基于PISA框架下的科學素養試題研究

夏旸

2014年4月，PISA2015國家中心嚴格按照國際規范實施了PISA2015試測，并于5月組織開展了試測的閱卷編碼工作。筆者有幸參與了科學素養閱卷編碼工作，并受PISA2015國家中心委托，命制了兩道科學素養測評模擬培訓試題，試題已經獲得PISA2015國家中心認可，將作為有關培訓資料進行使用。下面結合模擬試題的編制，探討PISA2015科學素養試題的命制特點。

PISA科學素養測評的核心是考查科學能力，具體分為三個方面：1. 科學地解釋現象;2. 評價和設計科學實驗;3. 分析數據并作出科學結論。科學素養測評框架包含三個維度：科學基本觀念、科學實踐過程、科學情境。科學素養測試題目通常以單元形式組織，每個單元首先呈現一個問題情境（情境通常用文字、圖表、模擬實驗等形式出現），情境都是學生在現實生活中可能遇到的，如臺風、海嘯、地震、海洋生物、大氣、陽光、溫室效應、細菌、冰山等等。每個單元包含若干道試題，均是從真實情境中提煉得出，以較為開放的形式設問，綜合多學科知識考查學生的科學素養。具體而言，PISA科學素養試題具有以下三個突出特點。

一、考查運用科學知識識別問題、獲取新知的能力

PISA試題從生活實際情況入手，素材往往來自于身邊的事與物，既貼近人類生活，又往往能從新穎角度設計，考出新意。在引導學生分析、研究、判斷、解釋的過程中，不僅考查學生是否具備相應的科學知識，而且也考查出學生獲取新知識的能力。

【案例1-1】無損探傷（筆者原創）

科學情境：無損探傷是在不損壞工件或原材料工作狀態的前提下，利用物質的聲、光、磁和電等特性，對被檢驗部件的表面和內部質量進行檢查的一種測試手段。常用的無損探傷有：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。有些無損探傷方法由于利用具有輻射作用的射線進行探測，如果使用不當會造成輻射事故，對人體安全造成威脅。

問題1：你認為對產品內部缺陷進行檢測，利用“無損探傷”希望解決的問題是（答案可能不止一項）：

A. 改進制造工藝

B. 降低制造成本

C. 提高產品的可靠性

D. 保證設備的安全運行

問題2：你認為文章中提到的無損探傷方法有可能探測到某個零件的哪些問題，請說明兩種具體的可能表現。

案例1-1命題思路：通過此問題的考查，能夠檢測學生通過題干內容獲取新知后，利用已有科學知識或者經驗，對另一角度的問題進行分析研究，重點考查了學生的演繹、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、性質和數量等信息，只要列舉出其中2種均可;部分得分答案：只說出一項合理的表現;其它作答或未作答均為零分。

二、考查科學解釋現象、根據證據得出結論的能力

PISA科學素養重點考查15歲學生運用科學知識解釋現象、根據實驗獲得證據、根據證據得出結論的能力，采用的考查方式形式多樣，并且在PISA2015試測中得到優化。

在PISA2015試測中，科學素養試題的命制方式非常靈活多樣，有的需要進行科學試驗，有的通過已有實驗數據進行分析，有的要求設計實驗方案，還有的利用計算機模擬實驗采集數據，等等。試題能夠從多個角度、多個層面考查學生的科學探究能力，更加全面地反映學生的科學素養狀況。

【案例1-2】無損探傷（續）

問題3：根據文章中的信息，下列哪一樣可以在實驗室里通過科學探究來解決，請就每項圈出“是”或“否”。

案例1-2命題思路：通過此問題的考查，能夠檢測學生在學習科學知識的過程中，對于出現的研究課題是否能夠利用實驗（或者是否有必要實驗）進行解決，重點考查了學生理解科學的本質的能力。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】無損探傷（續）

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

下圖表示某次檢測的示意圖，根據圖中信息，你能判斷此次檢測的方向嗎？請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缺陷的深度和位置，而且還可以根據圖像檢測出缺陷的面積。根據下圖，你能夠得到有關檢測缺陷面積大小的什么結論？

案例1-3命題思路：通過此問題的考查，能夠檢測學生通過題干內容獲取新知后，利用自身的識圖、判斷、分析、對比等能力，科學地解釋現象，重點考查了學生的科學研究能力。問題5的滿分答案為：說出正確判斷和理由或說出正確理由，可以（能夠）判斷此次檢測的方向，即從右到左檢測，缺陷波比底波出現的時間早;部分得分答案為：進行了正確判斷，但無理由;其它作答或未作答均為零分。問題6的滿分答案為：說出正確判斷和理由或說出正確理由，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）

科學情境：吊車（見下圖）是能夠在一定范圍內垂直提升和水平搬運重物的起重機械中的一種，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量（單位為千克kg或噸t），是吊車的主要性能參數指標。超過起重量，吊車可能發生傾覆事故。每臺吊車的起重量是可以隨吊臂傾角和吊臂長度的變化而變化的。

問題1：如果想要研究起重量如何隨吊臂長度的變化而變化，應該選用下圖中圖A、圖B、圖C中的哪些實驗來進行？請給出能夠支持你的選擇的解釋或理由。

案例2-1命題思路：通過此問題的考查，能夠檢測學生通過題干內容要求，進行實驗的方案設計，重點考查學生的科學研究方法中“控制變量法”的應用能力。問題1的滿分答案為：同時滿足正確選擇（圖A和圖C）和解釋（如果要研究吊臂長度與起重量的關系，應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）但無解釋，或者沒有進行選擇但解釋正確;其它作答或未作答均為零分。

【案例2-2】吊車（續）

問題2：科學家們在實驗室進行了某種型號吊車起重量的模擬測試。實驗記錄如下表所示，其中吊臂傾角可以調整為30°、45°或60°;吊臂長度可以調整為10米、15米或20米。請先做模擬實驗，再解決問題。

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

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

從模擬實驗的數據中選擇能夠支持你結論的數據。

數據2： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?。

問題3：通過模擬實驗，你認為增加起重量可能包括下列說法中的哪些方法？（答案可能不止一項）

A. 增大吊臂傾角 B. ?減小吊臂長度

C. 減小吊臂傾角 D. 增大吊臂長度

案例2-2命題思路：此問題是PISA2015的最新改進和重點考查項目。通過此問題的考查，能夠檢測學生通過題干內容要求，選擇合適的方案，模擬進行多次實驗，重點考查學生的實驗操作以及利用正確的證據得出結論的能力。問題2的滿分答案為：判斷1是“能吊起”，數據2是“選擇下表數據中的實驗1或實驗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”，但無數據，二是無判斷，但數據選擇正確;其它作答或未作答均為零分（下面附表為學生通過模擬實驗可能獲得的數據）。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;其它作答或未作答均為零分。

三、考查理解科學的社會作用、參與科學決策的能力

這類試題對于學生來說相對陌生，能夠從輕知識、重能力的角度進行考查，從思維過程、邏輯分析、解決策略方面入手，促使學生能夠形成良好的學習、生活習慣。考查角度獨特，弘揚終身學習理念。

【案例1-4】無損探傷（續）

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

A. 檢測設備故障

B. 工作人員不按規章操作

C. 被檢測零件有缺陷

D. 超過檢測設備的使用標準

【案例2-3】吊車（續）

問題4：根據文章中的信息，下列哪一樣還有可能影響起重量的大小，請就每項圈出“是”或“否”。

問題5：你認為增加吊臂長度可以影響起重量的大小之外，還可以產生哪些方面的影響？請說出你認為可能的兩項影響。

案例1-4、案例2-3命題思路：通過此問題的考查，能夠激勵學生進行更加深層次的思考和拓展，將科學知識應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：只說出一項合理的影響;其它作答或未作答均為零分。

PISA是目前世界上最具影響力、涉及范圍最廣的國際學生學習評估項目之一，其測試的先進理念、評估結果對多國的教育改革產生了深遠的影響。在學習PISA并嘗試根據PISA測評框架命制科學素養試題的過程中，我深切認識到要處理好科學教學與生活應用的關系。科學來源于生活，并用于生活。對于自然科學，學生早已在學習以前，就通過與其身處的自然環境以及無所不在的信息來源的相互作用，形成了自己對許多自然現象樸素的理解，他們都帶著自己特殊的生活經歷、體驗、感受和情感。科學教學就是要將這些簡單樸素的理解進行歸納、分析、拓展、應用、提升，有時還要進行糾偏。PISA測評中每道題目都是學生在現實生活中可能遇到的問題，我們的科學教育也應該還原科學的本來面目，在綜合運用多學科知識解決科學問題中培養學生的科學素養。

參考文獻：

[1] 國家教育考試評價研究院。考試評價：PISA測試表現優異地區教育改革對美國的啟示——以上海和香港為例http：//niea.neea.edu.cn/infor.jsp？infoid=44831&class_id=40_03

注：本欄目文章系國家教育體制改革領導小組研究項目“研提OECD組織PISA測試項目經驗啟示”的研究成果之一。

本欄責任編輯 ? ?潘孟良