指向高階思維發展的表現性任務設計與實施
——以“焦耳定律”為例

顏石珍 張曉艷

(杭州市文海實驗學校，浙江 杭州 310018)

高階思維是指發生在較高認知水平層次上的心智活動或較高層次的認知能力，包括分析和解決問題能力、批判性思維能力、創造性思維能力和決策能力.布盧姆教育目標分類學(修訂版)將認知領域的學習結果分為知識和認知過程兩個維度，認知過程維度分為記憶、理解、應用、分析、評價、創造6個水平.[1]記憶、理解和應用，通常被稱為“低級思維能力”，分析、評價和創造，通常被稱為是“高階思維能力”.杜威認為高階思維的發生即是“反思—問題生成—探究、批判—解決問題”的過程.《普通高中物理課程標準》正式提出物理學科核心素養，其中科學思維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和品格.[2]

當下的教學有必要引入“表現性評價”促進學生的高階思維的培養和學科核心素養的落地.表現性評價是在盡量合乎真實的情境中，運用評分規則對學生完成復雜任務的過程表現或結果做出的判斷.[3]表現性評價三要素是指表現性目標、表現性任務、評價標準(評分規則)如圖1.

圖1 表現性評價三要素

“焦耳定律”描述的是電能轉化為內能的規律.生活中電流熱效應現象普遍，焦耳定律應用也非常廣泛.本次教學借助表現性評價的設計與實施以提升高階思維能力.首先建立一個指向高階思維和核心素養的表現性評價目標，其次設計聚焦高階思維的表現性任務，再次利用評價標準即評分規則進行評價.

1 設計指向高階能力的表現性目標

表現性目標指向高階思維和核心素養，結合焦耳定律的內容，設計表現性目標(見表1).

表1 表現性目標

2 設計與目標匹配的表現性任務

表現性任務應使學生展示他們所掌握的知識和技能，如用焦耳定律解釋生活現象.能在任務中展示深度學習，學生愿意主動參與，自主計劃，選擇適合的方案完成任務.如在研究電流熱效應效果時有多種轉換的方法.

基于對“焦耳定律”教學內容的分析，設置表現性任務如圖2所示.

圖2 表現性任務

3 開發可觀測的評價標準

評價標準是對學生完成復雜任務的過程表現或結果需要達到的標準的設計.根據表現性目標和任務將評價分解為若干個評價指標，對每一指標的表現水平進行詳細的質量表述，一般以評價量表的方式呈現.

科學探究是指基于觀察和實驗提出問題、形成猜想和假設、設計實驗與制定方案、獲取和處理信息、基于證據得出結論并做出解釋，以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力.根據探究要素設計評價量表(見表2).

表2 評價標準

續表

科學解釋是指基于經驗事實，運用科學知識和科學推理解釋實驗中或生活中的科學現象.

設計科學解釋的評價量表(見表3).

表3 科學解釋的評價量表

4 教學過程

4.1 創設情境，提出問題

教師：給鉛筆芯通電，請預測會有什么現象產生？

學生：發熱或者燒斷.

教師演示：將0.5 mm的HB鉛筆芯接入9 V的電路中，現象如圖3-5所示.

圖3 鉛筆芯冒煙

觀察現象：開始時鉛筆芯冒出白煙，然后導電部分逐漸變紅，發出耀眼的白光.

教師：鉛筆芯發熱發光，能量是如何轉化的？

學生：電能轉化為內能.

除了發光發熱外學生還疑惑：鉛筆芯為什么會冒白煙？

教師提供資料：鉛筆芯的成分是石墨和黏土，根據石墨的含量不同分為2B/HB/2H等，這些粉末狀的材料是利用膠水粘起來的.石墨的熔點為3650 ℃以上，黏土的熔點為1700 ℃以上.膠水不到100 ℃即可熔化.

教師：根據以上信息請做出合理的推斷和提出科學問題.

學生：電流通過鉛筆芯發熱，白煙可能是膠水熔化揮發或者灼燒形成.發熱溫度升高，放熱發光.那么電流通過導體發熱多少與哪些因素有關？

再次體驗：每個小組將5 Ω和10 Ω的定值電阻接入電路，利用感溫片包裹輔助觀察發熱情況.在串聯電路中10 Ω電阻的感溫片先變色.如圖6、7所示.

圖6 串聯電阻

確定研究問題：電流通過導體產熱多少與哪些因素有關？

4.2 實驗探究，發現規律

4.2.1 建立假設，清晰描述自變量與因變量

影響通電導體發熱的因素有電流大小、電阻大小、通電時間.請學生建立假設并說明建立該假設的依據，依據來自生活經驗或實驗觀察等.

假設1：通電時間越長，導體產熱越多.依據是生活中燒水時間越長水溫越高水吸熱越多表示電熱絲產熱越多.假設2：通電導體電流越大，產熱越多.依據是電流越大，做功越多，電能轉化為內能越多.假設3：導體的電阻越大，產熱越多.依據是電阻越大阻礙越大，產熱越多.

4.2.2 設計、評價、完善方案

提供器材有：電源、導線、開關、定值電阻、滑動變阻器、溫度計、水、變溫貼等.

呈現設計要求：閱讀評價量表中關于方案設計部分，理解評價標準.然后根據以下4個問題和要求設計實驗.① 自變量如何改變；② 因變量如何觀察；③ 無關變量如何控制；④ 多次或重復實驗如何實現？ 畫出電路圖和實驗示意圖，并寫出實驗步驟.

學生呈現假設2的設計思路如下.① 自變量改變:通過滑動變阻器改變電路的電流，如I1=0.1 A和I2=0.2 A； ② 因變量觀測：變溫貼顯色法如圖7； ③ 加熱水測溫法如圖8、9所示；④ 無關變量控制：同一定值電阻(10 Ω)、通電時間相同(2 min)；⑤ 多次或重復實驗：改變電流重復實驗以減小誤差或避免偶然性.

圖8 加熱水初溫

評價方案：利用評價量表作為學習支架，小組合作交流自主評價，用紅色筆完善不足的地方.

教師：閱讀書本實驗方案，與我們基于單一變量設計的實驗方案進行對比，發現不同與優勢.

學生：書本把3個實驗假設整合到一套實驗中，大大提高了實驗的效率.利用煤油的體積變化來顯示因變量的變化.

4.2.3 從定性到定量的實驗進階

教師：變溫貼變色法、煤油體積膨脹法、加熱水測溫法有何區別？

學生：有定性研究和定量研究的區別.定量研究方便找出電熱絲產熱與各因素之間的定量關系.

教師：如果進行定量研究，如何改進才可減小誤差？

學生：測量水的升溫過程中，沒有考慮壺身的吸熱和向空氣中散熱的差異.為了減小誤差需要做好保溫措施.

學生實驗操作，采集數據并記錄(見表4).

表4 實驗數據采集

實驗結果分析：當電流變為2倍時，導體產熱接近4倍.電阻變為2倍時，導體產熱也接近2倍，當通電時間變為2倍時，導體產熱也接近2倍.

實驗結論：電流通過導體產熱的多少與電阻和通電時間成正比，和電流的平方成正比.

4.3 遷移運用，問題解決

4.3.1 現象解釋

引導學生學習PTDR解釋框架和評價量表.PTDR框架即指“現象—理論—資料—推理”，如圖10所示.資料是通過對現象的分析獲取的事實信息，科學知識包括概念、規律、理論等，然后利用資料和科學知識進行推理.

圖10 PTDR解釋框架

生活現象：燈絲斷了，重新搭接后，發光越來越亮，為什么？

引導學生解釋，并利用評價量表進行自我評價.師生交流改進后的解釋如圖11所示.

圖11 生活現象解釋

科學解釋不是科學理論和科學資料的隨意堆砌，而是符合邏輯關系的推理過程.借助PTDR解釋框架作為顯性化腳手架支持，有利于科學解釋能力的培養.

4.3.2 問題解決

任務呈現：請設計一個具有保溫和加熱兩擋功能的電飯煲，要求加熱擋的功率為1000 W，保溫擋的功率為400 W，電路如何設計？電阻絲需要滿足怎樣的規格要求？

學生設計方案(略).

學生討論交流，分析每種方案的優缺點.方案4體現了學生的創意思維.

5 總結與反思

5.1 深刻理解高階思維與表現性評價的關系

科學教學需要讓學生在學習歷程中建立起科學觀念和思維方法，形成對科學的認識和理解并能運用科學知識解決問題.傳統筆紙測試難以檢測學生所有的能力，特別是高階思維以及社會性發展能力.表現性評價運用實踐性的任務評價學生運用知識解決問題的能力，是高階能力評價的有效選擇.科學中的高階思維常表現在科學建模、科學推理、科學論證過程中運用分析綜合、抽象概括、歸納演繹、質疑創新等思維方法.所以在設計表型性評價時需要充分挖掘科學中的高階思維，讓學生在解決問題過程中實現核心素養的提升.

5.2 合理設計表現性目標和表現性任務

表現性目標是回答評什么的問題，體現高階認知，對接科學核心素養.表現性任務是回答用什么評的問題.任務兼顧過程與結果，學生經歷展示任務完成的整個過程，而不是僅僅給出一個答案，如完整的實驗探究須經歷從方案設計到數據采集到結論得出以及表達交流等過程.任務強調情境的真實性和開放性，需要綜合運用科學知識解釋生活現象或創造方案以解決問題.如設計不同擋位的電飯煲可以用串聯電路也可以用并聯電路.學習者的學習動機會隨著任務的真實性程度提高而變強.表現性任務還須具有探究學生知識建構、觀察學生思維層次與策略的功能.

5.3 充分發揮評價標準(評分規則)的作用

評價標準不僅是教師評價任務的工具，也是學生自我評價的支架，幫助學生明確學習需要達到怎樣的程度，目前已經達到哪一程度.評分規則須清晰易懂，便于引領和促進學生的學習.評價過程也是自我改進和自我反思的過程，如探究評價量表明確了每一步探究技能所需要達到的要求，當學生進行了學習和反思后，該探究方法可以遷移到下一次的探究中.和教師點評相比，學生間的互評也更加平等，互評還可以加深對評分規則內涵的理解，因為同伴不僅評分還要解釋給出這個分數的依據和標準，以及哪里需要改進.基于標準的評價增加了生生交流的機會，同時也保障了生生之間交流的有效性.