閆白洋
數(shù)學(xué)、生物、物理、化學(xué)等學(xué)科的核心素養(yǎng),均將科學(xué)思維作為重要內(nèi)容??茖W(xué)思維是進(jìn)行科學(xué)探究、建構(gòu)科學(xué)概念、解決科學(xué)問題所必需的品質(zhì),能促進(jìn)學(xué)生其他智力能力的持續(xù)發(fā)展。[1]對科學(xué)思維能力的正確評價(jià)是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力的重要保障。
《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017 年版)》[2]的“學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)”部分對“科學(xué)思維”進(jìn)行了描述,包括“利用科學(xué)思維方法形成和闡釋生物學(xué)概念和內(nèi)涵”“利用科學(xué)思維方法探討、審視或論證情境中的生物學(xué)問題”“對于爭議的社會(huì)議題通過邏輯推理闡明自己的立場,做出決策解決問題”,等等。這里涉及的科學(xué)思維方法主要有歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創(chuàng)造性思維等。
在學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的水平劃分中,對科學(xué)思維核心素養(yǎng)4 個(gè)水平的描述呈現(xiàn)出明顯的學(xué)習(xí)進(jìn)階,其進(jìn)階的類型主要是學(xué)習(xí)內(nèi)容和行為動(dòng)詞的進(jìn)階。以生物學(xué)科為例,在學(xué)習(xí)內(nèi)容描述中:水平一和水平二內(nèi)容是“分子與細(xì)胞”“遺傳與進(jìn)化”模塊;水平三和水平四內(nèi)容增加了“穩(wěn)態(tài)與調(diào)節(jié)”“生物與環(huán)境”和“生物工程與技術(shù)”模塊。在行為動(dòng)詞描述中:水平一是“認(rèn)識”“理解”“解釋”;水平二是“說明”“探討”“闡明”;水平三是“審視”“論證”“決策”;水平四是“闡釋”“論述”“解決問題”。根據(jù)布盧姆的教育目標(biāo)分類,記憶、理解和應(yīng)用等能力屬于低階科學(xué)思維能力;分析、評價(jià)和創(chuàng)造等能力屬于高階思維能力。[3]
高階科學(xué)思維是學(xué)生整合已有的結(jié)構(gòu)化知識和技能,開展嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶骄炕顒?dòng),創(chuàng)造性地解決復(fù)雜情境任務(wù)時(shí)所表現(xiàn)的思維方式。養(yǎng)成高階科學(xué)思維也是發(fā)展學(xué)生生物學(xué)科核心素養(yǎng)的重要目標(biāo)。因此,國際和國內(nèi)教育改革均把培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力視為重要的發(fā)展方向。國際大規(guī)模教育質(zhì)量評價(jià)項(xiàng)目如PISA、TIMSS 等均十分關(guān)注對學(xué)生高階思維能力的評價(jià),高階思維能力也是上海市中小學(xué)學(xué)業(yè)質(zhì)量綠色指標(biāo)綜合評價(jià)的指數(shù)之一。本文以生物學(xué)科為例,通過編制結(jié)構(gòu)不良試題測評學(xué)生的高階科學(xué)思維能力,探索和實(shí)踐測評高階思維能力的一種新的命題方式。
當(dāng)前,我國測評學(xué)生的科學(xué)思維大多采用結(jié)構(gòu)良好的試題(well-structured problem),這類試題的設(shè)問和題給條件明確、答案明確、初始狀態(tài)明確、目標(biāo)狀態(tài)和算子明確[4],比如“分析某遺傳病的家族系譜圖,判斷該遺傳病的類型”,這類結(jié)構(gòu)良好的試題因命題容易、聚焦特定概念、答案唯一而被廣泛接受。與此同時(shí),結(jié)構(gòu)良好的問題具有明確的條件、目標(biāo)和解答,在測評學(xué)生低階思維能力時(shí)有著廣泛的應(yīng)用。但是,結(jié)構(gòu)良好的試題相對較簡單,很難測評學(xué)生廣泛而靈活地將知識遷移到具體情境中解決實(shí)際問題的能力,不利于測評學(xué)生的高階科學(xué)思維能力。由此,美國科學(xué)教育界在關(guān)注結(jié)構(gòu)良好試題的同時(shí),也關(guān)注了結(jié)構(gòu)不良試題對學(xué)生高階科學(xué)思維的培養(yǎng)和測評。[4]
與結(jié)構(gòu)良好試題相比,結(jié)構(gòu)不良試題(illstructured problem)的主要特征有:(1)問題條件或數(shù)據(jù)部分呈現(xiàn)冗余;(2)問題目標(biāo)界定不明確、不清晰;(3)解決方法、途徑是不熟悉的或多樣化的;(4)所涉及的概念和原理等不確定;(5)答案是多樣的、開放的;(6)需要學(xué)習(xí)者表達(dá)個(gè)人對問題的觀念或信念;(7)涉及真實(shí)的生活情境,需借助生活常識等。試題的結(jié)構(gòu)不良程度可以有所不同,具備上述一種或多種特征的試題,均被認(rèn)為是結(jié)構(gòu)不良試題。[4][5]
學(xué)生在解答結(jié)構(gòu)不良試題時(shí),通常需要遵循以下步驟。
第一,表征問題。學(xué)生首先要確定問題的性質(zhì)。由于結(jié)構(gòu)不良問題可以有多個(gè)表征,因此學(xué)生需要去審視和決策試題中的主要信息,選擇自己認(rèn)可的試題表征維度,并進(jìn)行闡釋和論證。
第二,解決問題。學(xué)生需要生成一些解決方案,這要求他們具有發(fā)散性思維和創(chuàng)造性思維,能將已有知識和問題建立聯(lián)系,提出多個(gè)解決方案,并論述各個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
第三,監(jiān)控與評價(jià)。解決結(jié)構(gòu)不良試題很大程度上要依靠批判性和創(chuàng)造性等思維,因此,學(xué)生在解決試題的過程中需要不斷地反思,在評價(jià)解決問題時(shí)判斷選擇的信息、解決方案及價(jià)值觀念等的正確性。
結(jié)構(gòu)不良試題的特征決定了僅僅通過簡單的信息提取是無法解決問題的,學(xué)生需要對試題信息進(jìn)行篩選、提取、判定,并進(jìn)行理解和內(nèi)化,與已有結(jié)構(gòu)化知識和技能相聯(lián)系,多角度、多維度地去思考問題,只有這樣才能提出解決問題的方法。這個(gè)過程必然需要學(xué)生借助批判性、創(chuàng)造性等更高水平的思維過程實(shí)現(xiàn)問題的解決,所以結(jié)構(gòu)不良試題可以實(shí)現(xiàn)對學(xué)生高階科學(xué)思維能力的評價(jià)。[6]
基于結(jié)構(gòu)不良試題的特征及對高階科學(xué)思維能力的測評要求,筆者借助紙筆測試的考查形式,以生物學(xué)科為例,探索了以下4 類結(jié)構(gòu)不良試題的命制。
真實(shí)情境是結(jié)構(gòu)不良試題的重要特征之一。生活中的真實(shí)情境更為復(fù)雜多樣,結(jié)構(gòu)良好的試題也可來自真實(shí)的情境,但大多是經(jīng)過加工處理的。而結(jié)構(gòu)不良試題的真實(shí)情境多是“原生態(tài)”情境,可能會(huì)有冗余的信息,或者缺少必要的信息,或者試題信息指向不夠明確等。解答此類試題時(shí),學(xué)生僅僅通過簡單的記憶、理解等低階科學(xué)思維是無法完成的,而是需要多角度地思考問題,通過分析、評價(jià)和創(chuàng)造性等高階科學(xué)思維方式想出多種可能的解決方案,這最終能實(shí)現(xiàn)對學(xué)生高階思維能力的測評。
真實(shí)生活情境可以是學(xué)生真實(shí)發(fā)生的事件,也可以是新聞傳播的真實(shí)事件。選擇好試題信息后,命題者不需要對信息進(jìn)行刻意的加工和處理,而是盡量保證情境的原生態(tài),在設(shè)計(jì)問題時(shí),則需要結(jié)合情境內(nèi)容、生物學(xué)重要概念、科學(xué)思維的內(nèi)涵及各水平表現(xiàn)等。
例1:在抗生素抑菌實(shí)驗(yàn)過程中,a、b、c、d 共4 張形狀、大小均相同的無菌濾紙片分別貼浸有濃度相同的不同抗生素和無菌水溶液,然后放在涂布有大腸桿菌的培養(yǎng)基上,培養(yǎng)數(shù)天后的結(jié)果如圖1。分析a 和b 無菌濾紙所浸抗生素抑菌效果大小,并說明理由。(由2015 年上海生物學(xué)科高考試題改編)
圖1
例1 來自真實(shí)的微生物抑菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果。如果是在結(jié)構(gòu)良好的試題中,命題者會(huì)忽略b 濾紙周圍不規(guī)則的透明圈,僅畫出圓形的透明圈,這樣學(xué)生只需要借助簡單的對比和分析等低階思維就可以作答。而在例1 中,b 濾紙周圍出現(xiàn)不規(guī)則的透明圈,其原因很有可能是b 濾紙放在培養(yǎng)基上時(shí),沒有瀝干,因此出現(xiàn)“逗號”狀透明圈。在解答例1 時(shí),學(xué)生需要利用演繹和推理,以及批判性思維來完成解答。
例1 的答案是:a 和b 無菌濾紙所浸抗生素抑菌效果相同,因?yàn)閍 和b 無菌濾紙周圍透明圈的大小相同,b 無菌濾紙出現(xiàn)不規(guī)則透明圈,是因?yàn)樵诓僮鬟^程中,沒有瀝干所致,并不能代表其抑菌效果強(qiáng)。
例2:W 是一位52 歲的男性,患有血中丙種球蛋白缺乏癥(XLA),這是一種B 淋巴細(xì)胞缺失所造成的免疫缺陷性疾病。據(jù)調(diào)查,W 的前輩正常,從W 這一代起出現(xiàn)患者,且均為男性,W 這一代的配偶均不攜帶致病基因,W 的兄弟在41歲時(shí)因該病去世。W 的姐姐生育了4 子1 女,兒子中3 個(gè)患有該病,其中2 個(gè)兒子在幼年時(shí)因該病夭折。判斷W 女兒的基因型是什么,并說明理由。(由2014 年上海生物學(xué)科高考試題改編)
例2 選擇了一個(gè)遺傳病家族信息,描述了家族成員的患病情況。為了保持情境的真實(shí)性,題干描述較為復(fù)雜、詳細(xì),甚至冗余。如果改編成結(jié)構(gòu)良好的試題,命題者可以去除很多信息,只需提供“在XLA 遺傳病某家族系譜中,患者W 的前輩正常,從W 這一代起出現(xiàn)患者,且均為男性,W這一代的配偶均不攜帶致病基因,W 姐姐生育了患病的兒子和正常的女兒”,考生即可以通過簡單的已有訓(xùn)練的模式進(jìn)行推理:XLA 是X 染色體隱性遺傳病,W 的基因型是XbY,W 配偶基因型是XBXB,因此,W 女兒的基因型是XBXb。
類似的結(jié)構(gòu)良好試題雖然可以測評學(xué)生對遺傳病判定、簡單的推理等思維,但很難測評學(xué)生的高階科學(xué)思維能力。而例2 的結(jié)構(gòu)不良試題在解答的過程中,需要學(xué)生選擇性地甄別情境中信息,提煉出“男女患病情況不同,且正常夫妻可以生出患病孩子”等信息,并對這些信息進(jìn)行重新組合,推理和演繹出該病的遺傳方式及W 女兒的基因型。
結(jié)構(gòu)不良試題的情境內(nèi)容、題干信息、解決方法及試題答案等都具有一定的開放性,這類試題通常有多種解決方案。結(jié)構(gòu)不良試題就像人們在日常生活中面臨的問題,如電工檢修電路故障等實(shí)際問題,出現(xiàn)故障的部分是不確定的,目標(biāo)是不清晰的,也沒有足夠的信息來解決這些問題[7],因而結(jié)構(gòu)不良試題的設(shè)計(jì)具有開放性且答案具有不唯一性。
例3:東海原甲藻與中肋骨條藻是我國近海主要的兩個(gè)赤潮藻種,幾乎每年都會(huì)引發(fā)大規(guī)模的赤潮,對海洋養(yǎng)殖業(yè)構(gòu)成極大威脅。為了解浮游植物種間競爭在赤潮發(fā)生中的作用,研究者設(shè)計(jì)了東海原甲藻與中肋骨條藻的共培養(yǎng)實(shí)驗(yàn),結(jié)果顯示,兩藻分開培養(yǎng)時(shí),成“S”型成長曲線,兩藻共培養(yǎng)時(shí),中肋骨條藻數(shù)量正常增長,而東海原甲藻數(shù)量下降??赡艿脑蚴裁矗?/p>
例3 基于一個(gè)真實(shí)的科研成果,讓學(xué)生根據(jù)情境中的內(nèi)容思考“兩藻共培養(yǎng)時(shí),中肋骨條藻數(shù)量正常增長,而東海原甲藻數(shù)量下降”的原因。試題聚焦生物種間競爭的原理,但給出的信息較少,需要學(xué)生采用發(fā)散性思維去回答多個(gè)可能性問題,答案多樣、開放,可以測評學(xué)生的發(fā)散性思維和創(chuàng)造性思維能力。
例3 的答案可以是中肋骨條藻和東海原甲藻競爭營養(yǎng),并且中肋骨條藻競爭力更強(qiáng),因此數(shù)量正常增長;可以是中肋骨條藻可能會(huì)產(chǎn)生某些物質(zhì)抑制東海原甲藻的生長;也可以是中肋骨條藻和東海原甲藻在競爭生長空間時(shí),中肋骨條藻繁殖能力更強(qiáng);等等。
例4:一對表型正常的夫婦生育了一個(gè)智障的兒子,其兩對染色體如圖2 所示,據(jù)圖判斷父親表型正常的原因是什么?(由2015 年上海生物學(xué)科高考試題改編)
圖2
例4 需要學(xué)生根據(jù)圖2 解釋“父母表型正常,而兒子患病”的原因。據(jù)圖2 可以看出:母親染色體是完全正常的;父親染色體出現(xiàn)了易位但表型正常,可能的原因有多個(gè),可能是易位的染色體片段不控制性狀,或者易位的染色體片段可以正常表達(dá),或者易位的染色體控制性狀是隱性的。而根據(jù)“兒子患病”這一條件,學(xué)生可以推測易位基因能控制生物性狀,所以答案只能是后面兩個(gè),即易位的染色體片斷可以正常表達(dá),或易位的染色體控制性狀是隱性的。例4 可以實(shí)現(xiàn)對學(xué)生批判性思維等高階科學(xué)思維的測評。
此類結(jié)構(gòu)不良試題可以讓學(xué)生根據(jù)真實(shí)情境,表達(dá)對問題的觀點(diǎn),在表達(dá)過程中可以看出學(xué)生的思維方式和表達(dá)能力,如思路是否清晰、表達(dá)的原因是否能夠支持自己的觀點(diǎn)、思考問題是否全面,等等。此類試題通過學(xué)生的表達(dá)可以測評其高階科學(xué)思維能力。
例5:科研人員以甜瓜為對象,研究溫度和CO2濃度對甜瓜光合速率(即光合作用合成有機(jī)物的速率減去呼吸作用消耗有機(jī)物的速率)的影響,結(jié)果如圖3。依據(jù)圖3 中的研究結(jié)果,有人提出兩種可能的控制方案以提高甜瓜產(chǎn)量。方案一:CO2濃度設(shè)定為1.4~1.6mL/L,溫度設(shè)定為30℃。方案二:CO2濃度設(shè)定為大于1.6mL/L,溫度設(shè)定為26℃。其余條件均相同。寫出你認(rèn)可的方案,并說明理由。(由2017 年上海生物學(xué)科等級性考試試題改編)
圖3
例5 要求學(xué)生根據(jù)圖3 信息表達(dá)自己的觀點(diǎn),并寫出支持觀點(diǎn)的理由。從圖3 可以看出:方案一光合速率最大,但是呈現(xiàn)了飽和的趨勢,且夜間溫度較高,酶活性大,細(xì)胞呼吸會(huì)消耗更多的有機(jī)物;方案二,溫度26℃時(shí),CO2濃度在1.4~1.6mL/L 時(shí),光合速率持續(xù)增加,26℃夜間細(xì)胞呼吸相對較小,很有可能有機(jī)物積累得多,但是沒有數(shù)據(jù)支持。無論學(xué)生回答方案一還是方案二,只要理由支持其觀點(diǎn),答案都可以是正確的??疾閷W(xué)生對數(shù)據(jù)的分析,在生活場景中的應(yīng)用,以及闡釋、論證自己的觀點(diǎn),均是高階科學(xué)思維測評關(guān)注的重點(diǎn)。
例6:近日,一則關(guān)于“中國富豪為年輕30歲,花費(fèi)400 萬”的消息在各大網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上引起熱議。4 位中國客人遠(yuǎn)赴烏克蘭,在一家號稱全球唯一可以注射胚胎干細(xì)胞治療的診所開啟他們的續(xù)命計(jì)劃,據(jù)說這個(gè)計(jì)劃是花400 萬打幾針液體胚胎干細(xì)胞,就可以年輕30 歲,這種治療方式開銷巨大,一針將近60 萬。注射胚胎干細(xì)胞在醫(yī)學(xué)上的確能治療多種疾病,但真如報(bào)道中所說的可以年輕續(xù)命嗎?說出你的看法和理由。
例6 要求學(xué)生結(jié)合胚胎干細(xì)胞的知識對社會(huì)熱點(diǎn)闡述自己的觀點(diǎn)。要想完成試題的解答,學(xué)生必須從情境中提煉出相關(guān)概念,利用批判性思維去論證自己的觀點(diǎn),這也屬于高階科學(xué)思維的測評范疇。胚胎干細(xì)胞能夠進(jìn)行細(xì)胞分裂和細(xì)胞分化,具有全能性,但是外源胚胎干細(xì)胞注射人體后會(huì)成為抗原,被免疫排斥,即使不排斥,在血漿的內(nèi)環(huán)境中也無法正常生存,更不能分裂和分化。可見,“年輕續(xù)命”的可能性不大。
結(jié)構(gòu)良好的試題可以明確展示試題考查的生物學(xué)概念是什么,而結(jié)構(gòu)不良的試題會(huì)出現(xiàn)跨生物學(xué)模塊的內(nèi)容,甚至跨學(xué)科的內(nèi)容。根據(jù)學(xué)生對這些結(jié)構(gòu)不良問題的解決程度,命題者很容易測評他們對概念的形成方式、理解方式,以及利用概念解決現(xiàn)實(shí)生活問題的能力,這也是高階科學(xué)思維著重測評的內(nèi)容。
例7:日本科學(xué)家把4 種轉(zhuǎn)錄因子基因引入小鼠的成纖維細(xì)胞,可誘導(dǎo)這種細(xì)胞發(fā)生轉(zhuǎn)化,產(chǎn)生iPS 細(xì)胞,由此獲得2012 年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。iPS 細(xì)胞在形態(tài)、分裂能力、分化能力等方面都與胚胎干細(xì)胞相似。于是,有人產(chǎn)生了用患病者體細(xì)胞制備的iPS 細(xì)胞分裂分化成特定器官,來治療某些人類疾病的設(shè)想。在治療中是否會(huì)出現(xiàn)排斥反應(yīng)?說明原因?(由2016 年教育部核心素養(yǎng)測評試題改編)
例7 源于生物學(xué)科前沿技術(shù),相關(guān)的生物學(xué)概念有基因工程、遺傳信息的表達(dá)、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、特異性免疫等,涉及生物學(xué)4 個(gè)模塊的內(nèi)容。圍繞一個(gè)情境主題,能夠?qū)⑦@個(gè)概念組合起來,并進(jìn)行闡釋和論證自己的觀點(diǎn),本就是一種高階科學(xué)思維能力。例7 可以根據(jù)以下思路解題:iPS 細(xì)胞是通過基因工程的方式向小鼠的成纖維細(xì)胞導(dǎo)入外源基因,這些外源基因在成纖維細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄翻譯成特定蛋白質(zhì),這些蛋白質(zhì)如果出現(xiàn)在細(xì)胞膜上或分泌體外,即使利用自身細(xì)胞形成的iPS 細(xì)胞分裂分化的組織也會(huì)受到免疫排斥,如果沒有出現(xiàn)在細(xì)胞膜上或分泌體外,則不會(huì)出現(xiàn)免疫排斥。
例8:綠色熒光蛋白編碼基因(GFP)作為目的基因,和運(yùn)載體結(jié)合后導(dǎo)入小白鼠受精卵,移植發(fā)育而成且頭部發(fā)熒光的轉(zhuǎn)基因小鼠中,哪些細(xì)胞含有GFP 基因?哪些細(xì)胞含有GFP 蛋白?說出你的理由?(由2017 年上海市生物等級考調(diào)研卷試題改編)
例8 源于基因工程技術(shù),相關(guān)的生物學(xué)概念有基因工程、DNA 復(fù)制、細(xì)胞分裂與分化等,涉及生物學(xué)3 個(gè)模塊內(nèi)容。此題很容易讓學(xué)生誤以為測評的重點(diǎn)是基因工程,其實(shí)應(yīng)該是細(xì)胞分裂和分化。個(gè)體來源于受精卵的細(xì)胞分裂和分化,在細(xì)胞分裂間期,DNA 進(jìn)行復(fù)制,平分到兩個(gè)子細(xì)胞,細(xì)胞分裂使個(gè)體所有體細(xì)胞的DNA 均相同?!邦^部發(fā)熒光的轉(zhuǎn)基因小鼠”是細(xì)胞分裂和分化的產(chǎn)物,其實(shí)質(zhì)是基因選擇性表達(dá),因此,GFP 基因僅在頭部細(xì)胞進(jìn)行表達(dá),也就是說,GFP 基因僅在頭部細(xì)胞進(jìn)行轉(zhuǎn)錄翻譯成GFP 蛋白,所以含有GFP 蛋白的是小鼠頭部細(xì)胞,其他細(xì)胞均不會(huì)有GFP 蛋白。
結(jié)構(gòu)不良試題往往具有真實(shí)情境性,這類試題可能具有如下特點(diǎn):有多余的信息或者缺少必要的條件,概念和原理可能不明確,答案多樣,試題開放,需要學(xué)生表達(dá)自己的觀點(diǎn)等。學(xué)生只有靈活運(yùn)用過去所學(xué)的結(jié)構(gòu)化知識和技能,利用批判性和創(chuàng)造性等高階科學(xué)思維方式,才能解答這類試題。因此,結(jié)構(gòu)不良試題是測評學(xué)生高階科學(xué)思維能力的重要方式。
筆者嘗試對4 種類型的結(jié)構(gòu)不良試題進(jìn)行了命題和測評,結(jié)果發(fā)現(xiàn),結(jié)構(gòu)不良試題注重學(xué)生思維能力和表達(dá)能力的考查,具有較大的開放性,能引起學(xué)生的答題興趣,且區(qū)分度較高。之后通過訪談獲知,很多學(xué)生認(rèn)為結(jié)構(gòu)不良試題與常規(guī)的結(jié)構(gòu)良好試題有較大差異,一些結(jié)構(gòu)良好試題包括很多記憶背誦的內(nèi)容,而且有一定的答題“套路”,通過“刷題”,可以明顯提高得分。而結(jié)構(gòu)不良試題弱化了對知識記憶的考查,強(qiáng)化了理解能力和邏輯思維能力的考查,在測評高階科學(xué)思維時(shí)有著重要價(jià)值。
但是,結(jié)構(gòu)不良試題在命制時(shí)也不能過于模式化,有些結(jié)構(gòu)不良的試題可能出現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上的特征,這需要我們在命題時(shí)靈活處理。而且,命題者在命制結(jié)構(gòu)不良試題時(shí),需要充分考慮評分標(biāo)準(zhǔn),使試題指向明確,具有層次性,只有這樣才能做到試題評分客觀公正。