨社會挑戰(zhàn)所必須具備的關(guān)鍵能力，因此科學(xué)解釋數(shù)據(jù)和證據(jù)能力方面考查的試題較多，評價和設(shè)計科學(xué)探究能力不做重點考查.通過分析可以說明，熟練應(yīng)用內(nèi)容性知識科學(xué)解釋數(shù)據(jù)和證據(jù)以及解決實際問題是未來公民必備的能力之一，檢查學(xué)生是否具備了面對社會挑戰(zhàn)的能力是PISA測試所關(guān)注的焦點議題.