PISA科學素養視域下化學試題比較研究

郭應敏 陳坤

摘要： 借鑒PISA測評框架，結合我國化學課程標準、化學中考試題建構出化學試題的分析框架。從試題的情境領域、內容領域、能力群三個維度比較研究了2015年PISA測評樣題與北京、上海兩地近五年中考化學試題。通過三個維度縱橫兩向比較，發現我國兩地中考化學試題與PISA試題存在一定差距。從行動上跟進，建立相匹配的學業測評是落實化學學科核心素養的必然訴求，應豐富學業測評方式、均衡測試內容、創設真實問題情境、建立配套化學核心素養測評標準。

關鍵詞： 化學試題； 核心素養； PISA測評； 比較研究

文章編號： 1005-6629（2018）4-0013-07 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

PISA是一項由經濟合作與發展組織統籌的學生能力國際評估測試，自從其誕生以來，所秉持“學以致用”的能力觀引起了全球的熱烈反響，其將科學素養作為一個有反思意識的公民能夠參與討論與科學有關的問題、提出科學見解的能力[1]。化學作為促進科學素養養成的核心學科，承擔著培養學生化學核心素養的重任。學業測評作為一個國家和地區課程設計與實施鏈條上的終端環節，這根“指揮棒”將導向一系列課程與教學活動的開展，只有從行動上跟進建立起與學生核心素養發展相匹配的學業評價體系，才能確保核心素養培育的落實[2]。本文基于PISA科學試題測評框架，結合我國化學測評實際情況構建出化學試題分析框架，對2015年PISA科學測評樣題與北京、上海兩地近五年中考化學試題進行比較研究，以期望對我國化學教學與測評提供有益的啟示。

1 化學測評“問題特征”的分析框架

1.1 研究對象

PISA測試對象是年齡在15～16歲，且必須是接受學校教育而非家庭教育的學生，以便了解完成義務教育之后的學生是否具備適應未來生活的能力[3]；而我國初中學業測評考試的對象也是15～16歲接受學校教育的學生。北京、上海兩地都參與了2015年PISA科學測試，從測試對象上具有相似的身心特征。因而，本文選取了PISA2015的科學測評中化學部分所公布的樣題與北京、上海兩地近五年中考化學試題作為研究對象。

1.2 分析框架維度的探究

張景鵬認為學科素養是學生面對一定的學科情境問題，通過個體特定的心理操作，調動已有個體的學科知識和情境經驗，解決學科問題時所反映出的個性心理特征。PISA2015科學素養評估框架由任務所嵌入的背景、學生需要應用的能力、涉及的知識領域、學生態度四個部分構成[4]。PISA對學生科學素養測評所設置試題主要圍繞試題問題任務所涉及的內容領域、問題素材與學生生活的相關度、試題問題任務所考查學生的能力群三個方面，具體內容如表1所示。

表1 PISA2015科學試題測評框架

PISA所秉持的素養觀體現在測評的問題上較為宏觀，劃分沒有明確的區分界限。具體觀之： 能力維度中“科學地解釋現象”體現了一種知識運用的能力，而知識的運用過程中包含了問題的觀察與分析、判斷與推理以及知識的記憶與理解、知識的提取與遷移；評價和設計科學探究、科學地解釋數據和證據則是一種科學探究的能力。我國化學課程標準將化學能力概括為知識與技能，包括認識常見物質的組成、性質及其在社會生產和生活中的初步應用；形成化學概念，了解化學變化的基本特征，初步認識物質的性質與用途之間的關系；了解化學與社會、技術的相互聯系，并能以此分析有關的簡單問題。查閱相關文獻，國外Yael Shwartz、 R.F. Kempa，國內田曉梅、楊玉琴等人所劃分的化學能力群，均涵蓋了化學認知、化學實踐、化學運用三個方面[5]。基于此，本文提出的分析框架： 能力群從“化學認知”、“化學實踐”、“化學應用”三個二級維度進行劃分。

在知識維度的劃分中，PISA劃分依據偏重于認知心理學研究范疇，從知識的加工階段與認知發展階段劃分知識，此種劃分的依據摻雜著部分能力的劃分。而在我國2014版初中化學新課標中，初中階段化學核心知識包括基本化學語言，微觀概念，常見元素、物質相關知識，基本實驗技能及物質變化守恒。由于基本實驗技能不僅要求對實驗儀器簡單識記，更要求掌握實驗的操作、思想和方法，筆者綜合小組討論將其歸為能力維度更為適宜。同時，結合我國兩地試題實際情況發現，計算在化學學科中占一定地位，且化工生產也包含計算。基于上述分析，本文最終將內容維度劃分為： 基本化學語言、微觀概念、常見元素知識、物質變化守恒、基礎計算五個方面。

而關于背景維度的劃分，PISA測試以問題涉及的廣度為劃分依據，將背景劃分為個人、地區與全球，這樣的劃分不利于學生意識到知識與自身的緊密聯系，不能較好地體現試題所考查的能力；故我們應以問題情境距學生生活的遠近為劃分依據。同時結合我國兩地試題實際情況發現： 問題情境領域涉及眾多化學實驗情境下的問題分析與物質推理，與實際生活并無聯系。故本文最終將情境維度劃分為： 個人情境、社會情境、學科情境。

1.3 分析框架的建立

在分析框架探究的基礎之上最終確立分析框架。具體包括問題任務考查所涉及的情境領域、內容領域、能力群三個維度（如表2所示）。問題任務的情境領域根據與學生生活距離由近及遠劃分為個人情境、社會情境、學科情境。問題任務所考查知識領域包含基本化學語言、微觀概念、常見元素知識、物質變化守恒、基礎計算。問題所考查的能力群包含化學認知能力、化學實踐能力和化學應用能力。其中化學認知能力又分為知識的記憶與理解、知識的提取與遷移；化學實踐能力則包括觀察與分析、判斷與推理；化學應用能力則包含實驗與探究、批判與創新。

表2 化學學科核心素養分析框架

為確保該分析框架與結果的科學性與客觀性，采用小組分工獨立背對背編碼統計。首先各自對2017年北京中考化學試題進行了預判與編碼；其次，再比較個人預判和編碼結果，采用小組多人編碼；最后，對編碼不一致試題進行討論交流，并最終得到相對一致的結果。具體分析過程，引用北京2017化學中考真題加以說明。

1.4 例題分析

38.高錳酸鉀在生產、生活中有廣泛應用。實驗小組對高錳酸鉀的某些性質進行研究。

Ⅰ.不穩定性

（1） 如右圖所示進行實驗，KMnO4受熱分解的化學方程式為 ，3.16g KMnO4產生O2的質量為 g

（2） 用向上排空氣法收集O2的原因是 。

Ⅱ.腐蝕性

[查閱資料]KMnO4溶液呈中性、有腐蝕性。

[進行實驗]

實驗1： 將新鮮雞皮在不同濃度的KMnO4溶液中浸泡相同時間，現象如右表。

實驗2： 將銅片分別浸泡在4種溶液中進行實驗，所得數據如下表。

【解釋與結論】

（3） 實驗1的目的是 。

（4） 實驗2中，通過對比②和④，得出的結論是 。

（5） 實驗2中，欲得出“KMnO4和硫酸共同作用對銅才有腐蝕性”的結論，需要對比 （填序號）。

（6） 實驗2中，銅片被腐蝕的反應如下，補全該反應的化學方程式5Cu+2KMnSO4+8H2SO45CuSO4+2MnSO4+K2SO4+ 。

結合以上所說化學學科核心素養分析框架，對此題進行分析，結果如表3所示。

表3 2017年北京中考化學試題第38題分析

2 研究結果

2.1 問題任務能力群分析

利用表2的分析框架對2015年PISA測評樣題，北京、上海兩地近五年中考化學試題的問題任務特征所考查學生科學素養的能力群進行編碼、統計與整理，得出化學試題問題任務考查能力群均值總體分布水平圖（如圖1所示）和化學試題問題任務考查能力群均值變化趨勢圖（如圖2所示）。

圖1 2015年PISA測評與北京、上海兩地近五年中考化學試題問題任務考查能力

群均值總體分布水平圖

圖2 2015年PISA測評與北京、上海兩地近五年中考化學試題問題任務考查能力

群均值變化趨勢圖

從圖1可知2015年PISA試題能力維度總體水平高于兩地。從圖2知兩地能力維度均值呈顯著、持續增長態勢，這得益于近年化學課程改革。為進一步分析各能力維度具體考查變化趨勢，根據分析框架，做出如下素養能力群比重圖（如圖3所示）。

圖3 2015年PISA測評與兩地近五年中考化學試題能力群水平層次分布比重圖

從圖3知，無論是PISA測試還是國內兩地學業測評考試對于化學認知、化學實踐和化學應用的考查均有涉及，但又各有不同。總體而言，PISA對于三種能力的考查占比分布相對均勻，對化學實踐能力稍有側重，這體現了PISA重視學以致用的理念；國內則更傾向于化學認知能力的考查。

具體分析可得，對于化學認知能力的考查，PISA傾向于考查知識的提取與遷移水平層次，知識的記憶與理解水平層次沒有涉及；國內兩地對兩層次均有考查，折射出我國教育重視基礎。對于化學實踐能力的考查，PISA與國內兩地測試均對兩個水平層次有考查，且均更傾向于考查更高層次的判斷與推理，但PISA考查占比高于國內兩地；對于化學應用能力的考查，PISA考查比重遠高于國內兩地，但二者對于此能力中高水平層次的批判與創新層次并未涉及。

2.2 問題任務的情境領域

按照表2的分析框架再對2015年PISA測評樣題與北京、上海兩地近五年中考化學試題的情境類別進行統計整理得出以下結果（如圖4所示）。

從圖4可知，PISA測試問題情境的選擇傾向于社會情境與個人情境的選用，尤其重視社會情境。所選問題情境與學生生活聯系緊密，有利于學生了解如何將所學知識與生活中的問題結合，真正實現學以致用。國內兩地測試問題情境素材的選用均傾向于與學生生活距離遙遠的學科情

圖4 2015年PISA測評與兩地近五年中考化學試題問題情境類別分布占比圖

境，而對社會情境的選用占比為三類中最低。

2.3 問題任務的內容領域

根據表2的分析框架對2015年PISA測評樣題與北京、上海兩地近五年中考化學試題問題所考查的內容領域進行統計分析，整理得到如圖5所示結果。

圖5 2015年PISA測評與兩地近五中考化學試題問題內容領域分布比重圖

從圖5可知，PISA測試對于基礎計算內容的考查未涉及，其余四類內容的考查占比分布較為平均；而國內兩地傾向于“基本化學語言”及“常見元素知識”的考查，而對于“微觀概念”的考查占比則比較微小，反映出國內化學學業測試對于化學學科特點內容缺乏一定關注。

3 結論與啟示

3.1 結論

通過借鑒PISA科學素養觀，結合我國倡導的化學核心素養所建構的化學素養分析框架，對2015年PISA測試與北京、上海兩地近五年中考化學試題進行系統性的分析比較，發現我國與PISA測試在試題問題特征上存在差異，具體表現在如下幾個方面：

首先，就試題所考查的能力群而言，PISA更為重視化學實踐能力的考查，同時兼顧化學認知能力以及化學應用能力；而兩地試題著重考查學生的化學認知能力，對于化學實踐能力以及化學應用能力的考查并未十分重視。實驗中蘊含的化學實踐能力與化學應用能力是學生實現學以致用，形成批判性思維、獲得創新能力的關鍵。PISA重視對其的考查，表現PISA測試對于學生批判性思維與創新能力的重視。

其次，就試題問題設置所選取的情境領域而言，PISA科學試題問題情境設置多集中于與學生密切相關的個人生活與社會生產，有利于學生知識的遷移與能力的轉化；而兩地試題呈現大量學科情境試題，在此情境中學生難以將所學知識與所遇問題相結合，難以實現化學核心素養的發展與培養。

最后，就試題編制考查的內容維度而言，PISA試題除未考查基礎計算內容領域以外，其余四大內容領域考查占比均勻；而我國兩地試題編制內容領域分布多集中于“化學基礎語言”、“常見元素知識”和“物質變化守恒”，反映了兩地重視“雙基”的傳統。化學學科是一門從微觀視角認識世界的學科，PISA測試注重對微觀概念的考查，有利于學生科學思維的形成；同時測試內容均衡、全面，對核心素養中的科學本質、創新能力等有較好體現。

3.2 啟示

PISA秉持化學源于生活，歸于生活，學以致用的理念，考查學生個體運用已學知識和技能解決現實問題的能力，從而了解和推測學生是否具備適應未來社會經濟生活的知識與能力。這與我國核心素養的價值理念不謀而合，故PISA作為全球性的科學測評，其編制理念、試題設計值得我們借鑒與參考。

3.2.1 豐富學業測評方式，配套學生化學核心素養發展

化學學業測評考試旨在通過一系列的測評考查學生是否具有借助化學知識與技能參與社會生活的能力，是檢驗核心素養培養的利器。縱觀目前國內化學學業水平考試，主要采用紙筆測驗方式，以分數量化為標準，重點考查基礎知識與基礎能力，對極具化學特點的觀察與分析能力的考查限制較多，不利于全面客觀地對化學核心素養的培養進行考查。PISA測評形式靈活多樣，其新增的計算機模擬實驗，可通過設置逼真的化學實驗，考查學生科學探究能力，鍛煉學生發現、分析、解決問題的能力。可整合多種評價方式，將量化評價與質性評價相結合，采用表現性評價。例如增加實驗操作，設計制作微觀模型，問題解決成果匯報等形式。其中，設計制作微觀模型可充分考查學生的理解能力和化學思維的形成，而問題解決成果匯報則讓學生在問題解決與梳理過程中體會科學精神與社會責任；同時在呈現考評結果時采用指標加權重的計算方式。

3.2.2 創設真實問題情境，增強學生化學實踐應用能力

問題情境是學生內在素養形成的環境，更是內在素養轉化為外在能力的轉換器。若素養依托碎片化知識，并以情境單一、過程統一、答案唯一的“規范”形式呈現，將導致認知與思維被局限在有限的學科領域內。PISA科學素養具有統整性，滲透著化學思維，體現了一切素養的形成與發展均根植于情境實踐之中。化學作為一門實用性很強的學科，植根于真實情境的問題是觸發學生認知、敲開求知之門與實踐的金鑰匙，也是學生將內在素養快速提取，外化為具體能力的堅實橋梁。無論是教學設計還是試題編制，都應注重化學與生活的聯系，將測試內容融入真實的情境中，才能將學生的觀察分析、邏輯推理、遷移運用、批判創新等能力的培養與考察落到實處。

3.2.3 優化化學教學、測試內容，全面培養、考查學生的化學核心素養

知識是形成素養的載體，離開了知識，核心素養的培養就是無本之木、無源之水。學生觀察宏觀現象、分析微觀原理，再以化學語言將二者聯系，其中涉及的微觀概念、物質變化守恒等內容是化學核心素養的重要組成部分。PISA測試對其的考查勢必會有利于學生科學思維的培養。借鑒PISA測試，首先，可調整化學測試內容，打破原本忽視學科特征內容的現象；其次，范圍廣泛、分布均衡的測試內容有利于檢驗學生是否已經建立完善的知識圖式。完善的知識圖式是培養、發展信息處理能力的基礎。在縱橫交錯的環境中信息處理能力是發現問題、分析問題、解決問題的前提。因此，無論是教學還是試題編制，都應重視教學、測試內容的均衡分布。

3.2.4 制定相應化學核心素養測評標準

目前我國化學測評缺乏相應標準，難以為化學核心素養的形成與考查提供機制上的保障，OECD發起的DeSeCo項目通過強大的團隊進行實地調研，經過反復論證，充分考慮社會與個人愿景，梳理出學生將來所需核心素養，并劃分為具體的二級指標因子[6]。PISA試題的編制依據DeSeCo核心素養框架，建立關于學生核心素養評價具體指標。我國兩地試題各維度水平層次所表現的與PISA試題的差異體現了我國化學測評應制定配套的測試標準的訴求。我國應根據核心素養的內涵、結構、特點，結合細化后的學生需掌握的必備品格與關鍵能力，設置不同水平層次測評標準，并在不同化學知識培養目標中建立化學核心素養測評題庫，同時將情境類別與各種內容知識點相結合，兼顧知識、能力、態度三個方面，實現化學核心素養培養。

參考文獻：

[1]Organization for Economic Co-operation and Develo-pment. PISA 2015 Draft Science Framework [EB/OL]. http：//www.oecd.org/pisa/pisaproducts/Draft%20PISA%202015%20Science%20Framework%20. pdf. 2014-03-10.

[2]陳坤.核心素養視域下數學試題的問題特征比較研究——以2012年PISA測評樣題與北京、上海兩地近五年中考數學試題為例[J].湖北文理學院學報，2017，（5）： 79～84.

[3]劉克文，李川.PISA2015科學素養測試內容及特點[J].比較教育研究，2015，（7）： 98～106.

[4]http：//www.oecd.org/pisa/publications/the-nature-of-problem-solving-9789264273955-en.htm.

[5]R.F. Kempa.Science interest and attitude traits in students subsequent to the study of chemistry at the ordinary level of the general certificate of education [J]. Journal of Research in Science Teaching， 2010，（4）： 361～265.

[6]Rychen， Dominique Simone.Highlights from the OECD Project Definition and Selection Competencies： Theoretical and Conceptual Foundations （DeSeCo） [J]. Definitions， 2003，（12）： 10～13.