孔祥艷 公衍錄 張玉峰

摘 要：精準(zhǔn)的學(xué)習(xí)診斷是促進(jìn)教師教學(xué)改進(jìn)和學(xué)生科學(xué)探究能力發(fā)展的重要前提.從科學(xué)探究的特征、高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)對科學(xué)探究要素的描述以及學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求出發(fā)，解構(gòu)科學(xué)探究的二級評價指標(biāo)，構(gòu)建科學(xué)探究診斷性測試的內(nèi)容框架，舉例說明科學(xué)探究診斷性測試工具的開發(fā).

關(guān)鍵詞：科學(xué)探究;診斷;框架;認(rèn)知過程

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）09-0017-05

基金項目：北京市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2018年度一般課題“基于課前學(xué)習(xí)診斷的教學(xué)整合模式研究”（項目編號：CDDB8155）.

作者簡介：孔祥艷（1978-），女，江蘇徐州人，碩士，中學(xué)高級教師，研究方向：物理教學(xué);

公衍錄（1963-），男，山東臨沂人，本科，中學(xué)高級教師，物理特級教師，研究方向：物理教學(xué);

張玉峰（1973-），男，山東泰安人，博士，中學(xué)高級教師，研究方向：物理課程與教學(xué)論.

縱觀世界各國的課程改革，科學(xué)探究是當(dāng)代科學(xué)課程的核心內(nèi)容之一.我國各類科學(xué)課程頒布的課程標(biāo)準(zhǔn)都把科學(xué)探究視為科學(xué)教育的重點內(nèi)容和課程目標(biāo)，提出了科學(xué)探究的基本要素和程序.《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（下面簡稱“2017年版物理課標(biāo)”）指出，物理課程的根本任務(wù)是立德樹人，提升學(xué)生的物理學(xué)科的核心素養(yǎng).“科學(xué)探究”是物理學(xué)科核心素養(yǎng)之一.物理教學(xué)的一個重要方面就是要引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的過程，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力.利用精準(zhǔn)的診斷性評價，能有效促進(jìn)教師的教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的改進(jìn)，真正做到因材施教，發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng).因此，對科學(xué)探究能力進(jìn)行科學(xué)、準(zhǔn)確的測量和評價，是當(dāng)前科學(xué)教育需要解決的一個重要問題.

借鑒諸多學(xué)者的經(jīng)典理論，國際上許多國家都已建立了較為成熟的科學(xué)探究能力評價體系，例如國際測試項目TIMSS、PISA、英國的APU、美國的PADI等.在我國多年的新課程改革中，關(guān)于科學(xué)探究的主要特征和基本要素的認(rèn)識已經(jīng)達(dá)成共識，但是與之相適應(yīng)的評價體系卻一直沒有跟進(jìn)，這導(dǎo)致實際教學(xué)中教師缺乏有效診斷和評價學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)的測試工具，制約了學(xué)生科學(xué)探究核心素養(yǎng)的發(fā)展.張玉峰老師帶領(lǐng)的物理教研團(tuán)隊構(gòu)建了物理核心素養(yǎng)學(xué)習(xí)診斷內(nèi)容的（3+2）×3框架，“科學(xué)探究”為物理學(xué)科核心素養(yǎng)診斷測試的五個一級指標(biāo)之一.本文從科學(xué)探究的特征、高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中對科學(xué)探究要素的描述，以及學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求等出發(fā)，解構(gòu)科學(xué)探究的二級評價指標(biāo)，構(gòu)建科學(xué)探究診斷性測試的內(nèi)容框架，并舉例說明科學(xué)探究診斷工具的研發(fā).

1 科學(xué)探究的內(nèi)涵和要素

2003年出版的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗）》（下面簡稱“2003年版物理課標(biāo)”）把“科學(xué)探究”作為課程目標(biāo)提出，指出學(xué)生要經(jīng)歷科學(xué)探究的過程，了解科學(xué)探究的意義，嘗試用科學(xué)探究的方法研究物理問題和驗證物理規(guī)律.2003年版物理課標(biāo)提出科學(xué)探究包含的七個要素為：提出問題、猜想與假設(shè)、制定計劃與設(shè)計實驗、進(jìn)行實驗與收集證據(jù)、分析與論證、評估、交流與合作，并描述了科學(xué)探究和物理實驗?zāi)芰Φ幕疽骩1].近年來我國關(guān)于科學(xué)探究的研究大多數(shù)集中在如何更好地培養(yǎng)學(xué)生某一學(xué)科的探究能力，并且大都采用七要素分析法.

為了便于測量和評價學(xué)生科學(xué)探究能力的發(fā)展水平和規(guī)律，2004年北京師范大學(xué)李春密教授等構(gòu)建了科學(xué)探究能力的結(jié)構(gòu)模型，提出科學(xué)探究能力的主要指標(biāo).該模型由科學(xué)探究內(nèi)容、科學(xué)探究的過程、科學(xué)探究能力的品質(zhì)三個維度構(gòu)成，其中科學(xué)探究的過程由六個因子組成：提出問題、猜想與假設(shè)、制定計劃和設(shè)計實驗、進(jìn)行實驗和收集證據(jù)、分析與論證、評估交流與合作[2].該研究把2003年版物理課標(biāo)中的科學(xué)探究七要素中的“評估、交流與合作”兩個要素合并為“評估交流合作”因子.

2017年版物理課標(biāo)把“科學(xué)探究”作為物理學(xué)科核心素養(yǎng)之一提出，科學(xué)探究既是學(xué)習(xí)內(nèi)容，也是學(xué)生的學(xué)習(xí)方式之一.課標(biāo)中給出的“科學(xué)探究”的界定為：“科學(xué)探究”指能夠基于觀察和實驗提出物理問題，進(jìn)行猜想和假設(shè)，設(shè)計實驗和制定計劃，收集和處理信息，根據(jù)證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，對科學(xué)探究的過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評估、反思的能力[3].2017年版物理課標(biāo)將原2003年版物理課標(biāo)中科學(xué)探究七要素歸納為四個要素：問題、證據(jù)、解釋、交流等，對應(yīng)關(guān)系見表1.

與2003年版物理課標(biāo)相比，2017年版物理課標(biāo)的一個重大變化是明確提出了高中物理學(xué)業(yè)質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)和學(xué)業(yè)質(zhì)量水平描述.依據(jù)問題情境的復(fù)雜性、知識技能的結(jié)構(gòu)化程度和思維方式（或價值觀念）的綜合程度，高中物理學(xué)業(yè)質(zhì)量由低到高分為逐漸遞進(jìn)的五級水平，課標(biāo)中分層級、分內(nèi)容描述了物理學(xué)科核心素養(yǎng)的四個方面在不同復(fù)雜程度的情境中應(yīng)用物理觀念、思維和方法等解決物理問題的關(guān)鍵特征.

高中物理學(xué)業(yè)質(zhì)量的五級水平是進(jìn)行學(xué)習(xí)診斷的重要依據(jù).設(shè)計診斷框架時，應(yīng)結(jié)合診斷的目的、內(nèi)容和學(xué)業(yè)質(zhì)量不同水平的描述，提煉科學(xué)探究學(xué)習(xí)診斷測試的二級指標(biāo).2017年版物理課標(biāo)基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)設(shè)置的課程目標(biāo)和學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是構(gòu)建科學(xué)探究診斷性測試框架的重要依據(jù).

科學(xué)探究是人們探索客觀世界的認(rèn)識方式.物理學(xué)的認(rèn)識方式指的是從物理學(xué)的視角認(rèn)識客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律和相互關(guān)系的過程中使用的思維方法或信息處理對策.基于物理學(xué)科內(nèi)容特征和認(rèn)知過程特點，從指標(biāo)可測量、教學(xué)實踐可操作的角度，將科學(xué)探究定義為：學(xué)生基于觀察和實驗應(yīng)用已獲得的知識解決問題，從物理學(xué)視角認(rèn)識事物的過程中所使用的認(rèn)識方式[4].

2 科學(xué)探究診斷性測試框架

在實際教學(xué)中，強調(diào)探究過程要素和表面探究活動的教學(xué)較多，不能明確和清楚地體現(xiàn)探究的過程與方法，也不夠重視學(xué)生的思維過程.造成這些問題的主要原因是缺乏對科學(xué)探究指標(biāo)的具體界定.為了實現(xiàn)精準(zhǔn)的命題測試和診斷，需要對科學(xué)探究要素進(jìn)行細(xì)致的劃分和準(zhǔn)確的描述，提高其可操作性，才能避免測試題目考查的隨意性，提高評價的信度.

2.1 科學(xué)探究診斷指標(biāo)的解構(gòu)和描述

科學(xué)探究是一種復(fù)雜的認(rèn)知活動，對科學(xué)探究進(jìn)行診斷需要先把科學(xué)探究解構(gòu)成各種要素以便測量，解構(gòu)的科學(xué)探究要素應(yīng)該能夠反映科學(xué)探究的整個過程，能夠用來指導(dǎo)科學(xué)探究能力的測量和培養(yǎng).

科學(xué)探究具有內(nèi)隱性特征，因此學(xué)生所具有的科學(xué)探究能力，需要借助他們在具體探究任務(wù)中的表現(xiàn)加以推斷.科學(xué)探究活動是體現(xiàn)和發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究能力的載體，通過對具有外顯特征的科學(xué)探究活動進(jìn)行觀察和測量能夠判斷學(xué)生科學(xué)探究能力所處的水平.基于此，通過解構(gòu)科學(xué)探究活動的認(rèn)識過程，可以形成指向更加明確的、具體的科學(xué)探究指標(biāo)體系.

2017年版物理課標(biāo)僅有對科學(xué)探究一級構(gòu)成要素的簡單界定，即問題、證據(jù)、解釋、交流四個要素，而沒有對這些要素相應(yīng)的二級指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)的解構(gòu)和描述，這使得課程標(biāo)準(zhǔn)對科學(xué)探究的指導(dǎo)作用有限.

本研究通過對科學(xué)探究的過程要素、2017年版高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中學(xué)業(yè)質(zhì)量水平和必修、選擇性必修六個模塊的學(xué)業(yè)要求中關(guān)于科學(xué)探究學(xué)業(yè)要求的描述提取認(rèn)知過程中的關(guān)鍵點，將課標(biāo)中的四個要素“問題、證據(jù)、解釋、交流”解構(gòu)為“問題與猜想、設(shè)計與操作、解釋與評估、交流與反思”四個指向更明確、更具有操作性的二級指標(biāo)，并對二級指標(biāo)中可能設(shè)計的元素進(jìn)行細(xì)化說明，見表2.

科學(xué)探究的二級指標(biāo)和學(xué)業(yè)質(zhì)量水平是構(gòu)建科學(xué)探究診斷框架的兩個維度，將科學(xué)探究的4個二級指標(biāo)和學(xué)業(yè)質(zhì)量的5個水平相結(jié)合，可以得出科學(xué)探究在不同學(xué)業(yè)質(zhì)量水平下二級指標(biāo)的描述，從而構(gòu)建不同水平的科學(xué)探究診斷性測試框架（如圖1）.學(xué)習(xí)中學(xué)生的科學(xué)探究能力水平逐步提高，因此實際研究中要根據(jù)學(xué)生的實際情況、診斷或評價目的，按照物理學(xué)科學(xué)業(yè)質(zhì)量水平的要求，清晰地描述二級指標(biāo)，使之能相對準(zhǔn)確地評判學(xué)生的科學(xué)探究能力所處的水平.

2.2 物理學(xué)科核心素養(yǎng)學(xué)習(xí)診斷內(nèi)容（3+2）×3框架下的科學(xué)探究診斷性測試框架

物理學(xué)科核心素養(yǎng)學(xué)習(xí)診斷的測試面向完成高中物理全部必修和選擇性必修的高三學(xué)生，測試框架[4]中對二級指標(biāo)的描述指向?qū)W業(yè)質(zhì)量水平4的要求，基于此構(gòu)建的科學(xué)探究診斷性測試框架見表3.本次測試的方式是紙筆測試，由于“交流與反思”指標(biāo)不容易通過紙筆測量，因此診斷框架中沒有涉及“交流與反思”指標(biāo).

3 基于科學(xué)探究診斷框架的測評工具開發(fā)說明與案例分析

3.1 試題命制說明

本研究采用診斷性測試卷的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)診斷.在這種診斷方式中，學(xué)生無法親自動手操作，是在非實驗的情況下用紙筆回答問題，因此試題的命制與選擇是否有效很關(guān)鍵.

科學(xué)探究活動不能離開科學(xué)知識和學(xué)習(xí)情境而單獨存在，科學(xué)探究能力的測量和評價應(yīng)考查學(xué)生運用所學(xué)的知識和科學(xué)探究技能在具體的問題情境中解決問題的能力，因此在命制試題時要兼顧問題情境、知識與技能、思維方式這三個角度.命制試題時要明確學(xué)生在什么樣的問題情境中，運用哪些物理知識和技能、思想和方法，其行為應(yīng)達(dá)到什么樣的水平.

3.1.1 問題情境

科學(xué)探究診斷測試需要讓學(xué)生在具體情境中應(yīng)用知識和技能解決問題，而并非是識別知識和技能，因此情境的設(shè)計不能搬用教材中的探究實驗，這樣的試題只需要記憶即可作答.問題情境可以與已有的模型有一定的相似程度，但在復(fù)雜程度、思維的深度上應(yīng)有所區(qū)分;或取材于現(xiàn)實生活中真實、新穎的物理現(xiàn)象或事實.情境的設(shè)計可以考查科學(xué)探究的某一指標(biāo)，也可以考查一系列的探究指標(biāo).

3.1.2 知識與技能

科學(xué)探究診斷依賴具體的知識和技能，試題的命制不要在知識上為難學(xué)生，要關(guān)注到學(xué)生對具體知識內(nèi)容的掌握程度，要創(chuàng)設(shè)有利于學(xué)生的知識和探究技能遷移的真實問題情境，以提高診斷結(jié)果的可靠性和真實性.

3.1.3 思維方式

科學(xué)探究的過程是學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展的過程，科學(xué)探究的診斷結(jié)果與學(xué)生的認(rèn)知水平相關(guān)，因此試題考查的思維方式、綜合程度應(yīng)與診斷框架要求的學(xué)業(yè)質(zhì)量水平相適應(yīng).

標(biāo)準(zhǔn)化比較高的紙筆測試，試題命題的內(nèi)容、范圍和難度均應(yīng)嚴(yán)格依據(jù)診斷框架執(zhí)行.此外，診斷試題的命制也要注重規(guī)范性、科學(xué)性、簡潔性等原則，也可以通過增強試題的主觀性和開放性來達(dá)到考查學(xué)生科學(xué)探究能力的目的.

3.2 診斷試題舉例說明

下面以北京教育科學(xué)研究院物理教研團(tuán)隊命制的高中學(xué)生核心素養(yǎng)測試中考查“科學(xué)探究”這個一級指標(biāo)下的問題與猜想、設(shè)計與操作、解釋與評估3個二級指標(biāo)的題目為例，說明如何命制科學(xué)探究的診斷試題.

題目 學(xué)習(xí)過單擺的周期公式后，小明和小亮偶然發(fā)現(xiàn)懸掛的勻質(zhì)細(xì)棒小角度振動同樣具有等時性.于是他們就近取材，選用米尺進(jìn)行探究實驗，如圖2所示，使其在豎直平面內(nèi)繞O點做小角度擺動，C點為米尺的重心，米尺長為L，周期用T表示.

（1）長為L的米尺可以看作是由許多質(zhì)點組成，其振動周期擺長為L的單擺周期（選填“大于”“小于”或“等于”），并說明理由.

（2）小亮猜測米尺振動的周期與其質(zhì)量無關(guān)，請設(shè)計實驗方案檢驗小亮的猜想是否正確.

（3）小明猜想長為L的米尺的振動周期可能與擺長為L/2的單擺的周期相等.他進(jìn)一步進(jìn)行了實驗探索：用T0表示擺長為L/2的單擺的周期，用T表示長為L的米尺擺動的實際周期測量值.小明利用描點作圖法對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在坐標(biāo)紙上做出了T與T0的關(guān)系圖像（如圖3所示）.請根據(jù)圖3中的信息，判斷小明的猜想是否正確.若他的猜想正確，請說明理由;若他的猜想不正確，請計算長為L的米尺的等效擺長L等.

分析：本題創(chuàng)設(shè)了米尺振動的真實物理情境，這個情境與學(xué)生熟悉的單擺模型有相似之處，但復(fù)雜度高于單擺.本題涉及的物理知識為單擺的周期公式，根據(jù)單擺的周期公式可以定性分析米尺振動周期的大小;學(xué)生已經(jīng)完成了“探究單擺的運動”等相關(guān)實驗，可以把其中的探究技能遷移過來設(shè)計實驗研究米尺振動的周期.

第（1）問主要考查學(xué)生科學(xué)探究中的“問題與猜想”指標(biāo)，讓學(xué)生根據(jù)問題情境猜想米尺振動的周期與等長的單擺的周期的大小關(guān)系，并說明猜想的理由.為了降低思維的難度，題目中提示學(xué)生“長為L的米尺可以看作由許多質(zhì)點組成”.學(xué)生僅憑記憶無法作出正確判斷，需要學(xué)生根據(jù)材料抽象關(guān)鍵信息，建立米尺振動中各質(zhì)點的擺長與單擺擺長的聯(lián)系，經(jīng)過推理，才有可能作出正確的判斷.

第（2）問要求學(xué)生設(shè)計實驗方案說明米尺振動的周期與其質(zhì)量是否有關(guān)，主要考查科學(xué)探究中的“設(shè)計與操作”指標(biāo).這對學(xué)生來說是一個新的任務(wù)，需要學(xué)生把以前科學(xué)探究學(xué)習(xí)中相關(guān)的技能、方法遷移過來解決問題.考查技能的綜合性很強，包括區(qū)分探究問題的自變量和因變量、控制無關(guān)變量、選擇合適的器材、記錄數(shù)據(jù)并根據(jù)數(shù)據(jù)歸納結(jié)論等.

第（3）問主要考查科學(xué)探究中的“解釋與評估”指標(biāo)，要求學(xué)生分析圖示中的數(shù)據(jù)，正確表述米尺振動的周期和單擺周期的關(guān)系.題設(shè)的猜想“長為L的米尺的振動周期可能與擺長為L/2的單擺的周期相等”，事實上也是很多學(xué)生內(nèi)心的猜想，源于物理學(xué)習(xí)中“取平均”的思想，因此有的學(xué)生會據(jù)此得到小明猜想正確的結(jié)論，而不再依據(jù)數(shù)據(jù)做更深入的分析.利用線性關(guān)系歸納結(jié)論是處理實驗數(shù)據(jù)常用的方法.由于學(xué)生的思維不嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)生會忽略只有當(dāng)線性關(guān)系的比例系數(shù)是1的時候兩個變量才相等，從而作出錯誤的判斷.

本題對學(xué)生的思維能力要求較高，與學(xué)業(yè)質(zhì)量水平4的要求相適應(yīng).

3.3 試題評分標(biāo)準(zhǔn)的制定

診斷性測試評分標(biāo)準(zhǔn)的制定要根據(jù)學(xué)業(yè)質(zhì)量水平的要求界定考查的知識、技能、思維方法等，使其能夠相對準(zhǔn)確地評價學(xué)生的科學(xué)探究能力;應(yīng)舍棄單一的、以知識為主的表述方式，制定基于學(xué)科核心素養(yǎng)水平的等級性評分標(biāo)準(zhǔn)[3].

為了減小隨意性，提高評分信度，本研究依據(jù)SOLO分類理論制訂了詳細(xì)的等級評分標(biāo)準(zhǔn).

3.3.1 SOLO分類理論

SOLO分類理論是基于問題解決層級描述的評價方法[5]，將具有一定開放度的任務(wù)呈現(xiàn)給學(xué)生，根據(jù)學(xué)生回答問題的表現(xiàn)來決定學(xué)生思維發(fā)展的水平.它認(rèn)為學(xué)生對特定問題的反應(yīng)可分為“前結(jié)構(gòu)”“單一結(jié)構(gòu)”“多元結(jié)構(gòu)”“關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)”“拓展抽象結(jié)構(gòu)”五個遞進(jìn)的層次，各層次具體表現(xiàn)描述見表4.

表4中的五個層次描述了學(xué)生對具體問題不同水平的反應(yīng)，依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，能夠判斷學(xué)生掌握該問題的具體水平.如果將學(xué)生解決問題時的質(zhì)量分為五個水平進(jìn)行等級賦分，就可以得到量化的分?jǐn)?shù)作為評價的依據(jù).SOLO分類理論的優(yōu)點在于體現(xiàn)了等級描述的質(zhì)性區(qū)別，這種評價方法能獲得較好效度，用在學(xué)習(xí)診斷上是可行而且有效的.

3.3.2 評分標(biāo)準(zhǔn)的制定

依據(jù)SOLO分類理論分析判斷學(xué)生在科學(xué)探究任務(wù)中反映的能力層次，將學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果分為四個水平賦予不同的分值（由于核心素養(yǎng)診斷試題是針對學(xué)業(yè)質(zhì)量水平4命制的，本研究中不區(qū)分關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)層次和拓展抽象層次），以描述不同學(xué)生在同一個科學(xué)探究任務(wù)中呈現(xiàn)出的水平差異.下面以題目中“問題與猜想”指標(biāo)的賦分方法為例進(jìn)行說明（見表5）.

參考文獻(xiàn)：

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[2]李春密，梁潔，蔡美潔.中學(xué)生科學(xué)探究能力結(jié)構(gòu)模型初探[J].課程·教材·教法，2004（06）：86-90.

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[4]張玉峰.為了物理學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展的學(xué)習(xí)診斷：概念、路徑與內(nèi)容框架[J].中學(xué)物理，2020，38（01）：2-6.

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（收稿日期：2021-01-16）