如何在紙筆測試中評價學生科學探究素養

馬琳

摘要：紙筆測試評價學生的科學探究素養，必須與課程目標相吻合。命題框架應依據課程標準要求，從科學探究要素著手，突出評價學生科學探究素養的發展狀況和學業質量的達成程度。通過8個案例具體闡釋提出問題、猜想與假設、設計與實驗、解釋與結論、反思與評價等過程，突顯以立德樹人為根本任務的素質教育。

關鍵詞：科學探究素養;紙筆測試;評價

2017年版《普通高中化學課程標準》（以下簡稱《普高化學課標》）將“科學探究與創新意識”確立為化學學科五大核心素養之一[1];2011年版《義務教育化學課程標準》（以下簡稱《初中化學課標》）強調發展學生科學探究能力，明確發展學生科學探究能力的要素并對各要素提出具體目標要求。設計與課程目標直接對應的測試試題，有效評價學生化學學科核心素養的發展狀況和學業質量的達成程度，是落實兩個課標要求的必要措施。

1 紙筆測試試題命題原則與框架結構

紙筆測試操作方便，是最常用的學業質量評價方式。雖然紙筆測試很難考查學生的實驗操作情況，也不能滿足測量評價科學探究的全部要素，但利用探究試題的開放性，讓學生在豐富的實驗情境中或設計、或評價、或補充、或修正，能有效評價學生的科學素養。

《普高化學課標》對學業水平考試命題建議“情境的設計、知識的運用、問題的提出與解決均應有利于實現對學生核心素養的測試”[2]。依據課標要求和不同學段學生心智發展水平，評價學生科學探究素養的試題命題應以發展學生核心素養為測試宗旨，以真實情境為測試載體，以實際問題為測試任務，以學生掌握的化學知識和探究實驗技能為解決問題的工具，突出評價學生的科學探究素養發展狀況和達成程度。基于《普高化學課標》命題框架[3]，歸納科學探究素養試題命題框架如圖1所示。

2 紙筆測試試題設計及評價依據

2.1 試題情境

科學探究素養試題是以一定的情境材料為載體，圍繞某個核心知識點，依據科學探究要素，設計系列層次性問題，評價學生科學探究素養。

試題情境材料是基于落實課程標準的評價目標，適合學生主體且作用于學生主體，讓學生產生一定的情感反應，使學生主動積極建構知識，并能引導學生靈活運用結構化知識解決實際問題而設計的文字（圖片、圖表）等素材。

因科學探究素養試題的探究性，其情境領域的劃分應依據課標要求，“緊密聯系學生學習和生活實際，體現科學、技術、社會和環境的發展成果”[4]。故以知識范疇為維度，將科學探究素養試題背景維度劃分為：科學技術、社會和環境、學科實驗。科學技術是以近現代與化學有關的科學技術研究成果;社會和環境是以當今社會人們關注的化學與人類衣、食、住、行、社會生產生活以及環境等密切相關的事物;學科實驗是與學科知識相關聯的探究實驗。

情境材料涉及的探究內容要求：（1）真實;（2）有探究價值，不能隨意生成，不能脫離學科倫理價值的規范;（3）與“學生原有的知識和經驗”形成有意義的連接;（4）情境材料的文字（圖片或圖表）等描述要求：①有明確探究問題的指向，②描述要簡明扼要。

2.2 根據科學探究要素設計的問題

《初中化學課標》明確發展學生科學探究能力要素為：提出問題、猜想與假設、設計并進行實驗、解釋與結論、反思與評價、表達與交流[5]。《普高化學課標》沒有細化科學探究要素目標，但在“化學學科核心素養的水平劃分”中將“科學探究與創新意識”分為4個等級水平，明確不同水平中科學探究素養的達成程度。課標中發展學生科學探究能力各要素的目標與水平是評價學生科學探究素養的標準。評價活動的最終目的，要有利于教育目標的實現[6]。

科學探究素養試題不要求每道試題都包含科學探究的所有要素，其體現科學探究的基本過程有多種形式和不同水平，但從紙筆測試評價角度，試題結構一般包含“提出問題、猜想與假設、設計并進行實驗、解釋與結論、反思與評價”。

2.2.1 提出問題

科學探究，首先要學會提出問題。為激發學生提出問題，紙筆測試試題的問題情境材料有明確的探究問題指向。學生閱讀試題情境材料，結合生活經驗和已有知識，發現問題并提出問題。對于學生提出問題的能力《初中化學課標》的目標要求是：“能獨立提出有探究價值的問題;能用文字明確表述所發現的問題”[7]。《普高化學課標》分4個能力水平，水平1“教材給出問題”、水平2能提出“簡單問題”、水平3“具有較強的問題意識，能在與同學討論基礎上提出探究性問題”、水平4“能根據文獻和實際需要，提出綜合性的探究課題”[8]。

[案例1]“夏天，我們喝可樂飲料，打開飲料瓶發現有大量氣泡冒出”請根據上述介紹，結合已有知識和生活經驗提出可探究的問題。

下面為幾位學生提出的問題：

A學生：可樂飲料冒出氣泡中的氣體成分是什么？

B學生：溫度、壓強影響氣體的溶解度嗎？

C學生：夏天人們為什么喜歡喝飲料？

D學生：飲料中含有氣體嗎？

試題情境材料與生活密切相關，以常見碳酸飲料為背景材料，讓學生提出可探究問題。試題情境材料表述的關鍵詞：夏天、打開飲料瓶、大量氣泡冒出，問題指向——溫度（夏天）、壓強（打開飲料瓶）、氣體成分（氣泡）。試題讓學生運用學過的知識，提出有探究價值的問題并用文字清晰表達，評價符合《初中化學課標》的目標要求。

2.2.2 猜想與假設

猜想是對問題做出的各種嘗試性解釋（或者說對問題答案做出猜想）。紙筆測試是對學生猜想的評價，《初中化學課標》明確為“能主動地或在他人的啟發下對問題可能的答案做出猜想或假設;具有依據已有的知識和經驗對猜想或假設做初步論證的意識”[9];《普高化學課標》沒有明確的標準，但達到高中學業水平4的學生對探究問題的猜想“要用可觀察測量的術語陳述;必須精確闡述（不能含糊或寬泛）;要確立研究問題的相關變量;猜想中要研究的變量是可操作的”。

對問題的猜想要注意控制變量，一般來說，應選擇一個因子作為探究的自變量，以此對自變量作猜想（多個變量可做若干個猜想），變量與問題有因果關系。

[案例2]某學生向管壁附有少量FeCl3的試管中倒入5%的H2O2溶液，發現試管壁周圍產生大量氣泡。該同學通過查閱資料，提出這樣的問題：H2O2溶液加入少量FeCl3為什么出現大量氣泡？請你對該問題做出猜想？

某學生猜想：FeCl3離解出的Fe3+對H2O2溶液分解具有催化作用，加快了H2O2的分解速率。

該學生用規范的化學語言（FeCl3、離解、Fe3+、分解、催化作用、分解速率）精確闡述出現大量氣泡的原因——Fe3+具有催化作用，加快了H2O2的分解速率。“FeCl3的有無、加入的量”是可操作的，反應前后Fe3+的化學性質與質量是可以測定的。Fe3+是控制變量中的自變量，“H2O2的分解速率”是因變量。

試題以學科實驗的意外發現為情境材料，引導學生做出猜想。案例2學生的猜想是建立在學生掌握Fe3+的性質等相關知識、具備Fe3+檢驗和Fe3+反應前后質量的測定等探究能力基礎之上的。另一方面，猜想可以正確，也可以不正確，從試題情境分析，也可以做出這樣猜想：“FeCl3離解出的Cl-對H2O2溶液分解具有催化作用，加快了H2O2的分解速率”。該題為開放性試題，通過學生猜想的文字表述和試題背景提供的信息研判學生的猜想能力水平。評價結果不是簡單的對錯，而是根據學生對猜想的表述，研判學生素養水平層次，或給予相應賦分（如水平1賦1分、水平2賦2分、水平3賦3分、水平4賦4分）。根據本題的問題知識層次和學生猜想文字描述水平，案例2學生猜想能力水平達到素養水平4。

[案例3]（2017北京理綜28題改編）某小組在驗證反應“Fe+2Ag+Fe2++2Ag”的實驗中檢測到Fe3+，發現和探究過程如下：向硝酸酸化的0.05mol·L-1硝酸銀溶液（pH≈2）中加入過量鐵粉，攪拌后靜置，燒杯底部有黑色固體，溶液呈黃色。

針對“溶液呈黃色”，甲認為溶液中有Fe3+，乙認為鐵粉過量時不可能有Fe3+，針對兩種觀點繼續實驗：

① 取上層清液，滴加KSCN溶液，溶液變紅，證實了甲的猜測。同時發現有白色沉淀產生，且溶液顏色變淺、沉淀量多少與取樣時間有關（資料：Ag+與SCN-生成白色沉淀AgSCN）。

② 對Fe3+產生的原因作出如下假設：

假設a：可能是鐵粉表面有氧化層，能產生Fe3+;

假設b：空氣中存在O2，由于（用離子方程式表示），可產生Fe3+;

假設c：酸性溶液中NO -3具有氧化性，可產生Fe3+;

假設d：根據現象，判斷溶液中存在Ag+，可產生Fe3+。

試題以學科實驗為情境材料，設計系列情境問題。產生Fe3+的因素很多——鐵粉表面有氧化層，能產生Fe3+;空氣中存在O2，由于4Fe2++O2+4H+4Fe3++2H2O，可產生Fe3+;酸性溶液中NO -3具有氧化性，可產生Fe3+;根據加入KSCN溶液產生白色沉淀的現象，判斷溶液中存在Ag+，可產生Fe3+。因此，在探究實驗中，如果一個問題的猜想有多個因子（變量）可作為自變量，進行猜想時，要注意在控制變量中選擇一個自變量，這樣利于設計驗證實驗。

案例3對探究問題給出了4個猜想，用有效的問題設計形成了具有不同復雜程度的測試任務，可根據學生運用知識解決問題的表現評價學生核心素養的發展水平和達成度。根據試題所涉及的知識層次和問題深度，案例3評價層次達到素養水平4。

2.2.3 設計并進行實驗

猜想可能正確，也可能錯誤，要通過實驗驗證。《初中化學課標》“發展科學探究能力”方面的目標要求：“在教師指導下或通過小組討論，提出活動方案，經歷制訂科學探究活動計劃的過程;能在教師指導下或通過小組討論，根據所要探究的具體問題設計簡單的化學實驗方案，具有控制實驗條件的意識”;“進行實驗”的目標要求：“能積極參與化學實驗;能獨立地或與他人合作進行實驗操作;能在實驗操作中注意觀察和思考相結合”[10]。《普高化學課標》的目標要求：水平1“設計簡單的實驗方案，完成實驗操作”、水平2“依據假設設計實驗方案，與同學合作完成實驗操作”、水平3“依據假設提出實驗方案，獨立完成實驗”、水平4“根據假設提出多種探究方案，評價和優化方案”[11]。

因此，紙筆測試對學生設計并進行實驗的評價主要包括：實驗設計科學、合理、具有可操作性，實驗方案完整;注意控制變量，設計對照實驗。

[案例4]某酸性工業廢水中含有K2Cr2O7，光照下，草酸（H2C2O4）能將其中的Cr2O2-7轉化為Cr3+。某課題組研究發現，少量鐵明礬[Al2Fe（SO4）4·24H2O]即可對該反應起催化作用。為進一步研究有關因素對該反應速率的影響，探究如下：

（1） 該課題組對鐵明礬[Al2Fe（SO4）4·24H2O]中起催化作用的成分提出如下猜想：Fe2+起催化作用。

（2） 為驗證猜想，甲學生設計的實驗方案見表1（溫度和光照強度相同）。

請你分析甲學生設計的實驗方案的優點和不足，并說明你設計的實驗方案。

顯然，甲學生設計的實驗方案很好地控制了廢水樣品的體積、草酸的pH及體積、溶液中SO2-4和Al3+物質的量、反應時間以及溫度和光照強度等變量關系，但未設計空白實驗[即對照實驗中沒有設計一個未加入Al2Fe（SO4）4·24H2O和K2SO4·Al2（SO4）3·24H2O的實驗]，也未排除K+的濃度不同是否給實驗造成干擾。因此，設計實驗方案應先設計一個排除K+濃度影響的實驗，還要再設計一個沒有加入Al2Fe（SO4）4·24H2O和K2SO4·Al2（SO4）3·24H2O的空白實驗。

試題以處理工業廢水中的K2Cr2O7為背景，設計問題情境，其第（2）小題讓學生設計和補充實驗方案，評價層次達到素養水平4。

[案例5]甲學生發現家中使用的銅制自來水龍頭表面長了一層銅綠，他查閱資料知道：銅銹的主要成分是銅綠[Cu2（OH）2CO3]，銅生銹的條件除氧氣和水外，還須有二氧化碳。請你根據學過知識設計實驗，探究銅生銹的條件。

某學生設計的實驗方案見圖2（使用的水為蒸餾水，加入試管前應先加熱煮沸）。

2.2.4 解釋與結論

解釋與結論是通過實驗現象、實驗數據，給猜想一個明確結論，或一個科學合理的解釋，即猜想正確與否。《初中化學課標》中“發展科學探究能力”的“解釋與結論”目標要求為：“能對事實與證據進行加工與整理，初步判斷事實證據與假設之間的關系;能在教師的指導下或通過討論，對所獲得的事實與證據進行歸納，得出合理結論;初步學習通過比較、分類、歸納、概括等方法逐步建立知識之間的聯系”[12]。《普高化學課標》中4個能力水平要求為：水平1“對實驗現象作出解釋”、水平2“基于實驗事實得出結論”、水平3“基于現象和數據進行分析并得出結論”、水平4“能用數據，圖表、符號等處理實驗信息”[13]。

[案例6]（2016安徽中考第14小題，有刪減）某研究小組對自動充氣氣球（見圖3）進行下列探究。

探究二：白色粉末成分的探究

[猜想與假設]甲同學認為是碳酸鈣;乙同學認為是碳酸鈉;丙同學認為是碳酸氫鈉。

[設計并進行實驗]將少量白色粉末放入水中攪拌，固體全部溶解，說明甲同學的猜想（填“正確”或“不正確”）。

室溫時，分別向盛有碳酸氫鈉、碳酸鈉和白色粉末樣品的錐形瓶中注入等體積、足量的10%鹽酸（裝置圖略），記錄如表2所示。

[分析并得出結論]如何從上表中獲取證據并得出結論？

試題以自制氣球圖片為情境材料，根據探究過程設計情境問題。探究實驗結合化學反應計算考察學生在科學探究中“證據推理”方面的化學學科核心素養。該題不需要復雜計算，只需利用反應的化學方程式中相關物質質量比，分析等質量碳酸鈉和碳酸氫鈉與足量鹽酸反應產生氣體體積差異，推理分析白色粉末是什么物質。試題設計根據《初中化學課標》控制試題難度，不超越初中學段學生基礎知識，評價目標符合課程標準要求，和課程內容吻合。

[案例7]（2015廣東高考理綜33題改編）NH4Cl水溶液可以用來除鐵銹，除銹效果與NH4Cl水解程度有關。提出問題：影響NH4Cl水解因素是什么？

設計實驗方案驗證猜想：（限定試劑與儀器：固體NH4Cl、蒸餾水、100mL容量瓶、燒杯、膠頭滴管、玻璃棒、藥匙、天平、pH計、溫度計、可控溫度的恒溫水槽）。

（1） 某實驗探究小組依據實驗方案擬定實驗表格，如表3所示。

請你在表中列出能直接讀取數據的相關物理量及需擬定的數據，數據用字母表示[表中“V（溶液）”表示所配制溶液體積]。

（2） 根據實驗①所擬定數據，若讀取的待測物理量的數據為Y，計算NH4Cl水解反應的平衡轉化率為。（只寫算式，忽略水自身電離的影響）

學生完成此題首先要分析影響鹽水解因素的物理量，做出猜想，再依據控制單一變量思想和題目限定的儀器與試劑，設計對照實驗，擬定實驗數據，根據鹽水解后溶液酸堿性變化來確定待測物理量——溶液的pH（確立的因變量）。NH4Cl溶液濃度的影響實驗記錄參考答案見表4。

計算NH4Cl水解反應的平衡轉化率。學生依據NH+4+H2OH++NH3·H2O及忽略水電離影響的提示，求出c（H+）=10-pH，結合（2）給定的待測物理量數據Y，推導出c水解（NH+4）=c（H+）=10-Y;再根據擬定的水解前加入NH4Cl的質量ag和溶液體積100mL，求出NH4Cl初始物質的量濃度，進而計算NH4Cl水解百分率。

試題以“NH4Cl水溶液除銹效果與NH4Cl水解程度有關”設計問題情境，依據影響鹽的水解因素設計實驗方案制定實驗表格，讓學生用表格處理實驗信息，進而讓學生計算NH4Cl水解反應的平衡轉化率，綜合考察評價學生科學探究素養。學生確定表格中需要讀取的物理量及擬定數據，并利用擬定的數據處理實驗信息，難度較大，評價層次達素養水平4。

2.2.5 反思與評價

《初中化學課標》中“反思與評價”的課程目標：“有對探究結果的可靠性進行評價的意識;能在教師的指導下或通過討論，對探究學習活動進行反思，發現自己和他人的長處與不足，并提出改進的具體建議;能體驗到探究活動的樂趣和學習成功的喜悅”[14]。《普高化學課標》化學學科核心素養的水平要求：水平1“發現和提出需要進一步研究的問題”、水平2“提出自己看法”、水平3沒有明確目標水平、水平4“能對實驗中的‘異常現象和已有結論進行反思、提出質疑和新的實驗設想”[15]。

科學探究試題的“反思與評價”旨在考察學生反思能力，內在促進學生的創新意識，深層次了解學生的科學態度與科學精神。

[案例8]（2018北京理綜第28題，有刪減）實驗小組制備高鐵酸鉀（K2FeO4）并探究其性質。

資料：K2FeO4為紫色固體，微溶于KOH溶液;具有強氧化性，在酸性或中性溶液中快速產生O2，在堿性溶液中較穩定。

（1） 制備K2FeO4（見圖4，夾持裝置略）。

（①②內容略）

③ C中得到紫色固體和溶液，C中Cl2發生的反應有：3Cl2+2Fe（OH）3+10KOH2K2FeO4+6KCl+8H2O，另外還有。

（2） 探究K2FeO4的性質。

① 取C中紫色溶液，加入稀硫酸，產生黃綠色氣體，得溶液a，經檢驗氣體中含有Cl2。為證明是否K2FeO4氧化了Cl-而產生Cl2，設計方案見表5。

② 根據K2FeO4的制備實驗得出：氧化性Cl2FeO2-4（填“>”或“<”），而方案Ⅱ實驗表明，Cl2和FeO2-4的氧化性強弱關系相反，原因是。

③ 資料表明，酸性溶液中的氧化性FeO2-4>MnO-4，驗證實驗如下：將溶液b滴入MnSO4和足量H2SO4的混合溶液中，振蕩后溶液呈淺紫色，該現象能否證明氧化性FeO2-4>MnO-4。若能，請說明理由;若不能，進一步設計實驗方案。

理由或方案：。

試題以學科實驗為情境，在探究K2FeO4的性質部分設計了兩個實驗方案。方案Ⅰ中由溶液變紅現象讓學生得出a中含有Fe3+的結論，進而讓學生產生質疑——該離子的產生不能判斷一定是K2FeO4將Cl-氧化，還可能由4FeO2-4+20H+4Fe3++3O2↑+10H2O產生;由K2FeO4的制備實驗，讓學生得出“氧化性Cl2>FeO2-4”的結論，再由方案Ⅱ實驗得出“Cl2和FeO2-4的氧化性強弱關系相反”，讓學生反思原因——“溶液酸堿性不同”;試題最后通過資料說明“酸性溶液中的氧化性FeO2-4>MnO-4”，并提供驗證實驗“將溶液b滴入MnSO4和足量H2SO4的混合溶液中，振蕩后溶液呈淺紫色”，讓學生結合現象判斷“能否證明氧化性FeO2-4>MnO-4，若能，請說明理由;若不能，進一步設計實驗方案”。試題設計的問題層層遞進，反思層層深入，既要求學生通過分析實驗現象得出結論，又要求學生對實驗結論進行反思和提出質疑。試題評價學生科學探究素養水平層次為素養水平4。

3 結束語

需要說明的是，文中列舉的案例是重點探討如何評價科學探究某個要素，而紙筆測試科學探究素養一般包含幾個要素，形成系統的問題鏈，通過學生運用知識和探究技能解決問題，來評價學生科學探究素養水平。因此，科學探究素養試題一般要針對若干個科學探究要素設計成問題鏈，不孤立考察評價某個要素。

另外，學生解決問題一般是建立在一定知識和技能之上的，高中階段學生的知識水平、探究技能要求高于義務教育階段學生，因此紙筆測試評價學生科學探究素養的試題設計還需考慮不同學段學生所具備的知識以及問題設計的深度。再者，如對于開放性試題（案例2、案例5），評價要根據學生解決問題中的具體表現來研判學生的素養水平。

評價是教育工作不可或缺的部分，任何一種評價方式都不可能盡善盡美，紙筆測試亦如此。以“立德樹人”為根本任務的素質教育對紙筆測試提出了更高的要求，不僅重視化學學科知識考察，而且更加關注學生在運用知識解決問題過程中所彰顯的正確價值觀、必備品質和關鍵能力。

參考文獻：

[1][2][3][4][8][11][13][15]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準[S]. 北京：人民教育出版社，2018.

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[6]劉知新，王建成著. 化學教育測量與評估[M]. 南寧：廣西教育出版社，1996：12.