皮亞杰認知發展理論指導下的物理可測試核心素養水平及研究

耿建

心理學界，不同學者對學習有不同的定義，如“學習是個體后天與環境接觸，獲得經驗而產生的行為變化的過程。”[1]“學習是個體在一定情景下反復地經驗而產生的行為或行為潛能比較持久地變化。”[2]這些定義是從心理學角度對學習過程的描述，反映了學習的心理歷程的共性。這些定義有三個共同特點。首先，學習離不開具體的情景或環境。其次，學習是經驗積累的過程。第三，學習結果對行為產生了影響。有意義的學習是學生經歷一定的情景，對其心理及行為產生積極影響的過程。聯合國教科文組織1996年在“學會生存”“終生學習”等觀念的基礎上，在《教育：財富蘊藏其中》報告中提出了“21 世紀社會公民必備的基本素質”的思想，把“學會求知、學會做事、學會共處及學會生存”作為人們在未來生存與發展的四大支柱[3]。在此基礎上，“經濟合作與發展組織（OECD）、歐盟、聯合國教科文組織、國際文憑組織、世界銀行、美國、芬蘭、英國、德國、澳大利亞、新西蘭及臺灣地區等世界各國（地區）與國際組織相繼在教育領域建立了學生核心素養結構及模型。”[4]核心素養這一概念的提出始于20 世紀90 年代，特別是經合組織1997-2005 年所開展的“素養的界定與遴選”（Definition and Selection of Competencies， 簡 稱DeSeDo）研究項目，將該詞用于描述“所有社會成員都應具備的共同素養中的那些最關鍵、必要且居于核心地位的素養。”[5]培養學生哪些方面的核心素養及如何培養因此成為學校教育的核心問題。現在，我國的學生發展核心素養模型已經出臺，各學科也相應地提出了學科核心素養。學科核心素養的落實過程中不可回避的問題是如何對其進行測量和評價。

一、物理學科核心素養測量與評價所面臨的困難

學科核心素養是學科育人價值的集中體現，是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力。價值觀、品格、能力等屬于心理學范疇。2017 版《普通高中物理課程標準》中明確提出，“高中物理學業質量根據問題情境的復雜程度、知識和技能的結構化程度、思維方式或價值觀念的綜合程度等劃分不同水平。不同水平之間具有由低到高逐漸遞進的關系。”[6]“高中物理學業質量分為五級水平，既是指導學生自主學習和評價、教師開展日常教學設計、命題和評價的重要依據，也是高中學業水平考試命題的重要依據。”[7]相應地，物理觀念、科學思維、科學探究及科學態度與責任四個維度的核心素養，也分為五個水平。學業質量的水平和核心素養的水平相對應，即通過對不同水平核心素養的考查來反映學生學業質量的水平。

《課程標準》中對學業質量水平和核心素養水平進行了劃分和說明，但這種劃分和說明局限在一些行為動詞描述的層面，例如水平1 的描述為“初步了解……，能將……聯系起來”；水平2 的描述為“了解……，能解釋簡單的……，解決簡單的……”；水平3的描述為“了解……，能解釋……，解決……”；水平4 的描述為“理解……，能正確解釋……，綜合應用……”；水平5 的描述為“能清晰、系統地理解……，能正確解釋……，能綜合……靈活解決……。”很顯然，依據這樣的描述方式來劃定測量各核心素養的試題水平，是有一定困難的。

這種困難體現在三個方面。首先，核心素養的這種水平劃分，就意味著要實現對所有的核心素養按這樣的水平劃分來測量。目前，教學評價的主要方式仍然是紙筆測試，通過學生對具體試題的作答情況來給出相應的評價。 在四個維度的核心素養中，科學態度與責任是一種主觀傾向，主要體現在學生對人、事等的價值判斷上，很難在紙筆測試中加以體現。其次，要對核心素養水平進行界定，僅僅局限在物理問題本身和復雜程度角度，難以給出清晰的說明。何況《課程標準》中不同水平的描述界限不是很清楚。如“初步了解”和“了解”，“理解”和“清晰、 系統地理解”，“聯系”、“解釋”、“綜合應用”和“靈活解決”等說法之間的區別，只是“程度”的差異，很難加以精確界定。因此，各核心素養的水平僅僅從行為動詞描述的差異來劃分缺乏客觀依據，需要借助于第三方來進一步加以說明。第三，既然《課程標準》給出了學業質量和核心素養水平層級，教師在教學中應根據學生發展的需要實施相應水平的教學。如合格性考試，對應的是水平1、2 的層次，等級性考試，則需要達到水平3、4 的層次。不同水平目標的教學依據僅僅依靠《課程標準》的描述，不具有操作性。而且，不同的教師面對的學生群體及個體存在差異，即使同一個教學內容，在生源基礎較好的學校，學生比較容易掌握，對于這些學生能“靈活應用”。在另一個生源基礎比較薄弱的學校，學生可能難以“理解”。 因此，用學生學習各核心素養的行為動詞來劃分素養水平，是不客觀的，也是不平等的。需要依據學生認知的一般規律和考查核心素養的試題本身的特點進行水平劃分，從而體現對素養水平評價的客觀性、公平性。

二、皮亞杰認知發展理論對物理學科水平層級劃分的啟示

心理學是研究心理現象的一門科學，主要研究個體心理，包括認知、情緒和動機、能力和人格等，也研究團體和社會心理。“認知指人們獲得知識和應用知識的過程，或信息加工的過程，這是人最基本的心理過程。它包括感覺、知覺、記憶、想象、思維和語言等。”[8]學習是心理學研究的領域之一，心理學對人的認識學習過程進行了科學的剖析和說明。《課程標準》中關于學業質量水平和核心素養水平的描述用語中，“了解”、“理解”、“聯系”、“解釋”、“綜合應用”和“靈活解決”等屬于認知過程的具體體現。認知的對象是核心素養，因此，可以借助于心理學的研究方法來界定核心素養的水平。

奧蘇伯爾根據學習方式，將學習分為接受學習和發現學習；根據學習材料和學習者原有知識結構的關系，將學習分為意義學習和機械學習。“加涅在1965 年的《學習的條件》一書中按照學習的水平把學習分為8 種類型：信號學習、刺激-反應學習、系列學習、言語聯想學習、多種辨別學習、概念學習、原理學習、問題解決的學習等。在1977 年修訂的《學習的條件》一書時，加涅指出這八類學習的劃分對學生學習不合適，并在其八類學習基礎上，按照學習的結果重新進行了分類，把學習具體劃分為五類，即智慧技能的學習、言語信息的學習、認知策略的學習、動作技能的學習和態度學習。”[9]皮亞杰從認識發生和發展的角度對兒童心理進行了系統和深入的研究，他提出學習過程中的四個核心概念：格局（Schema）或圖式、同化、順應和平衡。兒童每遇到新的認知沖突，在認識過程中，總是試圖用原有的“格局（或圖式）”去“同化”，如果成功，就得到暫時的認識上的“平衡”。反之，兒童就做出“順應”，調整原有“格局”，直至達到認識上新的“平衡”。學習是兒童的認知“格局（或圖式）”從低級向高級發展的過程。根據兒童思維發展的階段性標志，學習過程分為四個階段：感知運動階段、前運演階段、具體運演階段和形式運演階段。

奧蘇泊爾學習理論體現了學生學習的類型，根據學生學習的特點對“如何教”具有啟發性。但這種學習類型的簡單劃分，有二元對立的特點，缺乏對認知過程細節環節的表述，沒有層次性。“加涅根據學習結果劃分的五種學習類型，并給出了有效學習的條件，包括內部條件和外部條件”[10]，“有助于教師的教學設計，如教學目標的設立及表述”[11]，“對于每一門課程或每一節課都可以建立一個詳細的目標系列表，使教學過程得以精確化”[12]。結合新課程對核心素養的考查評價，特別是對學科核心素養水平的評價，奧蘇泊爾和加涅的學習理論沒有涉及學生學習的水平層次性。皮亞杰的認知發展理論以兒童作為研究對象，通過實驗的手段總結歸納出來兒童認知發展的四個發展階段。這四個階段體現了思維的由簡單到復雜，由外在表象到內在規律的認知過程。學生在學習的過程中，認知能力的發展也體現了從簡單到復雜、從外在表象到內在規律的特點，從而可以以皮亞杰認知發展理論為指導，對學生學科核心素養掌握的水平進行評價。另外，“皮亞杰是認知領域中最主要的大師，而且他研究的是人類發展中非情感、非動機的方面”[13]。《課程標準》中的學科核心素養水平，主要是物理觀念、科學思維和科學探究這三個可通過紙筆測試進行評價的核心素養，可以借鑒皮亞杰的認知發展理論的研究方法和內容，結合學生學科學習過程中認知發展的特點，對這三個維度的核心素養以一定的方式進行水平層級的界定。

“皮亞杰理論的基本點在于： 人是通過邏輯演算來建構關于世界的知識的。皮亞杰認為，思維，可以被描述為一個邏輯運算的系統化的集合，用以在這個世界本身與我們對于這個世界的認識之間進行調節。由于這個世界不能被直接認識而是只有通過這些邏輯運算的調節來完成，我們的知識就變成了一個建構過程，一個需要被這個世界將要發生的行為不斷檢驗的建構過程。”[14]皮亞杰認知發展理論中思維發展的第一階段是感知運動階段。這一階段皮亞杰認為是兒童從出生到兩歲左右具備的認知水平，能開始協調感知和運作間的活動。第二階段是前運演階段。這一階段皮亞杰皮亞杰認為是兒童從兩歲左右到六、七歲左右具備的認知水平，開始以符合為中介來描述外部世界。第三階段是具體運演階段。這一階段皮亞杰認為是兒童從約六、七歲到十一、十二歲左右具備的認知水平，能在同具體事物相聯系的情況下，進行邏輯運演。第四階段是形式運演階段。這一階段皮亞杰認為是兒童從十一、十二歲左右到十四、十五歲左右具備的認知水平，思維的特點是 “有能力處理假設而不只是單純地處理客體”，“認識超越于現實本身”而“無需具體事物作為中介了”[15]。皮亞杰認知發展理論的四個階段及其要點如表1 所示。

表1 皮亞杰認知發展理論的四個階段及其要點

皮亞杰立足于對兒童思維整體的認知而給出了其發展的階段性特征。學科各核心素養的水平劃分，也可以參照皮亞杰的研究方法和各個階段的特點，給出相應水平的質性描述。當然，學科核心素養的水平和皮亞杰兒童認知發展階段不可能完全對應，而且學生的各核心素養發展也不是齊頭并進的，同一水平的核心素養存在先天性的差異，不在同一認知層次上。例如：學生觀察到汽車行駛、樹葉飄落、小鳥飛行、行星運動等，能比較直接地建立機械運動的物理觀念；在研究各種不同物體運動的規律時，需要抽象出運動的主體，忽略次要因素，如建立質點的模型、勻速運動模型、勻變速運動模型、圓周運動模型等，這屬于科學思維。以上兩個方面的素養都是水平1 的層次，顯然，建立各種模型的科學思維要求要高于形成機械運動的物理觀念。

核心素養是學生發展的必備品格和關鍵能力。“品格”和“能力”的說法具有泛化性，需要進一步清晰各素養的指向。即在“面對什么物體或事件”時表現出“怎樣的品格和能力”。其次，因為《課程標準》中各核心素養水平層級描述的模糊性，界限不清，所以可以結合各素養的指向，進一步明確各素養水平的特點。如表2 所示，借鑒皮亞杰認知發展理論中認知的階段性特點，對物理學科各核心素養的指向及水平層級進行如下描述。

表2 物理學科各核心素養指向及水平層級特點

考慮到科學態度與責任這一核心素養目前無法體現在直接的紙筆測試中，所以表二只對其他三個核心素養的5 個水平進行了表征。

三、對物理核心素養水平的測量及評價的思考

學業質量評價是一個測量的過程。桑代克有一段非常有名的論述，“如果有物質存在，就會以量的形式存在；如果有量的存在，就可以測量。 ”[16]物理觀念、科學思維、科學探究及科學態度與責任是物理學科的核心素養，將這四個維度的核心素養和整個人相類比，物理觀念相當于人的骨架，科學思維相當于人的血與肉， 科學探究相當于人的神經系統，科學態度與責任相當于人的精神和靈魂。學生的成長是這四個方面逐漸成熟、豐滿的過程。前三項素養和人體的結構一樣，具有量的存在的特征，可以進行是非判斷，具有可測性。 科學態度與責任傾向于價值判斷，在當下學業質量的測量評價中，缺乏可行的評價方法和手段。 參照表2，下面舉例說明具體的試題如何體現對學生不同核心素養水平的測量及評價。

例1：自然界中存在許多物理現象，下列現象中屬于靜電學范疇的是

A.用絲綢摩擦過的玻璃棒能吸引輕小物體

B.月球繞地球做圓周運動

C.宇宙射線進入地球的南北極發生的極光現象

D.顯微鏡下懸浮在水中的小顆粒不停地做無規則運動

該題是對物理觀念水平1 的測量。四個選擇項對應的是四個物理現象， 旨在考查學生對物理現象的感知識別能力， 能否將這四個物理現象進行準確地歸類。A 選項是摩擦起電；B 選項是萬有引力作用下的圓周運動；C 選項的極光是由于帶電粒子流進入地球磁場區域， 地磁場使高層大氣分子或原子激發（或電離）而產生的物理現象；D 選項是布朗運動。

例2：真空中兩個等量異種點電荷（電荷量均為q）連線的中點處電場強度為E，則兩個點電荷之間的庫侖力大小是

該題是對科學思維水平2 的測量。題中給定的物理情景是單一的，只是兩個定量異種點電荷的模型。要求學生能在該情景中準確找出兩電荷連線中點處的電場強度E 與電荷帶電量q 及距離之間的定量關系，同時結合點電荷間作用力的模型，求出兩者之間的庫侖力大小。

例3：如圖所示，虛線a、b、c 是靜電場中的三個等勢面，相鄰等勢面間的電勢差相等，即Uab＝Ubc。實線為一個帶負電的質點僅在電場力作用下的運動軌跡，P、Q 是軌跡上的兩點。下列說法中正確的是

A.三個等勢面中，等勢面a 的電勢最低

B.質點通過Q 點時的電勢能比通過P 點時小

C.質點通過Q 點時的加速度比通過P 點時大

D.質點通過Q 點時的加速度的方向一定與等勢面a 垂直

該題是對核心素養水平3 的測量。該題涉及到運動與力的物理觀念，曲線運動的物體所受合力指向曲線的內側。涉及到功與能的物理觀念，電場力做功與電勢能變化之間的關系。涉及到描述電場模型的科學思維，等差等勢面密集的地方電場強度大，等勢面與電場線垂直，沿著電場線的方向電勢降低。要求學生能結合題中的情景，分析得到負電荷的受力特征、加速度變化、電場力方向、電場力做功及電場中各點電勢高低等情況。

例4：“探究影響平行板電容器電容大小因素”的實驗裝置如圖所示，忽略漏電產生的影響，下列判斷正確的是

A.平板正對面積減小時，靜電計指針偏角減小

B.靜電計可以用電壓表替代

C.靜電計所帶電量與平行板電容器電量不相等

D.靜電計測量的是平行板電容器所帶電量

該題是對核心素養水平4 的測量。該題涉及到守恒的物理觀念，電容器和靜電計所帶的電荷總量不變。涉及到靜電計和電容器模型的科學思維，靜電計本質上是一個電容器，而且電容很小。圖中的連接方式相當于兩個電容器并聯，電荷幾乎都集中在平行板電容器上。平行板電容器的電壓和靜電計內外電壓始終相等。靜電計的張角反映了金屬箔和金屬外殼之間，即電容器兩極板之間的電壓大小。也涉及到電壓表結構的科學思維，當有電流通過電壓表內部的線圈時，在電壓表內部磁場的作用下線圈才會發生偏轉。如果用電壓表替代靜電計，不可能有持續的電流，電壓表不會有示數。涉及到忽略微小量的問題探究方法，因為圖中平行板電容器和靜電計的電荷幾乎集中在平行板電容器上，當改變平行板電容器極板的正對面積時，理論上兩者所帶的電荷要重新分布，但因為電荷幾乎都集中在平行板電容器上，可以近似認為平行板電容器的帶電量不變。該實驗裝置，從靜電計的張角變化情況，判斷平行板電容器的電壓變化情況，分析得到平行板電容器電容的影響因素。

例5： 電荷量為Q1和Q2的兩點電荷分別固定在x 軸上的O、C 兩點，規定無窮遠處電勢為零，x 軸上各點電勢φ 隨x的變化關系如圖所示。則

A.Q1的電荷量小于Q2的電荷量

B.G 點處電場強度的方向沿x 軸負方向

C.將一帶負電的試探電荷自G 點靜止釋放，僅在電場力作用下一定能到達D 點

D.將一帶負電的試探電荷從D 點沿x 軸正方向移到J 點，電場力先做正功后做負功

該題是對核心素養水平5 的測量。該題涉及圖象背后物理模型的科學思維，根據O、C 兩點間圖線特征，從O 點到C 點電勢降低，可知O、C 兩點處的電荷Q1和Q2分別為正電荷和負電荷。涉及到圖線特征分析、推理的科學思維，根據φ-x 圖線的斜率表示該點的電場強度可知，H 點的電場強度為零。該點的電場強度是由O、C 兩點處的電荷Q1和Q2分別引起的電場強度的疊加，因此Q1的電荷量大于Q2的電荷量，則G 點處電場強度的方向沿x 軸負方向。該題涉及到力與運動、功和能的物理觀念。帶負電的試探電荷放在G 點，受到電場力的方向向左，由靜止釋放，僅在電場力作用下一定能到達D 點。帶負電的試探電荷從D 點沿x 軸正方向移到J 點，受到的電場力方向先向左、后向右，則電場力先做負功后做正功。

結合《課程標準》中關于各核心素養水平的描述，參照皮亞杰認知發展理論，考查核心素養各水平的試題具有如下特點。水平1 試題的特點是不涉及具體的概念、規律的定量關系，只要能在認知層面加以識別。水平2 試題的特點是情景單一，只涉及物理概念、規律單一的定量關系。對核心素養水平1、水平2 進行測試的試題，往往是對某個單一維度的核心素養進行考查，試題情景單一，問題沒有結構性。水平3 以上的試題一般涉及到概念、規律之間的多組關系，要求學生能在不同的物理概念、規律、模型之間建立有意義的聯系。試題往往不是對單一的核心素養進行考查。試題情景相對復雜，問題有一定的結構性。不同點在于，水平3 的試題涉及到的概念、規律、模型等是顯性的，如例3 中的“等勢面、曲線運動、受力等”是直觀的，只需要正確建立這些概念、規律之間的關系。水平4 的試題涉及到的概念、規律、模型等是隱性的，需要通過分析判斷進行一次性的轉化、遷移，如例4 中的實驗裝置，需要轉化為兩個電容器并聯的模型，然后進行分析判斷。水平5 的試題則需要進行兩次或兩次以上的轉化、遷移，如例5中根據φ-x 圖象特征，第一次轉化得到O、C 兩點處分別為正電荷和負電荷的物理模型，第二次轉化得到Q1的電荷量大于Q2的電荷量的定量關系。按照這樣的方法對考查各核心素養的試題進行水平劃分，具有一定的可比性和可操作性，相對于《課程標準》中的水平描述更具可行性。

借助于皮亞杰認知發展理論，可以初步對各核心素養水平進行劃分。而教學中如何進一步引導學生的核心素養由低水平向高水平發展，還需要結合學生學習心理發展的特征做進一步思考和研究。