指向科學思維評價的試題命題立意探析
——以2021年溫州市初中科學學業水平考試第25題為例

翁慶雙，胡聲偉

1.瑞安市教育發展研究院，浙江 溫州 325200

2.瑞安市飛云中學，浙江 溫州 325200

科學思維是從科學視角認識客觀事物本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式，主要包括模型建構、推理論證、創新思維等要素。科學思維不僅是學習科學所應必備的關鍵能力，也是適應現代社會發展的核心思維方式，而且可以遷移到其他領域，是科學課程核心素養的核心，是評價的重點，也是學業水平考試的重點。

科學思維的測評是將隱性思維活動可視化的過程。這需要讓學生置于一個具有科學元素且真實的情境中，解決一個較復雜的問題，充分調用學生能力，展示科學思維的水平層級（圖1）。

圖1 科學思維可視化一般流程

浙江省初中學業水平考試中的實驗探究題不是傳統意義上的實驗題，而是主要以實驗為背景考查學生能力的試題。真實的科學實驗以核心知識為載體，設計富有層次性，過程具有完整性，是科學思維考查的優良載體。本文以2021年溫州市初中科學學業水平考試第25題為例，探析科學思維各要素的考查樣式，試題如下。

（2021溫州，第25題）據史料記載，歐姆曾用如圖電路（圖2）來研究電流的影響因素。該電路的溫差電源中，銅與鉍的兩個接觸面分別放在冰水混合物和沸水中，AB兩端存在電壓，其電壓大小由溫度差決定。歐姆將粗細均勻的鐵絲兩端插入水銀中，接通電路。當電路中有電流通過時，小磁針會發生偏轉，轉動金屬絲上端手柄，扭轉金屬絲，使小磁針回到原位置，記錄手柄轉過角度。他用粗細相同、長度不同的鐵絲多次重復上述實驗，部分數據如表1。已知手柄轉過角度與電流大小成正比，粗細相同的鐵絲電阻阻值與其長度成正比。

圖2 電路圖

表1 數據表

（1）在實驗中始終保持“溫差電源”的溫度差不變的目的是____________。

（2）小明查閱資料發現：除鐵絲外，歐姆還考慮了電路中水銀、銅絲等導體的電阻R＇，才得出正確的電流與電阻關系。結合表中數據，判斷R＇的阻值大約相當于本實驗中多少長度鐵絲的阻值？____________

A.5 英寸 B.10 英寸 C.15 英寸 D.20 英寸

（3）歐姆用粗細相同的金絲、鉛絲代替鐵絲重復上述實驗，發現當手柄轉過角度相同時，金絲的長度比鉛絲長。據此推測，若金絲和鉛絲的長度與粗細都相同，哪一金屬絲阻值更大？簡要說明理由。____________

1 以實驗解讀為載體，考查模型建構能力

在科學中，模型被視為是對真實世界的表征。建模則是對模型的建構，即從復雜的現象中，抽取出能描繪該現象的元素或參數，并找出這些元素或參數之間的正確關系，建構足以正確描述、解釋該現象的模型的過程。學生模型建構能力的形成和發展是一個由簡單到復雜、由基礎到綜合、由具體到抽象的過程，它經歷了“認識模型—應用模型—建構模型”的學習進階，參考課標中對學科核心素養的水平劃分，建構學生模型建構能力的“學習進階”構架（圖 3）。

圖3 模型建構能力的“學習進階”構架

試題中對模型建構的考查不是簡單判斷學生有或沒有具備這種能力，而是將學生能力進行層級歸類。該題是以科學家歐姆對于電流、電壓、電阻三者關系實驗研究為背景，從任務設計和評價標準等多角度評價學生的模型建構能力。

1.1 結合概念和原理，建構簡單模型

實驗目的的解讀不是純粹的步驟理解或信息提取，在面對較復雜的實驗裝置時，學生需要去繁求簡才能凸顯實驗的精妙，這就是建模的過程。第（1）小題的解答需要將實物逐步模型化（圖4）。

圖4 實物裝置的模型建構過程

從圖4中的a圖到b圖。這是實驗裝置圖到電路圖的簡單轉化，是對基于電路模型理解的讀圖能力的考查。轉化過程難度不大，但卻是在模型建構觀念指導下完成的，依賴于學生在長期認識和應用模型的實踐中對模型建構方法的認可。

從圖4中的b圖到c圖。根據表格，得出實驗是以改變鐵絲長度來改變電阻大小，即R為變阻器。結合控制變量法和歐姆定律，明確實驗目的是研究電壓相等時電流與導體電阻的關系。

從圖4中的c圖到正確解答。完成圖4中c圖的建構后，需要梳理電路中的物理量：U=U。結合題干信息，得出保持溫差不變的正確目的。

和教材中電流與電壓、電阻關系的實驗探究相似，學生較為熟悉實驗電路。將陌生的實驗設備與類似的模型關聯，并在比較后將其抽象化、符號化，這是在模型建構思維能力主導下進行的。

1.2 綜合整體與局部，建構復雜真實模型

相較于第（1）小題的簡單電路模型建構，第（2）小題對模型提出了更高的要求。從信息篩選角度上看，本小題需要提取實驗現象，即表格中數據的關系。這是一種定量角度的考查，要求學生不僅能將實物轉化為模型，還能將各科學量之間的關系梳理形成模型。

1.2.1 電路模型完善

根據第（2）小題的信息補充，圖4中c圖的理想狀態進一步得到完善（圖5），這是第（1）小題簡單電路模型建構的延續，是更全面地考慮對實驗結果產生影響的各個因素。

圖5 電路模型的進一步完善

1.2.2 數學模型建構

從第（2）小題的問題來看，它要求學生明確R＇與鐵絲長度l之間的關系。這需要將相對形象的電路模型進一步抽象化，得到式①；將題干中的文字信息數字化，得到式②和③；將第（2）小題中的問題方程化，得到式④。將式①到④進行數學方法的整理，結合歐姆定律，最終得到各科學量之間的定量關系模型。選取表格中的任意兩組數據代入模型中，求解得出答案。

電路模型不是實驗全部，結合小磁針系列裝置，經過多次轉化才能全面解析實驗現象。在真實的非良構情境中，眾多影響因素間的關系需要借助數學方法的高度濃縮才能得以展示。這是從形象的圖形類模型建構到抽象的關系類模型建構的進階，也是從局部了解整體認識的思維提升。

2 以材料篩選為途徑，凸顯推理論證能力

推理論證體現在基于證據與邏輯，運用分析與綜合、比較與分類、歸納與演繹等思維方法，建立證據與解釋之間的關系并提出合理見解。這需要在一個具有多種可能性的真實情境中發現問題，尋找問題與已有條件的關聯，建立解決問題的路徑。其中，關聯的過程便是基于證據和邏輯的推理論證過程。

2.1 雙變量影響，實現逆向推導

推理論證常見的測評方式是檢驗假設、得出結論、闡述自己觀點的合理性或基于證據對觀點的反駁。對于歐姆定律而言，學生不具備評析結論的知識和能力基礎，若尋找結論的證據支持，亦只能調動學生的記憶儲備而無法顯現科學思維。第（3）小題以金屬絲材料種類為依托，從實驗結論出發，探討實驗材料選擇的合理性，這是以認可結論為前提的逆向推導過程。

第（3）小題要解決的核心問題是金屬絲材料的種類與手柄轉過角度之間的關系。學生需要以模型和原理為基礎，從滿足手柄轉過角度相同的實驗需求出發，將轉過角度逆向轉化為電流，結合歐姆定律，聯系電阻阻值大小（圖6）。電阻阻值受材料種類、長度、粗細等多個并列因素的影響，且長度和粗細對電阻值的影響趨勢相反。三個變量同時存在使阻值變化有太多的可能性，不便于準確測評思維過程。第（3）小題以題干信息的形式主動排除了材料粗細的影響，結合金屬絲電阻相同的推導結果，篩選出兩種影響情況：長度較大、材料電阻較小和長度較小、材料電阻較大，以雙變量來實現結論的相互論證。

圖6 第（3）小題推理過程

2.2 借長句表述，展示思維過程

選擇題的作答具有一定的隨機性，而非選擇題中，除了核心知識的填空外，還有一部分是“理由是”“依據是”“優點是”“結論是”“預期結果是”等長句表述類問題。專業語言表達與文字書寫的邏輯性需要科學思維支撐，是科學思維的外顯過程。第（3）小題通過“說明理由”的長句表述，展示學生的思考過程。該題的參考答案如下：

鉛絲阻值更大。實驗中長金絲與短鉛絲阻值相同，而橫截面積相同的同種導體長度越長阻值越大，當金絲與鉛絲長度相同時，鉛絲阻值更大。

科學思維能力較差的學生，一般只能完成推理過程中的某幾個環節，這能從解答中直接體現。學生的常見錯誤解答大致有以下幾種：

①金絲電阻大，因為導體越長，電阻越大。

②鉛絲電阻大，因為鉛的比熱（密度、熔化時的溫度、熱脹冷縮、質量等）較大（小）。

③金絲電阻大，因為偏轉角度大，電阻大。

3 以科學史料為情境，體現創新思維能力

創新思維能力體現在從不同角度分析、思考問題，提出新穎而有價值的觀點和解決問題的方法。可見，創新思維能力主要體現在認識創新的事物和創造性解決問題，后者對能力有更高的要求。專家們普遍認為，與學科結合的創造性思維測評比較困難，難以在較短時間的紙筆考試中有效展現，在2017年國家科學質量檢測框架中也沒有包括質疑創新維度。但多角度認識事物和形成觀點的證據意識在測評中能夠充分展現，是模型建構、科學推理與論證等科學思維中其他要素考查的基礎。該試題以歐姆定律發現的科學史為背景，提供一個契合的試題情境，以此真實而豐富的實驗素材體現創新質疑能力的基礎。

3.1 重現實驗過程，多途徑獲取信息

歐姆定律的實驗研究是在缺少電流表、電壓表和各種不同定值電阻的歷史背景下展開的，這不同于教材展示的實驗方案。教材提供了準確的電路圖和電學元件，學生明確實驗目的，實驗現象與數據來源直接，這有助于快速達到研究目的，但過于精準的實驗導向不利于思維的創新。

該試題科學史背景下的試題情境中，采用小磁針加手柄的系列裝置來實現對電流大小的定量判斷，用溫差來控制電源電壓相同，用不同材料的電阻絲來改變電阻大小，信息獲取的方式和內容更多。豐富的信息是后續篩選、質疑和論證的基礎。采用混合文本的呈現方式，將實驗操作擇其要點以文字形式介紹，實驗現象以表格形式呈現，配合實驗裝置圖重現經典實驗。學生若要獲取有效信息，不僅需要對試題情境準確認識，還需要與教材實驗進行對比。

3.2 解讀實驗現象，多角度篩選證據

科學基于實證證據，對證據的解讀有助于提出關于自然現象的推論。該試題中的圖表和文字都是證據的呈現方式，學生解讀數據和科學量間的關系，是對實驗現象的解讀，但卻不一定都是證據。學生根據問題解決的需求，從中選擇能支持自己觀點的相關內容，這是篩選證據的過程，也是學生證據意識的體現。試題中第（1）（2）小題是應用證據得出結論，通過答案簡潔反饋證據是否正確和完整。第（3）小題則是直接將證據以答案形式呈現，直觀體現學生對證據的理解。

PISA2021增加創造性思維這一新的測試領域，它將創造性思維定義為能夠有效參與想法的產生、評估及改進，從而形成有創意和實效的解決方案、知識進步以及對想象的表達能力，主要從創造性表達、問題解決和知識創造三個方面來測評。在大規模測試中，這是一次大膽嘗試，也期待在后續的學業水平考試中能進行有效測評。

對科學思維的考查和分層，是教學內容中的重要一環。依標命題，以科學學科核心素養為命題立意的試題，有利于教學實現它的導向功能，對學生實現超出評價本身的育人價值。