PISA2024科學素養測評框架評述與啟示

黃興娟 林長春 首 新

一、PISA2024發展背景

國際學生評估項目（Program for International Student Assessment，簡稱PISA）是經濟合作與發展組織（Organization for Economic Co-operation and Development，簡稱OECD）發起的一項三年一次的國際調查，旨在測試即將結束義務教育的15 歲學生的技能和知識，評估他們將所學知識應用到現實生活的能力。到目前為止，PISA 已經開展了7 次科學素養測評。2000、2003 年按照“過程、知識、應用”三個維度對科學素養進行了評估。2006年第一次把科學素養作為主要領域進行評估，包含情境、態度、知識、能力四個維度，此后一直沿用這四個維度對科學素養進行評估。2021 年3 月OECD 頒布了《PISA2024科學的戰略愿景和方向》（PISA 2024 Strategic Vision and Direction for Science），指出了PISA2024評估框架的主要內容，預計2024 年將按照科學情境、科學態度、科學知識、科學能力、科學認同五個維度進行評估。

在PISA 第46 次 會 議 上，PISA 理 事 會（PISA Governing Board，簡稱PGB）對PISA2024 的時間進行了全新規劃（如表1 所示），決定將開發時間從一年增加到兩年，PISA2024評估推遲到2025年[1]。

表1 PISA2024總體周期計劃圖

二、PISA2024科學素養測評框架內容

當前科學教育的主要缺陷在于過多強調學習內容和記憶知識，忽視了更高層次的認知技能和更廣泛的科學素養。有學者指出，目前科學教育并沒有培養學生成為具有科學素養的積極公民，也未能讓學生為未來工作做好充分準備[2]。OECD 以現有文獻為基礎歸納了科學素養的核心要素，提供了更完善的框架。

（一）概念框架

隨著時代的進步，PISA 也在不斷更新學生應該具備的科學素養，以幫助他們適應未來的生活。2000 年PISA 將科學素養定義為運用科學知識來界定問題，具備基于證據得出結論的能力[3]；2006 年PISA 將科學素養定義為掌握科學知識，運用科學知識確立科學問題，解釋科學現象，運用科學證據，理解科學探究的能力[4]；PISA2015 將科學素養定義為培養學生科學地解釋現象、數據及證據的能力，得出正確結論的能力，評估并設計科學探究的能力[5]。由此可見，PISA 對于科學素養的定義反映了時代對學生應當具備的科學素養的要求變化，更加關注學生能否運用科學知識，是否發展了科學思維。PISA2024也延續了這個特點，在科學素養的測評中更加注重信息學和社會環境方面的知識，重視學生理解、處理數據的能力，關注學生是否思考、學習、理解、參與科學。新框架增補了許多要素，對2024 年及以后的學生在科學學習和科學經驗中應該具備的知識、能力和認同等提出了愿景，為科學素養的測評提供了寶貴的基礎。

（二）核心要素

OECD 提出PISA2024 科學素養測評框架將圍繞科學情境、科學態度、科學知識、科學能力、科學認同五個維度來進行測評，其中每一個維度都對科學素養進行了一定程度的體現。科學情境和科學態度沿用PISA2015 的內容?？茖W情境包含個人的、本土/國家的、全球的，試題背景主要圍繞健康與疾病、自然資源、環境質量、危害、科學和技術前沿等方面進行設定。科學態度包括對科學的興趣、重視科學探究方法、環保意識三個方面，著重于測評學生是否擁有對科學和科學問題的好奇心，是否具備基于證據進行科學探究的能力。增補維度的具體內容如下。

1. 科學知識

PISA2024 在知識領域保留了PISA2015 的“內容性”“程序性”“認知性”知識，增加了“社會環境系統和可持續性”“科學知識的發展及其濫用”“信息學”三個新的子維度進行評估，如表2所示。

表2 PISA2024的科學知識內容

“ 社會環境系統和可持續性”（Socio-Environmental Systems and Sustainability）側重于測評學生使用新領域知識和新思維解決系統復雜問題的能力，評估他們是否了解系統內部和系統之間的相互作用。主要包括了三個要素：（1）科學是了解人類世界的有力工具，用于反映學生對科學知識的共鳴，理解到科學知識與他們的生活息息相關；（2）新領域知識出現需要學生接觸新的思維和行動方式，用于反映學生解決復雜問題是否使用到了自然科學、社會科學和工程科學等新領域的思維方式，確保他們能為未來做好準備[6]；（3）學生要具備識別復雜系統要素的能力，認識到系統內容及其系統之間的相互作用，用于反映學生對于系統的把控能力。

“科學知識的發展及其濫用”（The Development of Scientific Knowledge and its Misuse）側重于讓學生了解科學知識的發展情況，并批判性地看待科學，評估學生辨別是非、依據證據做出決策的能力。主要包括了兩個要素：（1）學生應正確理解科學知識并合理看待錯誤的科學知識，用于測評在信息龐雜的碎片化知識時代，學生是否具備分辨知識正誤的能力，是否具備通過可靠的方法（如從科學史入手研究、同行評審等）證明知識錯誤的能力；（2）了解經濟和政治因素如何影響科學決策，用于測評學生在科學知識商業化（技術和創新促進科學知識盈利）的趨勢下，學生是否了解做出重要決策的種種原因。

“信息學”（Informatics）側重于測評學生的數字和數據素養，良好的數字和數據素養能夠促進學生充分理解并參與數字世界的發展，推動公平、公正和安全的數字社會的形成[7]。主要包括了兩個要素：（1）在自然和計算機方面有相應的信息基本知識，用于評估學生提取信息并采取行動的能力，幫助他們成為數字世界的積極參與者，游刃有余地面對變化的信息化環境；（2）具備數字和數據知識，包括熟悉數據表示的不同模型、基本計算模型和算法、實驗室實驗數據處理的能力，用于測評學生研究、解釋和使用數據方面的流暢性和準確性。

未來社會將會是一個包括了政治、生態、經濟、能源供應、環境健康等復雜要素的龐大體系，科學知識測評維度充分考慮到了未來社會發展的方向。除了測評學生應掌握的內容性、程序性、認知性知識，PISA2024還考慮到了未來社會發展中容易出現的種種社會化科學問題，運用新領域知識解決復雜系統之間的問題；批判地看待科學知識，理解科學決策的制定原因，避免科學知識的發展與濫用；加強信息學技能，為數字化時代做好充足準備。

2. 科學能力

科學能力測評維度相較于PISA2015 進行了大幅度的更新，更加強調學生在復雜系統中處理和運用數據的能力，以及在龐大信息中做出決策的能力。在能力領域保留了PISA2015 的“科學地解釋現象”，擴展了“評價和設計科學探究”“科學地解釋數據和證據”兩個現有能力，增加了“利用科學知識進行決策和行動”“運用概率思維”兩個新的能力，如表3所示。

表3 PISA2024的科學能力內容

“評價和設計科學探究”（Evaluate and design scientific enquiry）在于評估學生提出科學問題、設計和評價探究方法、鉆研信息的能力。相比于PISA2015，PISA2024 在該維度主要新增了兩個要素：（1）理解復雜系統中的設計，要求學生從微觀和宏觀兩個層面觀察和理解系統，從而識別出新出現的現象、物理反應和行為，該要素旨在測評學生在復雜系統中研究信息、設計活動和處理數據的能力；（2）分析、評估信息，該要素旨在測評學生是否知道復雜元素之間的相互作用，能否預測系統內的行為，進行風險評估。要做到這一點，需要學生能夠識別問題的基本要素，對科學工作的質量和科學決策的有效性作出評價性判斷，特別是要在眾多科學信息中辨別偽科學與非科學。

“科學地解釋數據和證據”（Interpreting data and evidence scientifically）維度在于評估學生表達、分析、解釋、處理數據及通過數據進行決策的能力。在PISA2015的基礎上新增了三個要素：（1）區分真假數據的能力，要求學生能夠區分網絡數據的真偽性。Calude 等人也認為在通過科技工具查詢大型數據的時代，學生應該注意大數據中隨機性、虛假性的偽科學產物[8]；（2）具備使用基本數據工具的能力，如采用直方圖、均值圖等來對數據進行有意義的表示；（3）具備對數據做出判斷的能力，以利用科學知識進行決策和采取行動。

“運用科學知識進行決策和行動”（Using scientific knowledge for decision-making and action）旨在測評學生運用科學知識創造性解決問題的能力。包括三個要素：（1）“運用科學知識進行決策”，要求學生多角度考慮多方面因素，判斷科學問題形成的不同原因，以及這些原因在多大程度上是由科學、社會、經濟和政治層面造成的[9]。通過多角度的考慮，學生能理解科學背后的其它因素，有利于他們更好地處理復雜系統中的問題；（2）“關注科學倫理”，要求學生在做決策的時候思考該決策是否合乎道德與價值觀，有助于學生具備良好的道德品質；（3）“創造性地解決問題”，旨在測評學生駕馭生活的決策能力和創造新價值的能力。這種能力對于改善我們的社會至關重要，學生要用一系列的策略來解決問題，思考哪些有效，哪些無效，這樣，當他們面對不確定性和變化的問題時，會變得更有準備并游刃有余。

運用概率思維（Using probabilistic thinking）在于測評學生是否意識到所有的活動都有與之相關的風險，是否具有理解風險含義并解釋風險概率的能力。包括五個要素：（1）有意識地運用“概率斷言”（probabilistic assertion）的思維來判斷事物，即先假設表達式結果為真，然后通過相關的證據來證明，若證明不為真則斷言失敗。學生需要理解到事物的發生與結果之間存在錯誤的概率，如此一來，能讓學生在科學學習過程中接受自己的錯誤，另一方面也能促進他們利用新證據建立新立場，積極改正；（2）解釋誤差的可信度，要求學生在問題解決的過程中，能夠大概估計出實驗數據中存在誤差的來源，認識到科學探究的局限性，以批判性的眼光看待研究結果；（3）認識到所有科學學習活動都有與之相關的風險，并能夠準確解釋風險統計數據及其含義。有研究表明，理解概率的不確定性和風險是我們所有人面臨大多數科學問題的主要特點[10-11]。因此，學生需要理解到風險是人生不可避免的固有特征，并學會用概率思維對科學活動做出判斷，以此來促進他們更加自如地面對當今世界發出的種種挑戰；（4）理解正態分布的概念以及均值和中位數之間的差異，促進學生對統計數據做出評估性判斷，并在大型數據中準確地找到數據的相關性，以此來提高學生對科學數據的處理運用能力；（5）做出預測。要求學生基于已有科學數據能進行合理分析，并做出適宜的科學推斷。

3. 科學認同

科學認同（Scientific Identity）是科學學習、獲得成就和參與的關鍵，它決定了學生思考、學習、理解和參與（或不參與）科學的程度[12]。這是PISA2024測評的一個全新維度，包含“科學資本”“批判性科學意識”“包容性的科學經驗和科學實踐”“倫理與價值觀”四個子維度，如表4所示。

表4 PISA2024的科學認同內容

“科學資本”（Science Capital）是指一個人所具有的科學相關資源，側重于評估學生對科學態度、科學素養、科學能力的理解，是否在行為、社會交往方面對科學產生了認同感[13]。包括五個要素：（1）認為科學與自己未來生活息息相關。大量證據表明，科學資本在塑造年輕人“認為科學和自身相關”程度方面起著關鍵作用，并與16 歲后的科學抱負和進步顯著相關[14-15]。同時，它還與工程、數學和技術領域的態度和抱負有關[16]；（2）在科學認同的過程中得到其它成員的充分鼓勵；（3）了解科學知識的通用性，知道當前和未來生活所需要的通用工作能力；（4）在課堂之外的生活中參與科學，成為科學的關鍵消費者和生產者，并利用科學為個人/社會利益服務；（5）擁有與科學相關的社會資本。

“批判性科學意識”（Critical Science Agency）旨在測評學生能否利用科學知識，并結合多學科知識批判性地看待社會科學問題[17-18]。具體包括六方面：（1）以各種方式利用科學學習經歷創造價值，關注科學與社會、環境發展中的不平衡方面；（2）利用科學方法解決問題，指的是學生積極參與生活社區，在生活體驗中解決日常問題；（3）成為科學關鍵消費者和生產者，即擁有使用科學并創造科學的能力；（4）意識到科學的衍生社會屬性，如科學身份、科學文化、科學經驗等會得到重視和尊重；（5）了解古往今來科學事實面臨的錯誤情況，以及這樣的錯誤如何一點點地被推翻；（6）能夠將科學作為智力工具的一部分，即運用科學來開發智力。

“包容性的科學經驗和科學實踐”（Inclusive science experiences and practices）旨在評估學生因種族、階級、宗教、經驗背景等方面所具備的科學知識、能力的差異。包括四個要素：（1）讓學生從多樣化的資源中，包括教育資源、材料資源、數字資源、科學機會、環境和經驗等，進行有效的科學學習；（2）體驗包容性科學學習環境，感受不同社會群體對科學的貢獻；（3）把面對廣泛而多樣的科學知識、歷史上科學家的科學思想等活動作為日?？茖W學習的一部分；（4）讓他們感覺到安全、受尊重、受重視并融入科學。該維度的測評，能讓學生從資源、機會、背景和經驗等視角體驗包容性的科學環境，進而感知科學事業受尊重、受重視。

“倫理與價值觀”（Ethics and values）指學生要了解與科學知識、方法、科學實踐和科學成果有關的倫理，樹立正確的科學研究觀念，認識科學發展的社會屬性，激發15歲青少年從事科學事業來推進社會發展。

（三）要素關系

基于上述5 個維度，PISA2024 科學素養測評框架模型如下圖1。該框架建立在OECD 科學素養測評戰略咨詢專家組的研究成果基礎上，展示了五個維度之間的關系。第一，情境維度是評價在特定情境下的科學知識和能力。個人的、當地的/國家的、全球的情境都可激發學生運用相關知識解決科學問題的能力。第二，科學認同和科學知識、科學能力相輔相成，科學認同是科學知識和能力的組成部分，也是影響科學知識和能力的表現形式、實現程度的關鍵因素，與知識和能力同等重要。第三，科學認同維度強調個體主觀對科學的認知與判斷，而科學知識和能力更多是了解客觀事實、運用技術手段等方面的內容。第四，科學認同與科學能力之間的子維度相輔相成?？茖W認同中的“批判性科學意識”就涉及科學能力中的“利用科學知識進行決策和行動”，科學知識為批判性思考提供充分的理論依據，決策和行動源于批判性思考后的想法，兩者互相促進，協同共生。PISA2024認為科學認同是影響科學知識和能力實現程度的關鍵因素，將科學認同與科學知識和科學能力并駕齊驅，同時把這三個維度描述成所有15 歲青少年應達到的目標維度。該戰略為2024 年及以后的學生在學習科學以獲得科學經驗中應該具備的知識、能力和認同等提出了愿景，為科學素養模型建構、命制試題及制訂評分標準提供了可操作的指標體系。

圖1 PISA 2024科學素養測評框架關系圖

三、PISA2024科學素養測評框架的新特點

PISA2024 對科學內容、過程、態度、習慣等進行了多維度的設計，而不是狹義定義主題知識或基于課程的材料。通過對PISA2024 科學素養測評框架的分析，可以進一步明確要素之間的關系，從而明晰PISA2024科學素養測評的新特點。

（一）構建了多維度、全方位、多視角的科學素養框架

相比于PISA2015 的框架，PISA2024 新框架在結構和內容上有了明顯的增補。首先，新框架不僅僅評估學生的內在科學素養，還考慮到了影響學生科學素養的外在因素，如家庭、學校、社會等，意圖全方位了解科學素養及其影響因素。其次，新框架強調多視角地看待生活中的復雜的科學問題。這就要求學生整合政治、經濟、文化等各方面的知識，從跨學科的角度來嘗試解決復雜科學問題，明確科學的社會責任。最后，PISA將學生學習成果數據、背景和學習態度數據、影響學生校內外科學學習的關鍵因素數據聯系起來評估學生的科學素養水平，以此總結出表現較好的學校和教育系統的特點，使各國能夠監測其在實現關鍵科學學習目標方面的進展。PISA2024 帶來了一個全面的科學素養測評框架，可以預期，它將引領未來科學素養測評的方向。

（二）建構科學認同維度，增強學生科學認同感

科學認同代表著學生對科學的認同感。PISA2024 的科學認同維度旨在測評學生是否思考、學習、理解和參與科學及其程度。該維度為學生、同齡人、教師和家長提供了一種相互聯系的學習方法，共同促成學生學習并獲得科學成果，成為科學的關鍵使用者和生產者?？茖W認同體現為學生能夠通過這種相互聯系的學習方法關注周圍的科學事務，從而感覺到科學是有益且有用的，進而增進對科學的認同。當然，除了增強認可，認同緯度也要測評學生是否批判性地看待科學現象、是否辯證地分析科學知識、是否體會到自己參與科學活動的意義等。

不難推斷出，科學認同是新框架的基礎，是影響科學知識和能力實現的關鍵因素，它在調節科學學習和理解方面起著重要作用。如果沒有注意到學生的科學認同結果，那么就有可能破壞其科學學習的成就和潛力，降低學生在生活中批判性地運用科學的頻率。因此，PISA2024建議，科學認同這一維度需要被視為當代學生為未來科學做準備的核心維度。

（三）關注跨學科思維，基于真實情境解決復雜科學問題

現實生活中的復雜問題要求學生具有更加寬廣的科學知識，采用跨學科的思維來解決問題。PISA2024 在“社會環境系統和可持續性”中明確指出，解決世界中復雜的科學問題需要采用跨學科的思維，“信息學”維度也指出要將信息學作為獲取跨學科知識的方法；“運用科學知識進行行動和決策”部分強調學生需要具備多角度、多方面考慮問題的能力，運用跨學科的方法來解釋生活世界?？梢?，PISA2024 非常關注對學生跨學科思維的評估，要求學生考慮導致特定科學事件發生的不同原因，以及這些原因在多大程度上是由科學、社會、經濟和政治層面造成的。

有學者指出，跨學科的測評不能局限于學科內部的知識，而是要圍繞著情境和任務將不同學科間的知識關聯起來，關注不同學科知識的網絡建構[19]。當學生在特定的情境和任務下能夠游刃有余地把所學的知識遷移到實際問題解決中，他們就被認為具備一定水平的科學素養[20]。PISA2024 在設計科學測評試題時，構建了真實的問題情境，如全球面臨的氣候變化、流行病、糧食安全等復雜問題，以解決社會中的科學問題為導向，同時與學生的日常活動、經歷、體驗相聯系，以激發學生利用跨學科思維來解釋我們的世界。跨學科思維能夠讓學生更快地適應復雜系統，引導他們統整科學知識、技能、態度從而對特定情境做出有效回應。

四、思考和啟示

PISA2024科學素養測評框架將掀起全球科學素養評價和教學的新浪潮，科學教育已然超越一個學科應有之范式，與信息技術、STEM 教育理念、科學認同交織在一起，為全面發展學生的科學素養提供了有效的操作指南，在“以評促發展”理念下，該測評框架為我國義務教育階段科學教育質量監測及相關科學教學活動提供了有益的啟示。

第一，要重視將科學倫理滲透到科學素養測評之中?？茖W倫理是指人應具備的符合科學準則的品格和行為，還包括對自身價值觀和行為的反思[21]。PISA2024 科學素養測評框架從是否應該做、應該怎樣做等兩方面評估學生的科學倫理觀。如在科學研究和成果應用技術不斷發展的時代，學生需要思考是否應該發展納米技術？以及怎樣發展納米技術才會更安全？科學倫理重在評估學生在面對種種問題時，要經過多方考量后做出符合主流道德和科學價值觀的決定，并且期望他們能在生活中始終如一地運用這樣的價值觀。我國義務教育階段科學教育質量監測框架主要還是能力導向的測評，對相關影響因素的分析也限于課程開設、條件保障、教師配備、學校管理等外部因素，缺乏對中華民族文化洗禮下學生科學倫理的關注[22]。在科技快速發展及碎片化時代，我們也應跟上時代的步伐，促進科學倫理精神成為現代科學技術活動主題的自覺追求，將科學倫理與科學能力并行，確保青少年樹立正確的科學倫理觀。

第二，要有意識地在科學教學中滲透科學認同感。科學認同的社會價值已得到越來越多的關注，《PISA 2018 全球勝任力框架》中就提出了對民族文化和身份的認同、對人類尊嚴和多元性價值的認同[23]。PISA 2024 科學素養測評框架將科學認同視為當代學生為未來從事科學事業做準備的核心要素，從對科學本身的認同、批判性意識、環境認同和價值認同等四個方面闡明其在鼓勵學生參與社會事務、成為有社會責任感的公民中的積極意義。目前我國科學教育已從強調學習內容和記憶知識轉向讓學生從科學探究之中發展各項能力，但對科學教學中滲透科學認同教育仍認識不足，教師應有意識地通過科學探究活動培養學生的科學認同感。

第三，重視科學探究中數據處理與分析的概率思維。概率思維是學生使用概率知識進行問題解決的一種高階思維，表現在學生根據現象或實驗進行合理解釋的過程中[24]。PISA2024 新增“運用概率思維”能力維度，旨在于要求學生能基于概率統計正確處理信息、分析問題，并做出合理的決策。在STEM跨學科教育理念下，科學探究活動中，特別是在數據、信息處理和分析階段，應積極融入概率思維，建立分析模型，加速信息的處理，快速厘清信息之間的邏輯關系，以做出合理的預測和適宜的推斷。