指向高中生物理科學推理能力評價的試題編制探討

邱佳樂，許桂清，張軍朋

華南師范大學物理與電信工程學院，廣州 510006

科學推理能力是依據科學事實，運用邏輯思維進行推理，進而作出解釋或得出結論的能力。在物理學科中，科學推理是物理核心素養科學思維的重要組成部分，是一種高階思維形式。近年來，關于學生科學推理的測評研究也成為熱點。國內學者采用的科學推理能力測評工具，大多是Lawson編制的科學推理測試量表（LCTSR），該套試題雖整體的信度、效度良好，但與中國的課程內容、考試評價關聯性不大。因此，開發符合我國國情的中學生科學推理能力測試題具有重要的實踐價值和現實意義。

本文參考《普通高中物理課程標準（2017年版）》中科學推理的學業質量水平，分析出組成試題的核心三要素——情境、知識、推理水平，嘗試編制出“只變換試題情境”和“只變換試題知識結構或考查要求”的命制不同水平試題的框架，并給出命題樣例，以期編制成切合我國國情的高中物理科學推理能力測試題。

1 試題中“情境”“知識”“推理水平”的分類

高中物理學業質量水平是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來劃分的，科學推理作為高中物理學業質量水平中科學思維的一個方面，水平層次同樣可依據情境、知識和推理水平的不同來劃分。因此，可將該三因素按不同的劃分依據進行細化，在細化的基礎上組合，形成考查不同科學推理水平的試題要素。對三要素的分類如表1所示。

表1 試題中“情境”“知識”“推理水平”的分類

表1中的模型化情境指的是已經建構好物理模型的情境，比如題目中明確提到質點、勻變速直線運動、自由落體運動、平拋運動等模型。模型化情境又可根據情境中有無具體背景分為有背景的模型化情境和無背景的模型化情境。

表1中將知識按結構化程度分為單一知識、板塊知識和交叉板塊知識。單一知識指的是單個物理概念或規律，比如摩擦力、靜電力、電場強度、磁場強度等；板塊知識指多個相互關聯的知識組合在一起，比如力與運動是緊密聯系的，可將其組合成“相互作用與運動規律（直線、曲線）”板塊；將功與能組合成“能量及其守恒定律”板塊；將力與時間的作用、物體之間的碰撞規律等組合成“動量及其守恒定律”板塊。交叉板塊知識是指同時考查兩個板塊及以上的知識，如同時涉及運動規律和能量。從單一知識到板塊知識再到交叉板塊知識，對知識的考查個數增多，對知識的結構化程度和應用程度逐漸增高。

表1中科學推理水平的劃分是結合新課程標準中科學推理的學業質量描述展開的，各個水平的含義及解釋如表2所示。該表可作為不同水平試題命制和評價的依據。

表2 科學推理的五個水平含義及解釋

表2的科學推理水平劃分實現了由定性到定量的轉變，一步推理到多步推理的遞進以及對得出結論要求的上升，是逐級遞進的五個水平。

2 指向科學推理的試題命制策略

影響試題難度的各因素既各自獨立又相互影響，變換某個因素，其他因素也會隨之改變，例如解答試題所需要的科學推理能力會隨著試題情境、知識綜合程度的變化而變化，因此可通過變換試題情境或考查的知識來命制不同科學推理水平的試題。基于此，筆者開發了“只變換試題情境”和“只變換試題知識結構或考查要求”從而改變考查的科學推理水平的試題命制框架，如表3所示。

表3 “只變換試題情境”和“只變換試題知識結構或考查要求”的科學推理命題框架

表3以“單一板塊知識”為例，設置由簡單到復雜的五個不同情境，五個情境分別對應由低到高的五個推理水平；以“熟悉的物理情境”為例，設置考查知識結構或要求由少到多的五個水平，五個知識水平分別對應五個推理水平。具體試題樣例如下。

3 指向科學推理的試題命制樣例

在已有命題框架的基礎上，編制“只變換試題情境”和“只變換試題知識結構或考查要求”的試題樣例。

3.1 “只變換試題情境”的科學推理五水平試題樣例

設定考查的知識結構不變，以“運動與相互作用”板塊知識為例，圍繞其設置表3中的五個情境，分別對應五個科學推理水平。五道題的內容如表4所示。

表4 圍繞“運動與相互作用”知識編制的五個層次的試題

試題1是無背景的模型化情境，學生只要理解或記住自由落體運動的規律，便可定性分析出答案。試題2是有“物體豎直下落”背景的模型化情境，學生需要根據“勻變速直線運動規律”計算得出答案。試題3的“鑰匙下落”情境是學生熟悉的生活情境，解答該題需要學生建構物理模型、經受力分析并結合牛頓第二定律的內容，進行分析和計算得出答案。試題4是豎直上拋運動與自由下落運動相結合的情境，屬于學生較常見的生活情境。該題的難點在于所受空氣阻力是變力，加大了試題的分析、計算難度，從而加大了推理難度。試題5的飛機起飛情境是學生陌生的科技情境，該題信息量多，迷惑感強，學生需要對題目背景進行細致的分析并找出重要、有效的信息，且需要進行一定量的定量計算，對學生的分析推理能力要求更高。

由此，該五題的情境實現了由無背景的模型化情境到陌生科技情境的轉變，科學推理水平也實現了由“簡單定性分析”到“復雜推理、表述結論并作出解釋”的轉變。

3.2 “只變換試題知識結構或考查要求”的科學推理五水平的命題樣例

設定問題的情境不變，改變考查的知識內容或要求，以“帶電粒子在勻強電場中的偏轉”物理情境為例，設置考查五個不同知識內容或要求的題目，分別體現不同的科學推理水平。試題樣例如表5所示。

表5 圍繞“帶電粒子在勻強電場中的偏轉”情境編制的五個層次的試題

試題1屬于對單一知識的考查，判斷靜電力的方向，通過對題目信息進行定性分析，便可得出答案。試題2需要運用“相互作用與運動規律”板塊的知識，解答該題需在定性分析出電場力方向的基礎上，進行定量計算。試題3可利用“相互作用與運動規律”板塊的知識或“能量及其守恒定律”板塊中動能定理的知識來解答，但選用哪個板塊的知識進行解答所要經歷的運算不同，即邏輯推理不同。用相互作用與運動規律來求解需要運算兩步，但用動能定理只需求解一步，這可考查學生“靈活運用板塊知識”的能力和綜合推理能力。試題4需要用到“相互作用與運動規律”中的類平拋運動和“能量及其守恒定律”中的動能定理等知識內容，屬于對交叉板塊知識的考查；解答該題需要學生在綜合分析問題的基礎上實現“求最大動能增量”到求“合外力做最大功”再到求“最大位移”的思維轉變，需要學生綜合運用“類平拋運動的特點”“動能定理”等知識來進行求解。試題5考查了“相互作用與運動規律”板塊和“動量及其守恒定律”板塊的內容，屬于對交叉板塊知識的考查。最后解出“粒子進入電場時的速度”，可以采用兩種方法，一種是分運動與合運動的關系，一種是動量定理。明顯，采用第二種運算更加容易，這有利于考查學生靈活應用交叉板塊知識的能力。

據此，在情境不變的情況下，從考查“單一知識”到“靈活應用板塊知識”可分別實現對從科學推理“簡單定性推理”到“復雜推理、表述結論并作出解釋”的考查。

綜上，情境、知識、科學推理能力是影響試題的主要因素，各自獨立又相互制約，共同決定試題的水平等級，通過改變其中的一個因素或多個因素，便能實現對學生不同能力層次的考查。若需要對學生所處的科學推理能力進行有效鑒別，可針對每個水平設置多組試題進行多角度的測試。

4 小結與反思

本文主要探討了如何通過“變換試題情境”和“變換試題知識內容或考查要求”來編制考查學生科學推理水平的測試題，設計了兩個命題框架，依據框架命制了五個水平的試題并對其進行了分析。

本文只探討了改變單一因素來命制五個水平的試題，還可以同時改變試題情境和考查知識來設置五個水平的試題。其次，對試題情境、知識、推理水平的分類還可以挖掘更多，為命制不同層次的試題提供更廣闊的思路。最后，物理核心素養的四個方面本應是一個整體，試題的命制也應該考慮到各個方面，本研究只側重科學推理這一層面，對于其他層面的試題編制策略也可以進行嘗試。