王俊民 左成光

(1 重慶師范大學(xué)初等教育學(xué)院 重慶 400700； 2 貴陽學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院 貴陽 550005)

科學(xué)推理是科學(xué)思維的一種高級形式，在個體獲取新知識、認(rèn)識世界的過程中起著重要作用，是學(xué)生必備的素養(yǎng)之一，也是生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容。如何界定并測評科學(xué)推理能力一直是心理學(xué)和科學(xué)教育關(guān)注的重要問題。目前，國內(nèi)外使用比較廣泛的是由美國Lawson教授1978年開發(fā)并在2000年修訂的“Lawson科學(xué)推理測試”(LCTSR)量表，該量表從守恒、比例推理、控制變量、組合推理、概率推理、相關(guān)性推理和假設(shè)演繹推理7個維度測量青少年的科學(xué)推理能力[1]。然而，這一量表對于學(xué)科情境下的科學(xué)推理測評顯得力不從心。本研究以加拿大“泛加拿大評估項(xiàng)目(PCAP)”為研究對象，重點(diǎn)關(guān)注其對科學(xué)推理能力的界定與測評，以期能夠?yàn)閷W(xué)科情境下的科學(xué)推理能力測評提供新的視角與思路。

1 加拿大PCAP評估項(xiàng)目簡介

PCAP是由加拿大教育部長理事會負(fù)責(zé)的一個國家評估項(xiàng)目，該項(xiàng)目自2007年開始運(yùn)行，目的是幫助加拿大人了解教育系統(tǒng)在滿足學(xué)生和社會需求方面的情況，評估信息反饋給各省區(qū)教育部門作為其審視課程以及學(xué)校系統(tǒng)的依據(jù)。

科學(xué)素養(yǎng)測評是PCAP的一個重要測評領(lǐng)域，主要測評學(xué)生科學(xué)學(xué)業(yè)達(dá)到《泛加拿大科學(xué)學(xué)習(xí)成果共同框架》(Common Framework of Science Learning Outcomes K to 12)的程度。2013年和2016年科學(xué)素養(yǎng)測評都只采用紙筆測驗(yàn)，且測評框架相同(圖1)。

圖1 PCAP科學(xué)素養(yǎng)測評框架

可以看出，PCAP科學(xué)素養(yǎng)測評框架由三種素養(yǎng)、四個內(nèi)容領(lǐng)域構(gòu)成。素養(yǎng)如同紐帶連接物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球科學(xué)和科學(xué)本質(zhì)四大內(nèi)容領(lǐng)域，具體表現(xiàn)為科學(xué)探究、科學(xué)推理和問題解決三大綜合能力。2016年P(guān)CAP科學(xué)素養(yǎng)測評框架指出，科學(xué)探究、解決問題和科學(xué)推理三者所占的比例約為34%、 12%和54%?？梢钥闯觯茖W(xué)推理是非常重要的綜合能力。

2 PCAP對科學(xué)推理能力的界定

PCAP科學(xué)素養(yǎng)測評方案指出，科學(xué)推理(Scientific reasoning)指：“能應(yīng)用科學(xué)知識和技能進(jìn)行科學(xué)地推斷(reason)和建立聯(lián)系，進(jìn)而幫助決策，解決與科學(xué)、技術(shù)、社會和環(huán)境相關(guān)的問題。”科學(xué)推理涉及比較、理性解釋或使用現(xiàn)有的理論或推論進(jìn)行推斷。具備這一素養(yǎng)表現(xiàn)在： 能運(yùn)用他們的科學(xué)知識、技能和對科學(xué)本質(zhì)的理解做出明智的、基于證據(jù)的決定；能得出結(jié)論或與現(xiàn)有的理論或觀點(diǎn)進(jìn)行比較；能識別問題或事件，并尋求解決問題或事件的科學(xué)知識。具體表現(xiàn)為： 識別模式；形成合理論據(jù)；驗(yàn)證結(jié)論；判斷論據(jù)的有效性；依據(jù)證據(jù)建立有效論據(jù)和解釋；聯(lián)系科學(xué)觀點(diǎn)，建立彼此相關(guān)聯(lián)的整體；根據(jù)證據(jù)進(jìn)行推理，為指定問題做出明智決策；使用推理幫助理解科學(xué)相關(guān)的問題；基礎(chǔ)證據(jù)提供做出決策的理由；針對某一問題做出決策的依據(jù)及局限性；開發(fā)和使用模型；表現(xiàn)出對基于證據(jù)的知識的尊重和支持；對與科學(xué)相關(guān)的問題表現(xiàn)出興趣和察覺意識。

可以看出，PCAP對科學(xué)推理的界定十分廣泛，體現(xiàn)在識別數(shù)據(jù)中的模式、驗(yàn)證結(jié)論等多個過程中，甚至包括“表現(xiàn)出對基于證據(jù)的知識的尊重和支持”和“對與科學(xué)相關(guān)的問題表現(xiàn)出興趣和察覺意識”兩項(xiàng)情感態(tài)度維度的要求。與我們通常所使用的“科學(xué)探究能力”對比，可以發(fā)現(xiàn)，PCAP所界定的科學(xué)推理實(shí)際上體現(xiàn)在科學(xué)探究的整個過程當(dāng)中，所強(qiáng)調(diào)的就是基于“證據(jù)”的推斷與決策。

3 PCAP科學(xué)推理能力測評試題探析

以下將通過兩道試題具體說明PCAP如何測評科學(xué)推理能力。

3.1 試題A 長頸鹿有非常長的脖子，可以幫助它吃到金合歡樹葉。長頸鹿自身的一些功能可以減少這一長脖所帶來的問題。長頸鹿的血壓是所有動物中最高的，這能使血液到達(dá)大腦。它的脖子周圍有非常緊密的皮膚，可以防止血液積聚，幫助血液循環(huán)回到心臟。

問題1 長頸鹿和金合歡樹都是由細(xì)胞構(gòu)成的。通過識別細(xì)胞的類型來比較這兩個有機(jī)體的細(xì)胞，并說出它們的一個相似點(diǎn)和一個差異。

生物細(xì)胞類型相似點(diǎn)不同點(diǎn)金合歡樹長頸鹿

問題2 描述生物的四個特征。

解析： 試題A的兩個問題均測評學(xué)生的科學(xué)推理水平。問題1要求學(xué)生基于背景描述和圖片正確識別細(xì)胞的類型并描述動物細(xì)胞和植物細(xì)胞的相同點(diǎn)與不同點(diǎn)。對于八年級學(xué)生來說，識別細(xì)胞的類型是比較容易的，對應(yīng)科學(xué)推理的“識別模式”，而在此基礎(chǔ)上回憶或聯(lián)系所學(xué)的相關(guān)內(nèi)容寫出兩種類型細(xì)胞的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)則有一定的難度，尤其是兩者的不同。例如有學(xué)生回答“植物細(xì)胞有可以起到保護(hù)作用的細(xì)胞壁而動物細(xì)胞沒有”，這說明學(xué)生很好地建立了所學(xué)內(nèi)容之間的聯(lián)系。問題2要求學(xué)生根據(jù)背景描述生物的四個特征，如需要營養(yǎng)、適應(yīng)環(huán)境、反應(yīng)、繁殖等。學(xué)生可以根據(jù)“長頸鹿吃樹葉”這一情境推測動物需要營養(yǎng)，從“長頸鹿長長的脖子”“高血壓”以及“緊密的皮膚”推測出“適應(yīng)環(huán)境”，同時需要回顧所學(xué)內(nèi)容或常識建立聯(lián)系或進(jìn)行推理。這一試題考查學(xué)生是否能夠基于證據(jù)進(jìn)行推理以及能否聯(lián)系相關(guān)觀點(diǎn)建立科學(xué)聯(lián)系。

3.2 試題B(糖尿病) 當(dāng)我們吃含有碳水化合物的食物時，身體會將這些碳水化合物分解成糖，來供給我們運(yùn)動所需要的能量和細(xì)胞的生長與修復(fù)。組織細(xì)胞對葡萄糖的攝取和利用需要胰島素。

糖尿病是由于血液中的葡萄糖吸收發(fā)生障礙而引起的一種疾病。糖尿病有兩種類型。

類型1●機(jī)體不能正常分泌胰島素●由遺傳因素引起●通常見于幼兒類型2●體內(nèi)細(xì)胞不能正常使用胰島素●細(xì)胞不能有效地吸收糖●更常見于超重的人,有高血壓和膽固醇,或者有糖尿病家族史的人●通常發(fā)生在老年人●越來越多的年幼兒童成為患者

問題1 下面哪個陳述所描述的情況會導(dǎo)致兒童患類型2糖尿病的可能性增加？

A. 孩子們接觸到了越來越多的污染

B. 孩子們經(jīng)?？措娨暫屯骐娮佑螒?/p>

C. 兒童吃更多含糖量高的食物，鍛煉少

D. 由于接觸其他兒童，兒童患病的可能性增加

問題2 吃飯后，健康人的血糖水平會隨著食物的分解而緩慢增加，然后由于身體的細(xì)胞消耗糖類又使血糖水平下降，如下圖所示。

營養(yǎng)學(xué)家建議，除了每日三餐外，在上午和下午的中間時間段可以適當(dāng)吃一些小餅干。在下面的方格中建立一個圖表來表示一個健康人的血糖水平變化情況，這個人24 h的飲食模式即專家建議的模式。在相應(yīng)的位置寫出標(biāo)題和標(biāo)簽。

問題3 在問題2中，假設(shè)這個人是糖尿病患者，你畫出的草圖會有什么不同，請解釋說明。

問題4 對糖尿病患者最好的飲食菜單同樣有益于每個人的健康飲食。健康飲食包括脂肪、蛋白質(zhì)和碳水化合物的組合，但比例不相等。分析下頁的兩種營養(yǎng)方案，選擇你認(rèn)為更健康的方案，說明理由。

更健康的食物選擇是

□方案1 □方案2

解釋你的答案：

解析： 試題B的四個問題中，除問題2測量學(xué)生的科學(xué)探究能力外，其余三個小題均測量學(xué)生的科學(xué)推理水平。問題1要求學(xué)生基于題干信息推理得出兒童患糖尿病的數(shù)量增加的原因，需要學(xué)生首先“識別”題干中描述的信息，然后基于此理解與科學(xué)相關(guān)的問題。問題2要求學(xué)生基于提供的圖表畫出草圖來說明一個正常人三餐(高峰值)和兩次小吃(低峰)后的血糖水平，并寫出標(biāo)題、縱橫軸標(biāo)簽和單位，是對科學(xué)探究能力的評價。問題3要求學(xué)生基于對正常人和糖尿病患者的理解描述兩種情況下草圖的差異并基于證據(jù)做出解釋，學(xué)生需要理解圖形所代表的含義并對兩種情況做出比較，進(jìn)而進(jìn)行推理，說明圖形的特征變化，例如學(xué)生可能會回答“圖形會變得比較平坦”“圖形的峰與谷之間的差異會比較少”等，做出解釋需要使用題目提供的已有信息，如“組織細(xì)胞對葡萄糖的攝取和利用需要胰島素”；有學(xué)生回答“由于缺少胰島素，對糖的吸收少”等，這不僅是利用已有證據(jù)進(jìn)行推理的體現(xiàn)，同時也是建立知識聯(lián)系的過程。問題4要求學(xué)生從兩種飲食方案中選擇一種并解釋選擇的理由。根據(jù)評分規(guī)則，這一問題相對較為開放，學(xué)生可以選擇方案1或者方案2，但是一定要有充分的理由來進(jìn)行解釋，關(guān)注的重點(diǎn)在于“基于證據(jù)”。

方案1方案2數(shù)量每日攝入量數(shù)量每日攝入量卡路里260130脂肪/脂肪族化合物13g20%5g8%飽和脂肪酸3g25%3g21%不飽和脂肪酸2g0 g膽固醇30mg0mg鈉660mg28%15mg1%碳水化合物31 g10%17 g6%纖維素0 g0%2g4%糖5g16g蛋白質(zhì)5g2g維生素A4%0%維生素C2%0%鈣15%4%鐵4%2%注: 每一杯(250 mL)的營養(yǎng)價值

3.3 試題特點(diǎn)分析 綜合試題A和試題B可以看出，PCAP針對科學(xué)推理的試題設(shè)計具有如下特點(diǎn)：

(1) 以“試題單元”形式呈現(xiàn)試題，圍繞一定的背景設(shè)置多個問題。以上兩道試題樣例均是圍繞一個主題創(chuàng)設(shè)一定的情境，然后提出多個問題要求學(xué)生進(jìn)行作答，這些問題的作答往往需要提取背景信息所提供的相關(guān)信息。在PCAP測評方案中，這種試題呈現(xiàn)形式被稱為“評估單元”，包括一個適當(dāng)?shù)那榫澈途唧w的問題。評估單元的情境一般是開放性的，每個單元包括3～5個測試問題，每個測試問題評估一種能力，對應(yīng)一個內(nèi)容領(lǐng)域(含科學(xué)的本質(zhì))。

(2) 題型比較靈活，具有一定的開放性。從以上兩道試題可以看出，PCAP的一個評估單元中可能涉及多種題型，如選擇、畫圖和簡答等。PCAP指出，要測量復(fù)雜的和整合性的技能，通常需要多樣的試題類型，這樣既能很好地反映學(xué)生的學(xué)業(yè)獲得，又能在較大程度上測量學(xué)生的復(fù)雜技能。根據(jù)PCAP測評方案，科學(xué)素養(yǎng)測評題型主要包括選擇類和簡短構(gòu)建類，選擇類試題除了傳統(tǒng)的單選題外，還包括判斷類試題，要求學(xué)生判斷某一描述或結(jié)論的正確性。構(gòu)建類試題要求學(xué)生寫出答案，答案可以是一個簡單的短語，也可以是兩到三個句子，還可以是若干個片段，也可能要求學(xué)生根據(jù)要求畫表格、圖表、圖示或設(shè)計實(shí)驗(yàn)。

(3) 關(guān)注“基于證據(jù)”做出推斷的能力。從兩道試題可以明顯看出，PCAP對科學(xué)推理的評價正是圍繞其對科學(xué)推理的界定展開的，由于對科學(xué)推理的界定比較廣泛，學(xué)生應(yīng)用也比較多，包括從試題情境中識別模式、建立聯(lián)系、做出解釋等，所關(guān)注的是學(xué)生能否基于所提供的信息做出“推斷”的能力，而這種能力都是在一定的具體情境中表現(xiàn)出來，且與科學(xué)探究能力交叉進(jìn)行評估的。

4 總結(jié)與啟示

PCAP對科學(xué)推理的測評對生物學(xué)科科學(xué)思維的界定與測評試題設(shè)計具有一定啟示。

(1) 明確科學(xué)思維的基本內(nèi)容，引導(dǎo)教學(xué)關(guān)注科學(xué)推理能力的培養(yǎng) 目前，國際上對于科學(xué)推理的理解還沒有形成一致觀點(diǎn)，有些觀點(diǎn)甚至將科學(xué)推理與科學(xué)思維或科學(xué)論證等同，這使科學(xué)思維的教學(xué)存在很大困難。生物學(xué)教學(xué)需要基于學(xué)科特征，明確科學(xué)思維的基本要素和每個要素的內(nèi)涵與結(jié)構(gòu)，建立與具體內(nèi)容的聯(lián)系，引導(dǎo)教師在教學(xué)中關(guān)注科學(xué)推理等思維能力的發(fā)展。

(2) 學(xué)業(yè)測評基于具體的情境設(shè)計多個問題，以“試題單元”的形式呈現(xiàn)試題 發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)要求對學(xué)生學(xué)業(yè)和能力的測評要基于一定的情境，關(guān)注學(xué)生在復(fù)雜情境下解決問題的綜合能力而非對知識的記憶。PCAP以“試題單元”形式呈現(xiàn)的試題關(guān)注情境設(shè)計，基于情境設(shè)計多個相關(guān)的問題，可以層層遞進(jìn)地考查學(xué)生對知識的深入理解以及能否建立聯(lián)系并進(jìn)行綜合應(yīng)用的能力，有一定借鑒價值。

(3) 學(xué)業(yè)測評關(guān)注“基于證據(jù)”做出推斷或決策的能力，引導(dǎo)教學(xué)落實(shí)科學(xué)思維目標(biāo) 普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)指出，“學(xué)生應(yīng)該在學(xué)習(xí)過程逐步發(fā)展科學(xué)思維能力，如能夠基于生物學(xué)的事實(shí)和證據(jù)運(yùn)用歸納與概括、演繹與推理……”，科學(xué)思維評價對教學(xué)實(shí)踐起著直接的引導(dǎo)作用。生物學(xué)科學(xué)業(yè)測評可以借鑒PCAP對科學(xué)推理的界定與測評經(jīng)驗(yàn)，從關(guān)注學(xué)生“基于證據(jù)”做出假設(shè)、建立聯(lián)系、做出推斷與解釋、進(jìn)行決策等能力出發(fā)，引導(dǎo)教學(xué)落實(shí)科學(xué)思維目標(biāo)。