◎ 閆白洋

為落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)，2017 年版高中課程標(biāo)準(zhǔn)正式提出高中學(xué)科教學(xué)要發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。科學(xué)思維是核心素養(yǎng)的重要組成部分，是智力發(fā)展的最終目標(biāo)。在數(shù)學(xué)、生物、物理、化學(xué)等學(xué)科核心素養(yǎng)中，均將科學(xué)思維作為重要內(nèi)容。科學(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(wèn)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］如何測(cè)量學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)是當(dāng)前我國(guó)課程與教育改革所關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。本文以生物學(xué)科為例，利用“宏觀、微觀和符號(hào)”表征（以下簡(jiǎn)稱“三重表征”）理念，編制試題測(cè)量學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)，為我國(guó)基礎(chǔ)教育培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的研究提供參考。

一、三重表征理念概述

三重表征是由蘇格蘭格拉斯哥大學(xué)科學(xué)教育中心的約翰斯（A.H. Johnstone）教授提出，它是指關(guān)于化學(xué)學(xué)習(xí)的宏觀、微觀和符號(hào)三種水平。他認(rèn)為該理論也適用于物理、生物等其他科學(xué)課程的學(xué)習(xí)。［2］對(duì)于生物學(xué)科的學(xué)習(xí)而言，三重表征是指“宏觀—微觀—符號(hào)”三類知識(shí)在頭腦中的加工過(guò)程和儲(chǔ)存形式：一方面，它是認(rèn)知結(jié)果在大腦中的儲(chǔ)存形式；另一方面，它是學(xué)生在大腦中構(gòu)建、組合、表示當(dāng)前學(xué)習(xí)的知識(shí)，并將其組成有機(jī)整體，形成內(nèi)在聯(lián)系的認(rèn)知活動(dòng)過(guò)程。［3］在三重表征建立和相互轉(zhuǎn)化過(guò)程中，需要學(xué)生能夠基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)運(yùn)用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創(chuàng)造性思維等進(jìn)行論證和探究，這也恰恰是生物學(xué)科核心素養(yǎng)科學(xué)思維的實(shí)質(zhì)，因此可以利用三重表征進(jìn)行測(cè)量科學(xué)思維素養(yǎng)試題的命制。

二、利用三重表征編制測(cè)量科學(xué)思維素養(yǎng)試題的方法

利用三重表征進(jìn)行試題命制時(shí)，以生物學(xué)概念為載體，圍繞著科學(xué)思維素養(yǎng)的內(nèi)涵及測(cè)量水平目標(biāo)，選擇三重表征的建立或者相互轉(zhuǎn)化為切入點(diǎn)，設(shè)計(jì)情境及問(wèn)題，具體流程如圖1 所示。

圖1 利用三重表征測(cè)量學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)試題的編制流程

（一）測(cè)量目標(biāo)的確定

試題測(cè)量目標(biāo)的確定以《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）關(guān)于科學(xué)思維素養(yǎng)和學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的描述為依據(jù)?！墩n程標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)科學(xué)思維素養(yǎng)內(nèi)涵的界定包括“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(wèn)題”“對(duì)于爭(zhēng)議的社會(huì)議題通過(guò)邏輯推理闡明自己的立場(chǎng)，做出決策解決問(wèn)題”等。其中的科學(xué)思維方法主要有歸納與概括、演繹與推理、模型與建模等。如何處理科學(xué)思維內(nèi)涵與科學(xué)思維方法的關(guān)系？現(xiàn)有研究多聚焦于某一種科學(xué)思維方法的測(cè)評(píng)或教學(xué)，比如聚焦于歸納與概括、推理與演繹等。筆者認(rèn)為，上述幾種科學(xué)思維方法并不是獨(dú)立存在的，歸納與概括中也會(huì)有推理與演繹等，完成一個(gè)任務(wù)或者解決一個(gè)實(shí)際問(wèn)題，所利用的科學(xué)思維方法并不是獨(dú)立的。基于此，測(cè)量目標(biāo)的確定不是將科學(xué)思維方法單獨(dú)列出來(lái)進(jìn)行測(cè)量，而是以科學(xué)思維的內(nèi)涵為測(cè)量目標(biāo)，通過(guò)試題的解答情況，判定學(xué)生綜合的科學(xué)思維素養(yǎng)水平，推測(cè)學(xué)生利用某種科學(xué)思維方法的能力。測(cè)量目標(biāo)還要確定所測(cè)量的科學(xué)思維素養(yǎng)不同水平的行為表現(xiàn)，具體如表1 所示。

（二）學(xué)科概念的選擇

學(xué)科概念是科學(xué)思維素養(yǎng)測(cè)量的載體，《課程標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)科學(xué)思維素養(yǎng)內(nèi)涵的描述包括“形成生物學(xué)概念”“利用生物學(xué)概念或原理”等。因此，在試題命制中，根據(jù)測(cè)量目標(biāo)選擇適當(dāng)?shù)纳飳W(xué)概念。在學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)水平劃分中，對(duì)科學(xué)思維素養(yǎng)的四個(gè)水平描述除了行為動(dòng)詞的學(xué)習(xí)進(jìn)階，學(xué)習(xí)內(nèi)容也呈現(xiàn)明顯的進(jìn)階。水平一和水平二要求的生物學(xué)概念是“分子與細(xì)胞”“遺傳與進(jìn)化”模塊。水平三和水平四要求的生物學(xué)概念增加了“穩(wěn)態(tài)與調(diào)節(jié)”“生物與環(huán)境”“生物工程與技術(shù)”模塊?！墩n程標(biāo)準(zhǔn)》的“內(nèi)容要求”將生物學(xué)概念分為大概念、重要概念和次位概念等，生物學(xué)概念均涉及生物學(xué)的三重表征，只是側(cè)重點(diǎn)不同。

（三）表征類型的選擇

選擇表征方式要根據(jù)測(cè)量目標(biāo)和學(xué)科概念選擇最佳測(cè)評(píng)表征類型。就測(cè)量目標(biāo)而言，通常情況下，建議測(cè)量水平一和水平二選擇三重表征進(jìn)行試題命制，測(cè)量水平三和水平四選擇三重表征之間相互轉(zhuǎn)化進(jìn)行試題命制。三重表征設(shè)計(jì)的試題可以是流程、機(jī)制、途徑等，可以給學(xué)生呈現(xiàn)生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)的表征內(nèi)容，讓學(xué)生根據(jù)表征內(nèi)容，運(yùn)用科學(xué)思維方法建立生物學(xué)概念或規(guī)律，或者根據(jù)情境要求，改變表征的內(nèi)容的某個(gè)條件，讓學(xué)生運(yùn)用適當(dāng)?shù)目茖W(xué)思維方法去預(yù)測(cè)結(jié)果和趨勢(shì)，并做出解釋。三重表征之間相互轉(zhuǎn)化中，可以進(jìn)行兩個(gè)表征之間的相互轉(zhuǎn)換。例如，宏觀和微觀的轉(zhuǎn)換，可以是通過(guò)微觀表征解釋或預(yù)測(cè)宏觀現(xiàn)象，也可以是通過(guò)宏觀表征驗(yàn)證或修訂微觀解釋等，還可以進(jìn)行三個(gè)維度的轉(zhuǎn)化。

表1 科學(xué)思維素養(yǎng)內(nèi)涵及各水平行為表現(xiàn)

（四）情境設(shè)計(jì)

當(dāng)前國(guó)際重要科學(xué)測(cè)評(píng)項(xiàng)目，如PISA、NAEP、TIMSS 等，均強(qiáng)調(diào)在真實(shí)的情境中運(yùn)用知識(shí)和技能解決真實(shí)問(wèn)題的能力。測(cè)量學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)的最佳途徑是在真實(shí)情境下，測(cè)量學(xué)生解決問(wèn)題所表現(xiàn)的科學(xué)思維素養(yǎng)水平。

生活中存在不同復(fù)雜程度的情境。從簡(jiǎn)單情境中可以比較容易地分析信息，明確任務(wù)，解決問(wèn)題，適合測(cè)量低水平的科學(xué)思維素養(yǎng)。復(fù)雜開(kāi)放的情境則需要整合相關(guān)概念和原理，綜合利用科學(xué)思維方法才能解決問(wèn)題，可以測(cè)量高水平的科學(xué)思維素養(yǎng)。在設(shè)計(jì)情境時(shí)，首先要尋找科學(xué)思維素養(yǎng)表現(xiàn)與真實(shí)情境之間的結(jié)合點(diǎn)；其次要確定恰當(dāng)?shù)那榫吵尸F(xiàn)方式，在明確科學(xué)思維素養(yǎng)與設(shè)計(jì)情境的內(nèi)在關(guān)系后，從問(wèn)題解決過(guò)程的角度審視情境的呈現(xiàn)或表述方式，要呈現(xiàn)影響到情境（任務(wù)）對(duì)目標(biāo)行為或表現(xiàn)引發(fā)的特征，并選擇適度的支撐性資料或數(shù)據(jù)，這些資料可以是文字描述，也可以設(shè)計(jì)圖表呈現(xiàn)數(shù)據(jù)；最后應(yīng)遵循情境的真實(shí)性、靶向性、廣泛性和新穎性等原則，情境的來(lái)源可以是科研論文、新聞報(bào)道、社會(huì)熱點(diǎn)、科學(xué)史和生活經(jīng)驗(yàn)等。在設(shè)計(jì)情境時(shí)，需要對(duì)情境資料進(jìn)行加工處理，比如科研論文情境，建立素材與試題目標(biāo)、學(xué)科內(nèi)容之間的聯(lián)系，可以通過(guò)簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)分組、實(shí)驗(yàn)步驟、圖表數(shù)據(jù)等方法去除無(wú)關(guān)信息，進(jìn)而完善情境的呈現(xiàn)方式和內(nèi)容。

（五）問(wèn)題設(shè)計(jì)

對(duì)于科學(xué)思維素養(yǎng)測(cè)量來(lái)說(shuō)，通常設(shè)計(jì)的題型是選擇題（單項(xiàng)選擇題和多項(xiàng)選擇題）、填空題、簡(jiǎn)答題和論述題。選擇題、填空題和簡(jiǎn)答題通常用于測(cè)量低水平的科學(xué)思維素養(yǎng)。論述題可以測(cè)量高水平的科學(xué)思維素養(yǎng)和學(xué)生的表述能力。因此，建議在測(cè)量低水平科學(xué)思維素養(yǎng)時(shí)可以設(shè)計(jì)選擇題、填空題和簡(jiǎn)答題，測(cè)量高水平科學(xué)思維素養(yǎng)時(shí)要設(shè)計(jì)論述題。例如，利用“中國(guó)富豪為年輕30 歲，花費(fèi)400萬(wàn)遠(yuǎn)赴烏克蘭注射胚胎干細(xì)胞”測(cè)量“運(yùn)用科學(xué)思維對(duì)有爭(zhēng)議的社會(huì)議題闡明立場(chǎng)，做出決策并解決問(wèn)題”的能力時(shí)，對(duì)應(yīng)測(cè)量科學(xué)思維素養(yǎng)水平一時(shí)，可以設(shè)計(jì)填空題，讓學(xué)生判斷是否認(rèn)可這件事情；測(cè)量科學(xué)思維素養(yǎng)水平四時(shí)，可以設(shè)計(jì)論述題，讓學(xué)生對(duì)這一有爭(zhēng)議的社會(huì)事件做出分析，并闡述自己的觀點(diǎn)。

（六）水平判定

科學(xué)思維素養(yǎng)水平判定時(shí)，可以采用SOLO 分類理論。SOLO 分類理論認(rèn)為一個(gè)人回答某個(gè)問(wèn)題時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的思維結(jié)構(gòu)是可檢測(cè)的，并確認(rèn)了五個(gè)不同的思維水平層級(jí)，即前結(jié)構(gòu)層級(jí)、單點(diǎn)結(jié)構(gòu)層級(jí)、多點(diǎn)結(jié)構(gòu)層級(jí)、關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)層級(jí)和抽象拓展結(jié)構(gòu)層級(jí)。［4］與科學(xué)思維素養(yǎng)水平及SOLO 分類層級(jí)相應(yīng)的表現(xiàn)參照如表2 所示。［5］SOLO 分類理論評(píng)價(jià)的目標(biāo)是學(xué)生學(xué)習(xí)行為的結(jié)構(gòu)，從學(xué)習(xí)結(jié)果在結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜程度出發(fā)來(lái)評(píng)價(jià)學(xué)生的思維能力，評(píng)價(jià)目標(biāo)界定清晰、目標(biāo)明確，可以為科學(xué)思維評(píng)價(jià)提供新的思路。

三、利用三重表征命制測(cè)量科學(xué)思維素養(yǎng)試題案例及分析

【試題案例】科學(xué)研究者發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)素（IAA）運(yùn)輸以細(xì)胞到細(xì)胞的方式進(jìn)行，生長(zhǎng)素輸出細(xì)胞與PIN 蛋白相關(guān)。PIN 蛋白會(huì)通過(guò)胞吐（依賴于生長(zhǎng)素應(yīng)答因子ARF）輸出IAA，部分過(guò)程如圖2 所示。（改編自2015年上海市高考試題）

（1）根據(jù)圖2 判斷，下列表述正確的是（多選）。

A. GNOM 蛋白活性增強(qiáng)，抑制PIN 蛋白胞吐

B. IAA、AUX/IAA 與TIR 1 蛋白結(jié)合，促進(jìn)IAA 輸出

圖2 部分過(guò)程示意圖

C. 高濃度IAA 促進(jìn)AUX/IAA 被分解為碎片

D. TPL 與AUX/IAA 蛋白結(jié)合物含量升高，無(wú)助于IAA 的輸出

（2）若植物莖某處的IAA 濃度恰好為最適生長(zhǎng)濃度，假設(shè)頂芽細(xì)胞的PIN 蛋白被持續(xù)抑制，則對(duì)莖該處的生長(zhǎng)____（有利/不利/無(wú)影響），相關(guān)原因?yàn)開(kāi)_______ 。

（3）結(jié)合PIN 蛋白的功能，解釋綠化工人對(duì)行道樹(shù)進(jìn)行修剪的原理：________ 。

【試題分析】該試題的測(cè)量目標(biāo)是利用“運(yùn)用科學(xué)思維解釋情境中的生物學(xué)問(wèn)題”科學(xué)思維內(nèi)涵，測(cè)量學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)水平二、三和四的行為表現(xiàn)。試題（1）選擇的是符號(hào)表征，測(cè)量學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)水平二的表現(xiàn)，需要學(xué)生能夠利用推理與演繹、模型與建模和創(chuàng)造性等科學(xué)思維方式分析符號(hào)表征過(guò)程。試題（2）和（3）選擇的是表征之間的轉(zhuǎn)換，測(cè)量學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)水平三和水平四的表現(xiàn)，試題結(jié)合了真實(shí)情境，要求學(xué)生能夠運(yùn)用正確的思維方式去預(yù)測(cè)和解釋。

四、總結(jié)與反思

本文以三重表征理念為指導(dǎo)，探索出測(cè)量科學(xué)思維試題的命制方法，包括：確定測(cè)量目標(biāo)、選擇學(xué)科概念和表征類型，進(jìn)行情境和試題設(shè)計(jì)、研制素養(yǎng)水平判定方法等，經(jīng)過(guò)命題實(shí)踐，此命題方法在命制科學(xué)思維試題方面有著重要作用。然而，科學(xué)思維素養(yǎng)包括三個(gè)方面的內(nèi)涵，僅通過(guò)測(cè)量其中一個(gè)方面的內(nèi)涵表現(xiàn)是不足以做出科學(xué)推斷的，因此需要用多道多類型試題進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)測(cè)量實(shí)踐，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生在進(jìn)行同樣素養(yǎng)水平試題答題時(shí)情況會(huì)有所差異，這可能是試題命制的問(wèn)題，也可能是影響學(xué)生答題的因素除了科學(xué)思維能力外，還有學(xué)科概念、閱讀理解能力等。因此如何更加客觀地去測(cè)量學(xué)生的科學(xué)思維能力，還需要更多地探索和實(shí)踐。