PISA2015科學素養測評案例賞析及教學啟示

(西安交通大學蘇州附屬初級中學,江蘇 蘇州 215021)

1 問題的提出

2016年《中國學生發展核心素養》正式發布,提出學生發展核心素養主要指學生應具備的,能夠適應終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力．物理學科核心素養主要包括“物理觀念”、“科學思維”、“科學探究”和“科學態度與責任”4個方面．學生發展核心素養是檢驗和評價教育質量的重要依據．核心素養導向的學生學業質量評價能夠推動物理教學的開展,為發展學生核心素養奠定堅實的基礎．

國際學生評估項目[1](Program for International Student Assessment,簡稱PISA)是一項由經濟合作與發展組織(Organization for Economic Co-operation and Development,簡稱OECD)統籌的學生能力國際評估計劃,主要對接近完成基礎教育的15歲學生進行評估,測試學生們能否掌握參與社會所需要的知識與技能．核心素養一詞最早出現于OCED的相關研究報告中,OCED率先提出的核心素養框架[2]包括“能互動地使用工具、能在異質社會團體中互動、能自主行動”3個方面,PISA測評一定程度上反映了國際組織對核心素養評價的理念與方法．基于PISA2015科學素養測評(以下簡稱“PISA2015”)的視角,以蘇科版初中物理8年級第4章第4節“照相機與眼球 視力的矯正”為例,借鑒國家測評組織對核心素養的評價,賞析“可調式眼鏡”測評案例,反思對“照相機與眼球 視力的矯正”一課教學的啟示,以供教學參考．

圖1 PISA2015科學素養測評框架

2 PISA科學素養測評簡介

如圖1所示,國際學生評估項目是近10多年來國際上參與國家和地區最多、影響力最大的評估項目,其宗旨在于使學生學得更好、教師教得更好、學校體制更加高效．PISA是一種定期的動態評價項目,測試從2000年開始,每3年進行1次測評,每次從閱讀、數學、科學中選擇一個作為主要領域,另外兩個作為次要領域．PISA2006和PISA2015重點測評學生的科學素養,2015年江蘇省正式開始參加PISA測評．PISA2015的科學測評以計算機為主,紙筆測試為輔,體現測評項目積極適應信息化社會的要求．在PISA2006包含情境、能力、知識、態度及其相互關系的完整框架的基礎上,PISA2015進行了一些調整,反映了國際測評教育理念的最新動態發展．

3 PISA2015科學素養測評案例——可調式眼鏡

下面介紹PISA2015科學素養測評中“可調式眼鏡”的案例,由5個問題組合而成,問題1、4和5為選擇題,問題2和3為填空題,采用計算機模擬實驗獲取數據,分析實驗數據,得出實驗結論．

可調式眼鏡： 一種新技術稱為可調式眼鏡,用于幫助人們矯正視力而不需要眼科醫生的指導．這些眼鏡的透鏡是液體制作的,透鏡的形狀是通過調節透鏡中液體的多少來實現的．

問題1.可調眼鏡并不新奇，人類的眼鏡也有一個可調節的晶狀體．眼睛晶狀體的形狀是通過肌肉作用調節的，為什么眼睛晶狀體的形狀要調節(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.移動滑塊改變透鏡的液體量，增加液體眼鏡的形狀會發生怎么樣的變化(見圖4)?從下拉菜單中選擇正確的答案．

圖4

當液體增到平面透鏡中,透鏡側面的彎曲度會________(向外/向內),這是因為液體施加在透鏡側面的合力________(增大/減小)．

可調式眼鏡的調查： 不同視力的3名學生使用一副可調式眼鏡進行實驗．Anna能看清遠近不同的物體;Daniel能看清遠處的物體,但不能看清近處的物體;Maria能看清近處的物體,但不能看清遠處的物體．在模擬中,你可以看到透鏡中液體數量如何影響學生從不同距離看清一棵樹．

問題3.運行模擬實驗,從下面的信息中收集數據，從下拉菜單中選擇回答問題(見圖5，圖6)．

圖5

圖6

Anna可以看清遠近不同的物體,如何調節眼鏡改變Anna的視力的?

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

問題4.運行模擬實驗,從下面的信息中收集數據，點擊一個或多個選項回答問題．

Daniel能看清遠處的物體,但不能看清近處的物體．如何調節眼鏡使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.運行模擬實驗,從下面的信息中收集數據，點擊一個選項回答問題．Maria能看清近處的物體但不能看清遠處的物體．如何調節眼鏡讓Maria看清遠近不同的物體?

(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 “可調試眼鏡”案例分析

根據PISA2015科學測評框架,案例的設計主要包括情境、知識、能力、態度、認知需求等,態度的考查通過對問卷調查測評,從而本案例中不涉及該維度的分析．“認知需求”是PISA2015科學素養測試框架提出的新概念,有別于“試題難度”,也有研究者譯為“認知難度”,它貫穿于3種能力考查過程,有低、中、高3個水平層次,具體可參見文獻[3]的研究成果,此處不再贅述．由表1可知,案例情境的創設以“個人的”為主,貼近學生的生活,探究科學與技術前沿熱點問題,著重考查學生的程序性知識,關注學生對方法的理解與運用,問題2-4均考查學生“科學地解釋數據和證據”的能力,要求學生綜合分析判斷數據和證據,挖掘數據和證據隱含的物理規律和原理．認知需求的設置呈現階梯性,全面測評不同學生的知識與能力的水平．

4 對初中物理教學的啟示

4.1 創設有效情境,引起學生的認知沖突

PISA2015創設學生在學習科學過程中涉及的知識產生和應用的真實情境,提升學生的問題解決能力．教材編排3個層次性的模塊:照相機、眼球和視力的矯正．照相機是對凸透鏡成像規律的直接應用,對前一課時的內容鞏固、拓展,

眼球

是焦距可變的“照相機”,視力的缺陷與矯正是焦距變化受到限制的“照相機”,設計探究活動增加學生的體驗性,總結視力的缺陷及其矯正的方法．本節內容基于“照相機”模型,以焦距的變化為主線,貫穿整個教學設計．結合PISA2015案例問題2和3,筆者利用單反照相機創設情境,引起學生的認知沖突．情境1:教師講臺前架設一臺單反照相機,抓拍班級后排學生的照片,投影在屏幕．情境2:再抓拍班級前排學生的照片,投影在屏幕．引導學生觀察兩張照片上的前(后)排同一位學生,發現一張照片清晰,另一張照片卻模糊．同一架單反相機,兩次照片拍攝效果為什么不同?學生感覺非常新奇,激發了學生學習興趣．

4.2 調整教學邏輯,順應學生思維的發展

PISA2015案例中問題1考查了學生對眼球工作原理的理解,注重基本概念的掌握．教材中對眼球的工作原理做了相應的解釋“當被觀察的物體與人眼的距離改變時,人眼可以通過調節肌肉的松緊來改變晶狀體的彎曲度,即改變晶狀體的焦距,使物體仍能在視網膜上成清晰的像．”簡而言之,眼球通過調節晶狀體來看清遠近不同的物體．筆者在教學過程中發現,學生在解決“凸透鏡成像規律的應用”問題時,對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,發現光屏上的像由清晰變模糊了,將光屏向透鏡移動適當距離后光屏上再次呈現清晰的像．則該眼鏡是________(選填“近視”或“遠視”)眼鏡．

經過訪談發現,學生認為戴上眼鏡后,將光屏向透鏡移動適當距離后光屏上再次呈現清晰的像,像成在視網膜的前方,從而本小問是近視眼,該眼鏡是凹透鏡,即近視眼鏡．該小問的設計與PISA2015案例中的問題4、5較為相似,有所不同的是案例中根據計算機模擬,分析實驗數據判斷增加或減少液體,進而判斷是近視眼鏡或遠視眼鏡．反思教材中對模擬探究近視眼的缺陷的編排,發現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,教材從學生已有經驗出發獲取矯正方法,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,確定視網膜的位置,即此時光屏的位置,移去近視眼鏡后,移動光屏找到清晰的像,即此時光屏的位置．該邏輯順序是基于已有的解決方法,推理所出現的問題．參照文獻[4]對初中物理科學思維水平劃分可知,對學生的科學思維能力要求處于現象分析的高級要求,學生較難領會實驗的設計要領．此外,學生對光屏的功能存在疑惑:將光屏看做視網膜,那為什么可以移動呢?缺乏相關經驗的學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,對學生的科學思維能力要求處于現象分析的中級要求,基于問題的現象,分析判斷解決方案．按照正常的邏輯,課堂教學的教學要求高于評價要求,學生應該靈活應對,但教學時較高的思維水平導致部分學生難以理解．通過生活中的現象,尋求問題的解決方案是學生常規的思維方法,筆者設計通過自制實驗教具“雙變水透鏡”[5]實現眼球工作原理的可視化呈現,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,光屏看做視網膜．(1) 按照圖示組裝器材,調整在光屏上成清晰的像．(2) 當物體靠近時,視網膜上的像不清晰,向水透鏡1中注水,增加晶狀體的厚度,視網膜上的像變清晰．(3) 當物體遠離時,視網膜上的像不清晰,向水透鏡1中抽水,減小晶狀體的厚度,視網膜上的像變清晰．動態變化過程直觀顯示了眼球看清遠近不同的物體的成像原理．(4) 當物體繼續遠離時,視網膜上的像又不清晰,提問學生此時像在視網膜的什么位置?但此時無法繼續抽水,只能看清近處的物體,看不清遠處的物體,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,應戴凸透鏡還是凹透鏡?要求學生說明理由,通過實驗探究學生的猜想是否正確．該實驗引導學生從模擬眼球的工作原理到探究近視眼的缺陷及其矯正,邏輯上符合初中學生的漸進性認知水平,從近視眼的現象、成因,再到解決方法,也引導學生從3個角度判斷是否近視眼:(1) 能夠看清近處的物體,不能看清遠處的物體;(2) 晶狀體比正常眼球更凸,會聚能力更強;(3) 佩戴凹透鏡矯正．

4.3 滲透科學思想,培養學生的證據意識

PISA2015首次采用機測,案例中問題3-5均采用計算機模擬實驗,要求學生收集實驗數據和證據,客觀地分析數據和證據,有效避免對實驗結論的死記硬背,著重考查學生對“程序性知識”的掌握和提升“科學地解釋數據和證據”的能力,問題4的模擬結果為前2個選項,要求學生具備實事求是的科學態度,也體現了定性半定量的科學思想,不僅了解矯正遠視眼時使用凸透鏡,而且知道不同凸度的凸透鏡的矯正功能．

圖10 探究動能大小的影響因素

如圖10所示，在教學過程中滲透定性半定量的科學思想,能夠培養學生嚴謹的思維方式,如在“探究動能大小與哪些因素有關”時,教師引導學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),記錄木塊移動的距離;成比例增加小車的質量,記錄木塊移動的距離．分析實驗數據,得到實驗結論．提問:通過實驗數據的分析,你能判斷速度和質量哪個對動能的影響更大嗎?該問題不需要學生定量計算動能的表達式,但通過定性半定量的比較:速度增大為原來的n倍,木塊移動的距離為s1,質量增大為原來的n倍,木塊移動的距離為s2,比較s1和s2即可得出結論．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．初中物理教學中通過科學思想的滲透,培養學生的證據意識,發展學生的高階思維能力,提高學生的創新能力．

PISA科學素養測評項目創設具體的真實情境評價學生的科學知識、科學能力和科學態度等,突出評價體系的客觀性、科學性和時代性,為我國核心素養的評價內涵的創建提供借鑒與參考． 此外,學生的核心素養的評價能夠推動課堂教學的變革,準確定位學生的發展水平,發展學生的的關鍵能力,為學生的終身學習奠定基礎．