PISA2015科学素养测评对我国中小学科学教学与评价的启示.pdf

2016 年第 3 期 ( 总第 344 期)GLOBAL EDUCATION Vol45 No3， 2016 *本文系北京市教育科学规划课题 “北京市中小学生科学素养发展水平的评价研究” ( 课题编号: CAA14006) 阶段性研究成果。 PISA2015 科学素养测评对我国中小学 科学教学与评价的启示 * 张莉娜 摘要从评价的视角分析了 PISA2015 科学素养测评内容架构及其实施特点， 阐释了 PISA 测 试对我国中小学科学教学与评价的启示， 包括: 注重在教学与评价中细化能力的内涵; 注重科 学探究在教学与评价当中的实施; 关注认知过程与深度思考; 注重在教学与评价中创设科学 情境等。 关键词PISA; 科学素养; 教学; 评价 作者简介张莉娜/北京教育学院讲师( 北京 100044) 提高学生的科学素养一直以来都是为世界各国科学教育领域所关注和研究 的问题， 同时也是各国科学课程标准当中切实落实的课程目标。我国中小学科 学课程标准， 如初中化学课程标准当中明确提出课程以提高学生的科学素养为 主旨; 重视科学、 技术与社会的相互联系; 倡导多样化的学习方式; 强化评价的诊 断、 激励与发展功能。 1 纵观国际科学教育研究当中从评价的视角明确提出科学素养的内涵， 并以 此为框架实施测评的莫过于 PISA 测试。 2 PISA， 是国际学生评估项目( Program for International Student Assessment) 的缩写， 该项目是一项由经济合作与发展组 织( Organization for Economic Co- operation and Development，OECD) 负责的学生 能力国际评估计划， 主要对接近完成基础教育的 15 岁学生进行评估， 测试学生 是否掌握参与社会所需要的知识与技能。 PISA 测试自 2000 年开始， 每 3 年实施 1 次， 每次测试分别侧重阅读素养、 数学素养、 科学素养; 2006 年和 2015 年测试重点是科学素养。2015 年 4 月， 北 京、 上海、 江苏、 广东等省( 市) 的 268 所学校 1 万多名学生在各自学校以计算机 考试模式顺利完成了由 OECD 组织的 PISA2015 正式测试和调查问卷。4 个省 市共同参与 PISA 测试， 是我国继 2009 年上海参与 PISA 测试取得好成绩之后的 最具影响力的一次 PISA 测试。PISA 的测试结果以及测评理念必将对我国科学 51 教学产生巨大且深远的影响， 而 PISA 测试的设计理念及其具体做法值得我们从 评价的视角进行分析， 以便在科学教学与评价当中学习借鉴。 一、PISA2015 科学素养测评内容的架构 PISA2015 将科学素养界定为 3 种能力: 科学地解释现象; 设计和评价科学 探究; 科学地阐释数据和证据。PISA 将科学素养界定为一种核心能力， 3 并分 别从能力、 知识、 态度、 情境这 4 个方面来构架对科学素养的测评( 图 1) 。 图 1PISA 2015 科学素养内涵 ( 一)测评对象之科学能力: 构筑科学素养的核心 PISA 的研究认为， 学生要了解并参与科学技术相关的具有批判性的讨论， 需要具备 3 个方面的能力: 科学地解释现象， 设计和评价科学探究， 以及科学地 阐释数据和证据。这 3 个方面的能力分别考查学生在认识、 提供和评价对一系 列科学现象和技术产品的解释; 描述和评价科学探究， 科学地提出问题解决的方 法; 以及分析和评价不同的科学数据、 科学主张和科学论证的表达方式， 得出恰 当结论的时候所展示出来的能力要素。这些能力要素作为测查的一系列能力水 平的考查点( 表 1) ， 如“形成和证明恰当的预测” ， 构成了开发测试题目来评价 学生科学能力的基本框架。 表 1PISA 2015 科学能力的构成 维度考查点 科学地 解释 现象 ( 1) 回忆、 应用适当的/合适的科学知识; ( 2) 识别、 使用和形成解释模型并表达出来; ( 3) 形成和证明恰当的预测; ( 4) 提供解释性假设; ( 5) 解释科学( 知识) 对社会的潜在影响。 61 评价和 设计科 学探究 ( 1) 在给定的科学研究中， 识别可以进行探究的问题; ( 2) 科学地区分可以研究的问题; ( 3) 科学地提出给定问题的探究方法; ( 4) 科学地评价给定问题的探究方法; ( 5) 描述和评价一系列科学家用来保证数据的可靠性， 解释的客观性和适用性的 方法。 科学地 阐释数 据和证 据 ( 1) 转换数据表达方式; ( 2) 分析、 阐释数据， 得出结论; ( 3) 识别科学文献中的假设、 证据和推理; ( 4) 区分基于科学证据或理论推导得出的论证和基于其他考虑得出的论证; ( 5) 评价来自不同资源( 如报纸、 因特网、 期刊) 的科学论证和证据。 ( 二)测评对象之科学知识: 构筑能力的基础 PISA 界定了 3 种科学能力， 而所有这些能力都需要以知识作为基础。比 如， 科学地解释现象， 就需要科学内容知识; 而设计和评价科学探究， 以及科学地 阐释数据和证据则需要更多我们不知道的， 所谓的缄默知识。这些知识依赖于 理解科学知识是如何建立的这个过程。PISA 将这些知识外显出来， 界定为程序 性知识和认识性知识。 PISA 要求测评学生理解以科学知识为基础的主要事实、 概念和理论， 包括 自然科学知识和科技产品， 即内容性知识。内容性知识从物理、 化学、 生物、 地球 与空间科学当中选择具体知识。表 2 当中列述了物质科学的内容性知识， 包括 物理和化学这两个学科的测试内容。从内容性知识的选取， 我们可以看出， PISA 测试的内容性知识主要是一些重要概念， 而不是具体的、 细枝末节的知 识点。 表 2PISA2015 科学内容性知识 以物质科学为例 知识分类考查点 内容知识 ( 1) 物质结构( 如: 粒子模型、 化学键) ; ( 2) 物质性质( 如: 状态的变化、 导热性和导电性) ; ( 3) 物质的化学变化( 如: 化学反应、 能量转移、 酸/碱反应) ; ( 4) 运动和力( 如速度、 摩擦力) 、 远距离相互作用( 如: 磁场力、 引力和静电力) ; ( 5) 能量及其转化( 如能量守恒、 能量损耗、 化学反应中的能量变化) 科学的基本目标是解释物质世界。暂定的解释首先得以发展， 然后通过实 证探究检验。实证探究依赖于某些公认的概念， 如变量的控制、 测量的类型、 误 差的形式、 降低误差的方法、 在数据观察中的通用模式， 以及呈现数据的方法。 正是这些概念和程序对于科学探究是非常重要的， 它们支撑着收集、 分析和阐释 科学数据。PISA 的研究认为关于标准的程序的知识是科学家用来获得可靠和 有效数据的知识。这种知识既需要开展科学探究， 又需要我们严格核实那些用 71 以支持特定论点的证据。 3 表 3 中列出了程序性知识的考查要点。 表 3PISA2015 程序性知识 知识分类考查点 程序性 知识 ( 1) 变量概念， 包括: 相关变量、 独立变量和控制变量等; ( 2) 测量概念， 如: 定量测定、 定性观察、 天平使用、 分类和连续变量等; ( 3) 评估和减小不确定性的方法， 如重复测量， 平均测量等; ( 4) 确保数据准确性( 确保测量质量) 和可重复性( 确保每次测量的一致性) 的 机制; ( 5) 恰当使用表格、 图形和图表等方式表达或提取数据; ( 6) 控制变量的策略及其在实验设计中的作用， 或者使用随机对照实验， 避免复 杂结果， 并识别可能的因果关系; ( 7) 对于给定的科学问题， 设计恰当的研究方案， 如: 科学实验、 科学调查、 科学 推理等。 认识性知识是关于建构的一类知识， 它是界定构成科学流程重要特征的一 类知识， 用于判断科学知识的产生。拥有这些知识的人， 能够用实例来说明科学 理论和假说之间的区别， 或科学事实和观测之间的区别。他们知道， 在科学中使 用的 “理论” 一词， 同我们在日常生活中的 “理论” 是不一样的， 后者是“猜测” 或 “直觉” 的同义词。尽管程序性知识是需要解释什么是变量控制的意思， 能够解 释为什么使用变量控制或重复测量对于科学知识的建立才是核心的， 后者是认 识性知识。 4 表4 列出了科学素养相关的认识性知识的主要维度和测评考查点。 表 4PISA2015 认识性知识 维度考查点 科学的 结构和 特征 ( 1) 科学观察、 事实、 假设、 模型和理论的本质; ( 2) 科学和技术的不同之处在于: 科学帮助人们形成对自然世界的解释， 而技术则 是为人类改造自然服务; 这构成了科学或技术问题及其相关数据; ( 3) 科学的价值， 如: 公布研究结果、 客观认识自然、 消除偏见等; ( 4) 科学当中推理的本质， 如: 演绎、 归纳、 推理到最佳的解释( 溯因) 、 类比、 基于模 型推理等 科学结 构和特 征在科 学知识 建立过 程中的 作用 ( 1) 科学数据和推理是如何支持科学主张的; ( 2) 在知识建立过程中， 实证调查的目的( 验证解释性假设或界定模式) 和不同形 式( 观察、 对照实验、 参考相关研究) 的功能; ( 3) 测量误差如何影响科学知识的置信度; ( 4) 物理模型、 系统模型和抽象模型的使用及其作用， 以及它们的局限性; ( 5) 合作与批判的作用， 以及同行评审如何帮助人们建立对新知识的信任; ( 6) 科学知识以及其他形式的知识， 对于识别、 解决科学与技术问题的作用 ( 三)测评对象之科学态度: 科学素养的重要组成部分 科学态度很重要。人们对科学的态度影响其兴趣， 以及是否关注并参与科 学技术相关的问题， 并影响他们对具体问题的处理。科学教育的目标之一是开 81 发出引领学生参与科学问题的态度。这种态度还支持后续的获取和应用科学技 术知识于个人、 地方/国家和全球的利益， 并导致自我效能感的发展。 PISA2015 科学测试以学生问卷的形式测量学生对科学的态度。科学态度 具体测查的维度和考查点见表 5。 表 5PISA2015 态度领域的测量 维度考查点 对科学的兴趣 ( 1) 对科学以及有关科学的问题和事业具有好奇心; ( 2) 愿意使用各种资源和方法， 获得更多的科学知识和技能; ( 3) 对科学有持续的兴趣， 包括将来从事与科学有关的职业。 注重科学方法 对于探究的作用 ( 1) 保证把证据作为物质世界解释的信仰基础; ( 2) 保证在适当的时候使用科学方法进行探究; ( 3) 重视将批判的评价方式作为验证猜想正确性的方法。 环保意识 ( 1) 关心环境， 可持续生活; ( 2) 具有促进环境可持续行为的倾向。 ( 四)科学情境: 评价能力与知识的背景 PISA 科学评价， 并不是评价情境， 而是评价在特定情境下的能力和知识。 情境的选择存在相应的基础， 主要包括科学技术在个人、 地区/国家和全球范围 的应用， 应用的背景包括健康与疾病、 自然资源、 环境质量、 危害、 科学和技术前 沿这 5 个维度( 见表 6) 。 表 6PISA2015 科学素养测评的情境 背景个人地区/ 国家全球 健康与疾病 保持健康， 处理意 外事故， 营养 控制疾病的社会传播， 食物选 择， 社区健康 流 行 性 传 染 病 及 其 扩散 自然资源 物质和能量的个人 消费 控制人口数量， 保障基本生活 条件， 保障区域安全， 保障食物 的生产和分配， 保障能源供应 可再生和不可再生的 自然系统， 人口增长， 物种的可持续利用 环境质量 友好 的 环 境 ( 环 保)行为， 设备与 材料的使用和处置 人口分布， 废物处理， 环境影响 生物多样性， 生态环境 可持续性， 控制污染， 土壤/ 生物量的损耗 危害 生活方式选择的风 险评估 瞬间发生的危害， 如地震， 恶劣 天气; 缓慢发生的危害， 如海岸 侵蚀， 沉降， 风险评估 气候变化， 现代交流方 式的影响 科学和技术 前沿 科学方面的爱好， 个人技术， 音乐和 体育运动 新材料， 设备和流程， 基因改 造， 健康技术， 运输方式 物种灭绝， 太空探险， 宇宙的起源和结构 91 二、PISA2015 科学素养测评实施特点解析 ( 一)测评考虑认知需求 跟 2006 年相比， PISA2015 测评的一个重要的新特点是: 在科学素养评价当 中， 界定认知需求水平。因为在评价中， 根据经验得出的题目难度， 往往是混淆 的认知需求， 难以界定题目难度。PISA 的研究将认知需求界定为高、 中、 低这 3 个水平。 高水平: 分析复杂的信息或数据， 整合或评估证据， 判断理由的不同来源， 制定一个计划或一系列步骤来解决问题。 中水平: 使用和应用概念性知识来描述或解释现象， 选择涉及两个或多个 步骤相应的程序， 组织/呈现数据， 或用简单的数据集或图形进行阐释。 低水平: 经历一步到位的过程， 应用一个事实、 术语、 原则或概念， 或从图 表、 表格当中定位单点信息。 ( 二)根据科学素养测评框架与观测指标设计试题 由于科学态度另辟学生问卷测查， 因此 PISA2015 科学测试的主测试工具测 评的对象主要是科学能力和科学知识。科学素养内涵框架当中的能力、 知识、 情 境以及认知需求共同构架了 PISA2015 科学素养测评框架。 5 PISA 科学测评的设计是严密的评价研究过程， 这表现为根据上面所述的科 学素养内涵框架， 结合认知需求逐步细化评价的观测指标， 根据观测指标设计测 评试题。这里需要特别指出的是: 测评试题的设计并不仅仅包括题目本身， 更包 括从评价框架的角度对试题的“解读” 。这是为后续报告学生测评结果的极为 重要的设计。在这里， 我们列举科学样题 “温室效应” 加以说明。 科学样题及其解析: 温室效应 阅读文字并回答下列问题 生物需要能量才能生存， 而维持地球生命的能量来自太阳。太阳非常炽热， 将能量辐射到太空中， 但只有一小部分的能量会到达地球。地球表面的大气层， 就像包裹着我们的星球表面的毯子一样保护着地球， 使它不会像真空的世界那 样， 有极端的温差变化。大部分来自太阳的辐射能量， 会穿过大气层进入地球。 地球吸收了部分能量， 其他则由地球表面反射回去。部分反射回去的能量， 会被 大气层吸收。由于这个效应， 地球表面的平均温度比没有大气层吸收能量时的 平均温度高。大气层的作用就像温室一样， 因此有了“温室效应” 一词。温室效 应在 20 世纪越来越显著。事实表明， 地球大气层的平均温度不断上升。报刊杂 志上常说， 二氧化碳排放量增加， 是 20 世纪气温上升的主要原因。小德有兴趣 02 研究地球大气层的平均温度和地球上二氧化碳排放量之间的关系。他在图书馆 找到下面两幅曲线图。 小德从曲线图中得出结论， 认为地球大气层平均温度的上升， 显然是由二氧 化碳排放增加而引起的。 问题 1: 曲线图中有什么数据支持小德的结论? 问题 2: 小德的同学小妮却不同意他的结论。她比较两幅曲线图， 指出其中 有些资料并不符合小德的结论。请从曲线图中举出一项不符合小德结论之处， 并说明理由。 问题 3: 小德坚持自己的结论， 即地球平均温度的升高， 是由于二氧化碳排 放的增加而引起的， 但小妮则认为他的结论太草率。她说 : “在接受这个结论之 前， 你必须确定在大气层内其他会影响温室效应的因素维持不变。 ” 请写出小妮 所指的其中一个因素。 样题解析: 问题 1 不仅要求学生了解在两个图当中数据的表达方式， 更要求 学生根据证据得出科学的结论。这是 2015 年认识性知识的特征之一。情境分 类是环境的， 全球的。这个问题， 需要涉及几个链接步骤来阐释图， 因此可归类 为中等认知需求。问题 2 要求学生探求/质疑两个图的细节， 其知识、 能力、 情境 和认知需求的框架同问题 1。问题 3 要求学生能用证据来支持判断。这类知识 属于程序性知识。 表 7温室效应问题 1 与问题 2 的分级框架 框架类别问题 1 观测点问题 2 观测点问题 3 观测点 知识类型认识性知识认识性知识程序性知识 能力科学地解释现象科学地解释现象科学地解释现象 情境环境的、 全球的环境的、 全球的环境的、 全球的 认知需求中等中等中等 12 三、PISA2015 科学素养测评对科学教学与评价的启示 ( 一)注重在教学与评价中细化能力的内涵 PISA 明确界定了科学素养的内涵， 并据此分别从能力、 知识、 情境这 3 个构 成要素的层面， 结合认知需求架构评价的细则; 其具体题目的选项只让学生答 1 次， 却可以从 4 个维度加以解析， 这不仅降低了学生答题的量， 还帮助老师深入 地了解学生的学习情况。因此 PISA 测评的结果及其报告， 历来为各国、 各地区 的教育研究与实践所重视。 这给我们的教学与评价带来了深刻的启示: 多年来， 我们一直面临着两个问 题。第一， 培养学生的能力， 而能力的内涵是什么， 却是模糊的; 第二， 学生做了 很多题， 能力却不见提升， 老师对学生答题结果的分析是笼统的。因此， 能力的 培养被泛化， 作业等习题的诊断、 反馈功能没有得到充分的发挥。从测试设计的 角度来看， PISA 的特点是有从粗到细的测评框架， 命题以及题目的解析完全对 照测评框架实施。这就需要我们教师和研究者在我国小学阶段实施综合科学课 程， 中学阶段多数地区实施分科教学的课程实施现状下， 深入理解和分析科学能 力， 以及科学领域各学科需要帮助学生建构的学科能力是什么， 据此细化能力内 涵框架来评价学生的能力表现， 并根据学生的表现来反观现有的教学， 以促进教 学改进， 进而促进学生的科学素养发展。 ( 二)注重科学探究在教学与评价当中的实施 2015 年 PISA 测评与 2006 年相比一个很大的改变在于: 将科学探究的过程 与数据及其阐释、 科学论证提到了前所未有的重视高度 。“评价和设计科学探 究 ” 、 “科学地阐释数据和证据” 不仅作为 3 个科学能力中的两个出现在科学素 养内涵框架当中， PISA 测评框架当中还特别提出了要注重科学论证的过程。 这给我们的教学和评价带来了巨大的冲击: 多年来， 科学探究作为一种学习 方式一直以来为理论界所提倡， 但是在一线教学当中， 教师对探究， 特别是实验 探究的教学情感是非常复杂的: 6 大多数老师支持开展探究式教学; 不过依旧 存在一些困惑， 比如有的老师认为， 实验探究涉及安全问题， 准备和组织也非常 费力、 耗时， 更多的时候探究在教学中流于形式， 成为“八股” 。科学探究的实质 在于过程， 这个过程是 “知” 与 “行” 的统一; 作为学习方式， 科学探究不仅仅应该 让学生学会科学家研究未知事物的过程， 获取已知的科学知识; 更应该让学生了 解知识的形成过程， 以及培养变量的识别与控制、 演绎、 归纳、 推理到最佳的解释 ( 溯因) 、 类比以及基于模型推理等科学思维。 再者， 跟国外的学生相比， 我国学生在科学论证方面， 特别是运用证据进行 推理和论证方面存在明显不足。已有研究表明: 学生对同一个问题的判断水平 高于解释， 推断水平高于分析， 7 这意味着学生在回答问题的时候存在一定程 22 度的蒙与猜; 他们注重得出结论， 却缺乏论证， 或者说他们猜得了结果， 却不明白 为什么。这与多年来的应试教育和题海战术是不无关系的。但是， 学生却没有 真正学明白。PISA2015 特别注重基于定性和定量的证据进行科学论证， 特别是 注重评价运用图表、 图形等方式来表达数据， 转换不同形式数据的表达方式， 并 阐释数据的含义。这是在考查学生基于定量数据进行分析和论证的能力。这也 是我们教师在科学教学与评价中须切实关注的。何谓让学生学明白?基于证据 解释清楚、 表达明白， 这才是科学探究过程中最应该加以落实和培养的能力， 而 不仅仅是注重探究的表面 8 个环节。在教学的过程中， 我们教师可以根据学情 和教学的实际情况设计观测工具， 比如自评量表等， 帮助学生关注并调控在探究 的过程中应该形成哪些能力， 比如变量控制能力、 基于证据论证的能力。这些能 力是值得花时间培养的， 是应该落实在教学评价当中的。 ( 三)关注认知过程与深度思考 PISA2015 测试当中将科学能力细化为一系列认知过程， 比如回忆、 应用科 学知识; 使用模型; 分析、 阐释数据并得出结论等。这不仅细化了学生学习的具 体能力， 更注重了检测学习的具体水平和认知过程。再者， PISA 将科学知识详 细划分为内容性知识、 程序性知识和认识性知识; 其中后两者往往是我们以往所 称的缄默知识， 是不容易说清楚的。特别是认识性知识， 它包括认识科学的价 值， 了解科学学习中各种推理的本质， 能够合作并形成批判性思考等。这些恰恰 是科学家研究未知领域科学问题所必备的 “经验” ， 这些 “经验” 超越了具体的科 学内容， 更具有认识论与方法论的价值。同时， PISA2015 测试将学生的认知水 平划分为高、 中、 低 3 个层次， 更加清晰地界定了测试问题的深度， 可以有效反馈 学生的测试结果。 PISA 对科学能力、 科学知识的详细划分及其对学生认知水平的细化界定启 示我们: 在日常教学和评价当中， 应该关注学生的认知过程， 而不仅仅关注结果， 因为后者往往是浅表的、 夹生的; 在教学当中， 布置一些需要高水平认知活动的 任务， 如让学生在判断问题之后进行解释， 运用数据和资料分析结果是如何得出 的， 而不是过多提出仅仅需要记忆和回忆就可以完成的任务， 促进学生深度思 考， 培养能力。 ( 四)注重在教学与评价中创设科学情境 问题的解决是需要在一定情境下进行的。这是 PISA 测试的特点之一。 PISA 试题往往是用一个情境包含若干问题， 这既寓问题的解决考查于情境当 中， 又减少了测查实施的时候学生阅读信息所花费的时间。与此同时， 更为重要 的是， 素养的本质是能力， 能力是蕴含在实际问题解决当中体现的。仅仅会背 书， 会解答已知领域的熟悉问题而不会迁移， 远非科学教育的目的。我们希望学 生在走出校门之后能够创新， 而创新的本质是在新情境下解决未知领域的未知 问题， 而不是照本宣科。 32 PISA 将情境作为考查科学素养的一个方面， 不仅仅是题目形式的创新， 更 是蕴含了用测评考查迁移能力的深意。 在日常教学和评价当中， 我们可以借鉴 PISA 测试的这一理念， 在教学设计 中注重选择和应用与教学内容相关的情境， 让学生在情境中学习， 习惯于不断在 新情境中应用知识， 并习得新知识与技能， 避免过多的照本宣科与简单记忆、 习 题训练。 参考文献: 1中华人民共和国教育部 义务教育化学课程标准( 2011 年版) S 北京: 北京师范大学出