指向科學思維素養水平評價的路徑研究

齊國元

(杭州第四中學 浙江 杭州 310018)

“科學思維”是從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式；是基于經驗事實建構物理模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證等方法在科學領域的具體運用；是基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑和批判，進行檢驗和修正，進而提出創造性見解的能力與品格.如果說物理觀念是從認識結果角度對物理核心素養的描述，科學思維則是從認識方式和過程對學生關鍵能力和必備品格作出說明.“科學思維”主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素，它是學生物理核心素養習得的基礎，學生只有立足科學思維，經歷科學探究，養成科學態度與責任，才能較好地形成物理觀念.因此，對科學思維素養進行科學的、可信的、精準的評價有助于指導物理教學，進而促進學生物理核心素養的形成[1,2].

1 研讀課程標準 精準評價指向

課程標準附錄1中有物理學科核心素養的水平劃分依據，明確了各個素養不同的水平等級應該達到的要求，這給我們的評價提供了清晰的依據，有助于我們明確評價指向、精準評價尺度進而提高評價的科學性和有效性.

表1 物理學科核心素養的水平劃分(科學思維)

在實施指向科學思維水平評價的研究時，首先應仔細研讀課程標準附錄1中有關科學思維水平劃分表(表1)，體會水平劃分表中評價指向；明確不同水平要求之間的區別和聯系；理解不同素養水平等級之間的核心要義.我們發現課程標準附錄1中有關科學思維水平劃分表中的要求描述是把科學思維中四大要素“模型構建、科學推理、科學論證、質疑創新”合在一起，不利于我們對素養要求進行精準的解讀[3].因此，我們需要對課程標準中有關科學思維水平劃分進行再分類以實現明確評價指向，對水平劃分進行再加工以實現提升評價信度,具體內容如表2所示.

表2 物理學科核心素養的水平劃分再加工(科學思維)

通過對課程標準中的素養水平劃分的再加工和解讀，形成表2的科學思維的素養水平劃分表.仔細研讀素養水平劃分表，體會不同等級之間的核心差別(表2中加著重號的關鍵詞)，結合學生在問題解決時的操作流程和步驟，有助于我們精準評價的指向以及評價的水平等級.以2019年高考理綜全國卷Ⅲ第21題為例.

【例1】如圖1所示,電荷量分別為q和-q(q>0)的點電荷固定在正方體的兩個頂點上,a和b是正方體的另外兩個頂點.則( )

A.a點和b點的電勢相等

B.a點和b點的電場強度大小相等

C.a點和b點的電場強度方向相同

D.將負電荷從a點移到b點,電勢能增加

圖1 例1題圖

為了提高評價的精準度，用于素養水平評價的試題盡可能指向單一維度.但是，在實際操作中一道測試題的求解往往與多個素養要素相對應，即便是同一素養要素所對應的素養水平等級也不相同，在這種情況下，應該以更高的素養水平作為該評價試題的評價指向[4].

表3為例1的解題過程及其對應的核心素養水平等級.

表3 例1的解題過程及其對應的核心素養水平等級

2 設計評價路徑 統一命題范式

為了讓指向科學思維素養的評價更加具有可操作性和廣泛的普適性，我們在實踐過程中設計了評價的路徑以便統一命題范式，以提升素養水平評價的準度、信度和效度.基于科學思維包含模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新4個方面，為了評價盡可能全面地覆蓋上述4個方面，并結合學生在問題解決時的4個要素的流程順序，設計了如圖2所示的評價流程圖.

圖2 指向科學思維水平評價的操作流程

該圖包含了模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新4個要素，并且還包含了教師命制評價試題的順序和教師分析評價試題的分析順序.我們的評價試題命制完全按照這一路徑實施，命題教師對試題評價的解讀也是遵循這一研究路徑.在此基礎上又細化為評價試題的命制流程圖(圖3)和評價試題的分析流程表(表4)，具體操作如例2所示.

圖3 評價試題命制的流程

表4 評價試題的分析流程表

【例2】評價試題的命制案例.

步驟一：填寫評價試題水平指向表(圖4).

步驟二：羅列考查知識載體.

(1)考查學生無阻力“穩定轉動”情景中建構受力模型分析(理想模型分析).

(2)考查學生有阻力“穩定轉動”情景中建構能量模型分析(實際模型分析).

(3)考查學生對“電磁驅動”和“電磁阻尼”模型的本質理解.

圖4 評價試題水平指向表

步驟三：試題編寫與修改

【試題】有電阻的導電圓盤半徑為r，其邊緣用電阻不計的導電材料包裹，可繞固定點O在水平面內轉動，不計軸心O和邊緣處電刷A在轉動時產生的阻力.用導線將電動勢為E的電源、導電圓盤、電阻和開關連接成閉合回路.如圖5所示在圓盤所在區域內充滿豎直向下的勻強磁場，如圖6所示只在A和O之間的一塊圓形區域內存在豎直向下的勻強磁場，兩圖中磁場的磁感應強度大小均為B，且磁場區域固定.如果將開關S閉合，圓盤將會轉動起來.(空氣阻力忽略不計)

圖5 圓盤所在區域內存在勻強磁場

圖6 圓盤只有圓形區域內存在勻強磁場

(1)在圖5中，將開關S閉合足夠長時間后，圓盤轉速達到穩定，求穩定時圓盤轉動的角速度ω1的大小.

(2)若邊緣處電刷A與邊緣的摩擦力為f，其余條件不變，在圖5中，將開關S閉合足夠長時間后，圓盤轉速達到穩定，求流經電阻的電流.

(3)由于圖5中的磁場范圍比圖6中的大，所以剛閉合開關瞬時，圖5中圓盤比圖6中圓盤加速得快.有人認為：斷開開關后，圖5中圓盤也將比圖6中圓盤減速得快.請分析說明這樣的想法是否正確.

3 關注評價過程 提升評價信度

3.1 注重問題解決過程 避免“因錯得對”

學業水平評價的對象是學生，在設計指向科學思維評價的試題時，必須要結合學生的心理，以提升試題評價的信度.不同的學生由于其生活經歷、知識儲備、學習方式各不相同，因此，學生在問題解決時采取的方式也各不相同.在試題命制的過程中，應當針對學生可能出現的“因錯得對”的地方做好相應的防備和回避.如例3.

【例3】在“探究導體電阻與其影響因素的關系”實驗中，有兩節新的干電池、開關、若干導線和待測金屬管(其阻值約為5 Ω)及下列器材：

A.電壓表0～3 V，內阻約10 kΩ

B.電壓表0～15 V，內阻約50 kΩ

C.電流表0～0.6 A，內阻約0.05 Ω

D.電流表0～3 A，內阻約0.01 Ω

E.滑動變阻器，0～10 Ω

F.滑動變阻器，0～100 Ω

(1)要求較準確地測出其阻值，電壓表應選______，電流表應選______，滑動變阻器應選______.(填序號)

(2)實驗中某學生的實物接線如圖7所示，請指出接線中的兩處明顯錯誤.

圖7 學生的實物接線圖

錯誤1：____________________.

錯誤2：____________________.

學生解題心理：通過與學生對話發現，有關滑動變阻器的選擇，盡管大家都選擇“E.滑動變阻器，0～10 Ω ”，但卻有著不同的解題心理.學生甲：好像每次選擇滑動變阻器都是選小量程的，所以選E；學生乙:由于第二題中(電路實物圖)是限流接法，待測電阻約為5 Ω，一般情況下限流接法滑動變阻器應為待測電阻兩倍左右，故選E.

命題指向分析：本題命題者的意圖指向是指向科學論證水平4“能恰當使用證據證明物理結論”，問題解決的思考路徑應為,“由于待測電阻阻值約為5 Ω，因此無論選擇分壓接法還是限流接法，都不應該選擇F(滑動變阻器，0～100 Ω)，只能選擇E(滑動變阻器，0～10 Ω) ，因為滑動變阻器，0～10 Ω約為待測電阻的2倍，故選擇限流接法較好”，甲乙兩位學生沒有經歷上述思考路徑，但均得到了正確答案，降低了評價的信度.

修改評價試題：針對上述問題，筆者對試題進行了修改，建議修改為,在“探究導體電阻與其影響因素的關系”實驗中，有兩節新的干電池、開關、若干導線和待測金屬管(其阻值約為5 Ω)及下列器材：

A.電壓表0～3 V，內阻約10 kΩ

B.電壓表0～15 V，內阻約50 kΩ

C.電流表0～0.6 A，內阻約0.05 Ω

D.電流表0～3 A，內阻約0.01 Ω

E.滑動變阻器，0～10 Ω

F.滑動變阻器，0～100 Ω

(1)結合給你的實驗器材，設計測量電路圖(要求較準確地測出其阻值).

(2)第一小問中電壓表應選______，電流表應選______，滑動變阻器應選______.(填序號)

3.2 細化賦分(評分)標準 進行多級賦分

為了提高評價的信度，評分標準應該依據水平等級來制定，并進行多級賦分，而不是根據學生作答的正確與否.如例4.

【例4】帶電體表面突出的地方電荷容易密集，雷雨天當帶電云層靠近高大建筑物時，由于靜電感應，建筑物頂端會聚集大量的電荷，避雷針將電荷通過一根豎直導線導入大地而避免雷擊.你若想知道豎直導線中電流的方向，進而判斷云層所帶電荷的電性，請設計安全可行的方法.

評價意圖分析：該評價試題是評價學生的質疑創新素養，評價水平達到水平4“能對已有結論提出有依據的質疑，采用不同方式分析解決物理問題”.

評分標準設計：

第一類,不會運用已知知識作答.

第二類,原理可行，但方法不可行(如接電流表).

第三類,正確作答，原理以及方法均可行，如在導線周圍水平放置小磁針，觀察小磁針轉向；又如，與導線平行放置通電直導體棒(已知電流方向)，觀察導體棒的運動(吸引還是排斥).

對評分標準進行分級分檔，不僅能減小閱卷教師判卷失誤的主觀性和偶然性，還能更好地分析學生的作答情況，進而研究學生素養水平情況，以便教師基于學生學情進行有針對性的課堂教學，從而提升課堂教學的效度，有效促進學生物理核心素養的培育.

對物理核心素養水平的評價是為了對學生物理核心素養的習得情況進行反饋，進而針對反饋情況采取適應的教學措施，以提升學生的物理核心素養水平.試題的效度、準度和信度直接影響反饋的科學性，進而影響教學的有效性.指向物理核心素養水平評價的試題命制過程中要以物理學科核心素養為基礎，提升評價的效度；要明晰核心素養的水平劃分，提升評價的準度；要了解學生的解題心理，提升評價的信度.