基于科學(xué)思維評(píng)價(jià)框架的高中物理試題開發(fā)探討

文∣胡振歡 許桂清 余耿華

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》)中提到：高中物理課程應(yīng)在義務(wù)教育的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成和發(fā)展[1]，并且相應(yīng)地制定學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，如學(xué)生學(xué)習(xí)高中物理各模塊后，參加合格性考試應(yīng)達(dá)到水平2的等級(jí)，參加選擇性考試則應(yīng)達(dá)到水平4的等級(jí)。

目前大多教師可以明確知曉物理學(xué)科素養(yǎng)內(nèi)涵，也能初步判斷某道試題所考查的核心素養(yǎng)要素，但是對(duì)于試題如何體現(xiàn)核心素養(yǎng)水平還是處于摸索階段，也難以通過題目檢測出學(xué)生的核心素養(yǎng)發(fā)展情況。筆者曾經(jīng)探索根據(jù)學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)細(xì)化具體知識(shí)目標(biāo)的命題模式，文中結(jié)合5個(gè)水平等級(jí)，以在豎直方向的運(yùn)動(dòng)知識(shí)為載體，分別命制了5個(gè)題目，呈現(xiàn)水平與題目一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。[2]這樣的命題模式具有良好的示范性，但是每次命題對(duì)每個(gè)知識(shí)點(diǎn)都要進(jìn)行細(xì)化，工作量巨大，操作性不強(qiáng)。因此筆者進(jìn)一步思考和摸索，借助一些理論，從試題分析的角度建立起科學(xué)思維素養(yǎng)水平的評(píng)價(jià)框架，幫助教師進(jìn)行科學(xué)合理的試題分析和試題命制。

一、科學(xué)思維評(píng)價(jià)框架的構(gòu)建依據(jù)

(一)《課程標(biāo)準(zhǔn)》中的科學(xué)思維素養(yǎng)水平

《課程標(biāo)準(zhǔn)》凝聚了物理學(xué)科的核心素養(yǎng)，并制定了從水平1到水平5的5個(gè)學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。如科學(xué)思維素養(yǎng)的水平2描述如下：能在熟悉的問題情境中應(yīng)用所學(xué)的常見的物理模型；能對(duì)比較簡單的物理現(xiàn)象進(jìn)行分析和推理，獲得結(jié)論；能使用簡單和直接的證據(jù)表達(dá)自己的觀點(diǎn)；具有質(zhì)疑和創(chuàng)新的意識(shí)。水平4描述如下：能將實(shí)際問題中的對(duì)象和過程轉(zhuǎn)換成所學(xué)的物理模型，能對(duì)綜合性物理問題進(jìn)行分析和推理，獲得結(jié)論并作出解釋；能恰當(dāng)使用證據(jù)證明物理結(jié)論；能對(duì)已有結(jié)論提出有依據(jù)的質(zhì)疑，采用不同方式分析解決物理問題。[3]可以看出，水平4相對(duì)于水平2有了較多的要求和提升，從水平1到水平5實(shí)質(zhì)上對(duì)素養(yǎng)的掌握要求是層層遞進(jìn)的。但是從試題分析和命制的角度看，一道試題如何體現(xiàn)科學(xué)思維中的具體水平，用以上學(xué)生表現(xiàn)為主的水平描述還是比較籠統(tǒng)的，因此應(yīng)從試題角度把科學(xué)思維水平進(jìn)一步細(xì)化，使得試題分析和命制更具科學(xué)性和操作性。

(二)SOLO理論

SOLO分類理論是由澳大利亞著名教育心理學(xué)教授彼格斯(John B.Biggs)在1982年首次提出的。該理論根據(jù)認(rèn)知發(fā)展階段進(jìn)行層級(jí)水平劃分的方式，對(duì)教育領(lǐng)域有著廣泛而深遠(yuǎn)的影響。這些層級(jí)水平主要包括——前結(jié)構(gòu)層次、單點(diǎn)結(jié)構(gòu)層次、多點(diǎn)結(jié)構(gòu)層次、關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)層次和抽象拓展層次，對(duì)于每一層級(jí)，彼格斯主要是通過能力、思維、一致性與收斂性以及回答結(jié)構(gòu)四個(gè)維度來進(jìn)行描述和界定的。[4]筆者借鑒SOLO理論，結(jié)合科學(xué)思維要素水平，從試題命制的角度對(duì)科學(xué)思維素養(yǎng)水平進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化、具體化，形成具體的評(píng)價(jià)框架。

二、科學(xué)思維評(píng)價(jià)框架的建立和試題開發(fā)流程

(一)構(gòu)建科學(xué)思維評(píng)價(jià)框架

SOLO分類理論與學(xué)業(yè)質(zhì)量的分層評(píng)價(jià)具有內(nèi)涵一致性，用該理論指導(dǎo)學(xué)業(yè)質(zhì)量的分層評(píng)價(jià)具有積極的實(shí)踐意義。[5]但需要指出的是，SOLO理論提到的5個(gè)等級(jí)水平和核心素養(yǎng)的5個(gè)水平并不是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，如前結(jié)構(gòu)水平認(rèn)為“學(xué)生基本上無法理解問題和解決問題，只提供了一些邏輯混亂、沒有論據(jù)支撐的答案”，和科學(xué)思維素養(yǎng)中對(duì)水平1中針對(duì)科學(xué)推理要素所說的“能對(duì)常見的物理現(xiàn)象進(jìn)行簡單分析”的要求是不一致的，水平1中的推理論證是要求學(xué)生已經(jīng)達(dá)到能簡單分析問題而非邏輯混亂的水平，因此在框架建立時(shí)，可把水平1和水平2都看作互相之間具有水平差異的單點(diǎn)結(jié)構(gòu)層次，如水平2對(duì)應(yīng)的是難度較高的單點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平。這樣處理后二者各個(gè)水平層級(jí)可以認(rèn)為內(nèi)涵基本一致。

參考SOLO理論中對(duì)于不同思維水平具體明確的操作性鑒定，結(jié)合《課程標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)于科學(xué)思維不同水平的經(jīng)驗(yàn)型抽象描述，可對(duì)試題中所包含的科學(xué)思維水平進(jìn)行判別和斷定。科學(xué)思維具體包含了模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證和質(zhì)疑創(chuàng)新四個(gè)方面，由于大多時(shí)候科學(xué)推理和科學(xué)論證可以結(jié)合在一起，如在新的物理學(xué)科關(guān)鍵能力中提到的推理論證能力，也相當(dāng)于把兩要素結(jié)合，因此在構(gòu)建科學(xué)思維評(píng)價(jià)框架時(shí)，可以按照模型建構(gòu)、推理論證和質(zhì)疑創(chuàng)新三個(gè)要素進(jìn)行構(gòu)建。以模型建構(gòu)這個(gè)要素為例，水平2的題目應(yīng)當(dāng)對(duì)應(yīng)較為熟練的單點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平，結(jié)合要素里面描述“能在熟悉的問題情境中應(yīng)用所學(xué)的常見的物理模型”，因此題目對(duì)學(xué)生的要求應(yīng)該較低，只涉及單一知識(shí)點(diǎn)，而且題目涉及的是最為常見簡單的物理模型，而水平4為“能將實(shí)際問題中的對(duì)象和過程轉(zhuǎn)換成物理模型”，學(xué)生應(yīng)該具有關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平，也就是達(dá)到這個(gè)水平的學(xué)生應(yīng)當(dāng)可以進(jìn)行遷移整合，水平要求應(yīng)該是可以做出涉及兩個(gè)或者兩個(gè)以上知識(shí)點(diǎn)的題目，并且需要仔細(xì)閱讀題目抽取關(guān)鍵信息才能建構(gòu)相關(guān)的物理模型，以此類推，逐一對(duì)科學(xué)思維要素對(duì)應(yīng)的水平描述進(jìn)行重新解構(gòu)，可以得出更具有操作性的科學(xué)思維評(píng)價(jià)框架，如表1所示。

表1 科學(xué)思維評(píng)價(jià)框架

根據(jù)表1，一道題可以通過評(píng)價(jià)框架判斷其各個(gè)要素分別屬于哪個(gè)水平，若一道題三個(gè)要素水平層次不一樣時(shí)，則最高的要素水平即對(duì)應(yīng)該題的最終水平，比如一道題通過框架對(duì)比模型建構(gòu)要素對(duì)應(yīng)水平1，推理論證要素對(duì)應(yīng)水平3，質(zhì)疑創(chuàng)新要素對(duì)應(yīng)水平2，則應(yīng)認(rèn)為該題的考查科學(xué)思維評(píng)價(jià)水平層次對(duì)應(yīng)水平3。

(二)基于科學(xué)思維評(píng)價(jià)框架的試題開發(fā)流程

基于科學(xué)思維評(píng)價(jià)框架的試題開發(fā)流程可以劃分為三個(gè)階段。第一階段主要是依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)、題目中科學(xué)思維要素、SOLO理論進(jìn)行框架構(gòu)建。第二階段是結(jié)合考核目標(biāo)、評(píng)價(jià)框架，選擇合適的素材進(jìn)行題目命制，如要考查力的平衡知識(shí)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的科學(xué)思維水平3，首先選擇合適的素材，然后在模型建構(gòu)、推理論證和質(zhì)疑創(chuàng)新方面考慮命題，三個(gè)要素均要求不能超越水平3，但是至少有一方面達(dá)到水平3。經(jīng)過磨題定稿后，第三階段實(shí)施考試，對(duì)考試結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)題目質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定，可以反過來思考完善物理觀念的評(píng)價(jià)框架。本文所創(chuàng)建的物理觀念評(píng)價(jià)框架經(jīng)過了多次的反饋完善而形成，旨在提供命題的新思路。開發(fā)流程如圖1所示[6]：

圖1 基于科學(xué)思維水平的試題開發(fā)流程圖

三、基于科學(xué)思維水平的命題實(shí)例

【例1】2022年5月15日是負(fù)責(zé)執(zhí)行中國第一次自主火星探測任務(wù)的“天問一號(hào)”探測器成功登陸火星一周年，一年來探測器重點(diǎn)關(guān)注火星上的石坑、火山、峽谷、干涸河床等典型地貌和地質(zhì)單元，并成功獲取其高分辨率影像。下面有關(guān)“天問一號(hào)”描述正確的是( )

A．“天問一號(hào)”從地球發(fā)射升空的時(shí)候速度很小，加速度也很小

B．研究探測器在火星表面運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)時(shí)，可以將其看成質(zhì)點(diǎn)

C．研究“天問一號(hào)”飛往火星的運(yùn)行軌道時(shí)，可以將其看成質(zhì)點(diǎn)

D．探測器靜止在火星表面時(shí)，其相對(duì)于太陽也是靜止的

科學(xué)思維考核目標(biāo)：本題主要考查物理學(xué)科核心素養(yǎng)“科學(xué)思維”中的模型構(gòu)建，題目只涉及常見知識(shí)點(diǎn)速度、加速度和質(zhì)點(diǎn)，每個(gè)選項(xiàng)對(duì)應(yīng)最為簡單的物理模型。該題考查目標(biāo)為核心素養(yǎng)中“科學(xué)思維”的水平2等級(jí)。

評(píng)價(jià)方案：學(xué)生能夠正確選擇C，表明其知道質(zhì)點(diǎn)這個(gè)模型，理解能看成質(zhì)點(diǎn)的條件，能夠從物理學(xué)的視角描述具體問題，其核心素養(yǎng)中“物理觀念”和“科學(xué)思維”達(dá)到水平2。

【例2】如圖2所示，兩個(gè)小孩提起一裝滿水的水桶并保持靜止，已知手臂對(duì)水桶拉力的方向均與豎直方向成30°，水和水桶總質(zhì)量為m，左邊小孩的質(zhì)量為M，重力加速度為g。求：

圖2

(1)小孩手臂受到水桶拉力的大小；

(2)左邊小孩所受地面支持力和摩擦力的大小。

科學(xué)思維考核目標(biāo)：該題的情境是兩人共同提起一裝滿水的水桶，取材于新粵教版物理必修一的插圖，考查的是科學(xué)思維中的物理模型建構(gòu)與科學(xué)推理。該題可采用整體法或者隔離法解題，具有一題多解的特點(diǎn)，但思路較容易聯(lián)想，難度達(dá)到了核心素養(yǎng)中“科學(xué)思維”的水平3等級(jí)。

評(píng)價(jià)方案：第(1)問主要考查學(xué)生能否構(gòu)建出正確的物理模型進(jìn)行受力分析，然后用三力平衡知識(shí)進(jìn)行求解，能夠正確求解出第(1)問的學(xué)生，核心素養(yǎng)中的“科學(xué)思維”水平達(dá)到了水平2等級(jí)；第(2)問需要合理選擇研究對(duì)象，靈活運(yùn)用隔離法或整體法進(jìn)行分析和求解，能夠正確求解出第(2)問的學(xué)生，核心素養(yǎng)中的“科學(xué)思維”達(dá)到水平3等級(jí)。

【例3】如圖3所示，某科學(xué)小組進(jìn)行一風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)，一個(gè)質(zhì)量為m的圓環(huán)套在一根固定的傾斜直桿上，直桿足夠長且與水平方向的夾角為θ，環(huán)與桿的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ(μ

圖3

(1)釋放瞬間圓環(huán)的加速度大小；

(2)圓環(huán)最大加速度和該時(shí)刻對(duì)應(yīng)的速度；

(3)圓環(huán)最大速度。

科學(xué)思維考核目標(biāo)：該題以圓環(huán)套在固定的傾斜直桿上的運(yùn)動(dòng)為情境，在圓環(huán)受到變力、多過程的運(yùn)動(dòng)中，考查學(xué)生對(duì)“物理觀念”中的運(yùn)動(dòng)和相互作用觀的理解以及“科學(xué)思維”中的科學(xué)推理、科學(xué)論證。該題涉及變加速、力的平衡知識(shí)點(diǎn)，需要仔細(xì)閱讀題目抽取關(guān)鍵信息才能建構(gòu)相關(guān)的物理模型，并且要推理出速度變化導(dǎo)致力度變化和加速度變化的具體關(guān)系，難度較大，達(dá)到了“科學(xué)思維”的水平4等級(jí)。

評(píng)價(jià)方案：能正確解答第(1)問的學(xué)生，能在常見的模型中，運(yùn)用牛頓第二定律對(duì)比較簡單的狀態(tài)進(jìn)行分析和求解，核心素養(yǎng)達(dá)到水平2等級(jí)；能正確解答第(2)、第(3)問的學(xué)生，具有清晰的運(yùn)動(dòng)和相互作用觀念，能綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，對(duì)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行正確的分析和推理論證，核心素養(yǎng)達(dá)到水平4等級(jí)。

四、基于科學(xué)思維水平的試題開發(fā)注意事項(xiàng)

(一)應(yīng)靈活變換試題組成要素達(dá)到考核目標(biāo)

一道試題考查學(xué)生的科學(xué)思維等級(jí)水平，可以借助設(shè)問或者調(diào)整題目具體創(chuàng)設(shè)情境來提高等級(jí)或者降低等級(jí)，以達(dá)到需要的考核目標(biāo)。以例3為例，如果要把題目水平降低，則可以設(shè)置為斜面，然后F力改為垂直斜面向下，題目考查水平等級(jí)就相應(yīng)降為水平3；如果要把考核水平升高，則可以對(duì)要素進(jìn)行變換，使圓環(huán)帶電，桿為絕緣桿，然后在垂直于紙面的勻強(qiáng)磁場中自由釋放，再加上平行于斜面的電場，不給電場大小和方向，引入討論內(nèi)容，則題目可以達(dá)到水平5的考核等級(jí)。

另外，一道試題不可能只考查科學(xué)思維水平，還會(huì)涉及物理觀念等其他素養(yǎng)，要使測試試題更為科學(xué)，應(yīng)該制定雙向細(xì)目表，使得試題設(shè)置和組卷更為合理。

(二)考查學(xué)生的科學(xué)思維水平等級(jí)應(yīng)該綜合科學(xué)判斷

為科學(xué)判斷學(xué)生的素養(yǎng)達(dá)成水平，應(yīng)該引入學(xué)生素養(yǎng)達(dá)成度的概念。比如面對(duì)某知識(shí)點(diǎn)的科學(xué)思維水平4的題目，學(xué)生做出具體解答，但不能就妄斷學(xué)生達(dá)到科學(xué)思維水平4的學(xué)業(yè)質(zhì)量等級(jí)，因?yàn)橥粋€(gè)學(xué)生面對(duì)其他科學(xué)思維水平4的題目有可能解答不出，甚至面對(duì)同一個(gè)知識(shí)點(diǎn)別的科學(xué)思維水平4的題目，由于情境設(shè)置、信息設(shè)置不一樣，也有可能解答不出。所以對(duì)學(xué)生的整卷分析應(yīng)該引入學(xué)生素養(yǎng)達(dá)成度的概念，采用百分比的形式呈現(xiàn)，就像我們說一個(gè)學(xué)生拿到70分，可以基本認(rèn)為他掌握了70%的內(nèi)容，同理班級(jí)的得分也可以判斷該班級(jí)科學(xué)思維水平4的達(dá)成度，這樣會(huì)顯得比較科學(xué)合理。

(三)測評(píng)時(shí)盡量采用解答題

要考查學(xué)生的素養(yǎng)水平，具有過程呈現(xiàn)的解答題更具優(yōu)勢(shì)，選擇題看不到學(xué)生的具體作答過程，學(xué)生作答具有一定的偶然性，因此適當(dāng)增加計(jì)算題或者問答題的比例，試卷效度更高。而且計(jì)算題可以設(shè)置梯度，素養(yǎng)等級(jí)可以通過從淺到深的問題進(jìn)行考查，如本文中的例2和例3試題，學(xué)生做出第(1)問，可以認(rèn)為達(dá)到科學(xué)思維水平2等級(jí)，能繼續(xù)順利作答后面的問題則對(duì)應(yīng)達(dá)到水平3或者水平4的更高等級(jí)，這使得測試情況更為精準(zhǔn)；具體作答情況也可以幫助教師更加準(zhǔn)確地判斷學(xué)生做題的素養(yǎng)水平，比如例2第(2)問中學(xué)生可以靈活應(yīng)用整體法、隔離法解答問題，列式表達(dá)也無誤，但是最后結(jié)果出現(xiàn)一點(diǎn)運(yùn)算偏差，導(dǎo)致結(jié)果錯(cuò)誤，也應(yīng)該判斷該生應(yīng)對(duì)本題時(shí)達(dá)到科學(xué)思維素養(yǎng)水平3的等級(jí)。