翁慶雙，胡聲偉

1.瑞安市教育發(fā)展研究院，浙江 溫州 325200

2.瑞安市飛云中學(xué)，浙江 溫州 325200

科學(xué)思維是從科學(xué)視角認(rèn)識(shí)客觀事物本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式，主要包括模型建構(gòu)、推理論證、創(chuàng)新思維等要素。科學(xué)思維不僅是學(xué)習(xí)科學(xué)所應(yīng)必備的關(guān)鍵能力，也是適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的核心思維方式，而且可以遷移到其他領(lǐng)域，是科學(xué)課程核心素養(yǎng)的核心，是評(píng)價(jià)的重點(diǎn)，也是學(xué)業(yè)水平考試的重點(diǎn)。

科學(xué)思維的測(cè)評(píng)是將隱性思維活動(dòng)可視化的過程。這需要讓學(xué)生置于一個(gè)具有科學(xué)元素且真實(shí)的情境中，解決一個(gè)較復(fù)雜的問題，充分調(diào)用學(xué)生能力，展示科學(xué)思維的水平層級(jí)（圖1）。

圖1 科學(xué)思維可視化一般流程

浙江省初中學(xué)業(yè)水平考試中的實(shí)驗(yàn)探究題不是傳統(tǒng)意義上的實(shí)驗(yàn)題，而是主要以實(shí)驗(yàn)為背景考查學(xué)生能力的試題。真實(shí)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)以核心知識(shí)為載體，設(shè)計(jì)富有層次性，過程具有完整性，是科學(xué)思維考查的優(yōu)良載體。本文以2021年溫州市初中科學(xué)學(xué)業(yè)水平考試第25題為例，探析科學(xué)思維各要素的考查樣式，試題如下。

（2021溫州，第25題）據(jù)史料記載，歐姆曾用如圖電路（圖2）來研究電流的影響因素。該電路的溫差電源中，銅與鉍的兩個(gè)接觸面分別放在冰水混合物和沸水中，AB兩端存在電壓，其電壓大小由溫度差決定。歐姆將粗細(xì)均勻的鐵絲兩端插入水銀中，接通電路。當(dāng)電路中有電流通過時(shí)，小磁針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)金屬絲上端手柄，扭轉(zhuǎn)金屬絲，使小磁針回到原位置，記錄手柄轉(zhuǎn)過角度。他用粗細(xì)相同、長度不同的鐵絲多次重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1。已知手柄轉(zhuǎn)過角度與電流大小成正比，粗細(xì)相同的鐵絲電阻阻值與其長度成正比。

圖2 電路圖

表1 數(shù)據(jù)表

（1）在實(shí)驗(yàn)中始終保持“溫差電源”的溫度差不變的目的是____________。

（2）小明查閱資料發(fā)現(xiàn)：除鐵絲外，歐姆還考慮了電路中水銀、銅絲等導(dǎo)體的電阻R＇，才得出正確的電流與電阻關(guān)系。結(jié)合表中數(shù)據(jù)，判斷R＇的阻值大約相當(dāng)于本實(shí)驗(yàn)中多少長度鐵絲的阻值？____________

A.5 英寸 B.10 英寸 C.15 英寸 D.20 英寸

（3）歐姆用粗細(xì)相同的金絲、鉛絲代替鐵絲重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)手柄轉(zhuǎn)過角度相同時(shí)，金絲的長度比鉛絲長。據(jù)此推測(cè)，若金絲和鉛絲的長度與粗細(xì)都相同，哪一金屬絲阻值更大？簡要說明理由。____________

1 以實(shí)驗(yàn)解讀為載體，考查模型建構(gòu)能力

在科學(xué)中，模型被視為是對(duì)真實(shí)世界的表征。建模則是對(duì)模型的建構(gòu)，即從復(fù)雜的現(xiàn)象中，抽取出能描繪該現(xiàn)象的元素或參數(shù)，并找出這些元素或參數(shù)之間的正確關(guān)系，建構(gòu)足以正確描述、解釋該現(xiàn)象的模型的過程。學(xué)生模型建構(gòu)能力的形成和發(fā)展是一個(gè)由簡單到復(fù)雜、由基礎(chǔ)到綜合、由具體到抽象的過程，它經(jīng)歷了“認(rèn)識(shí)模型—應(yīng)用模型—建構(gòu)模型”的學(xué)習(xí)進(jìn)階，參考課標(biāo)中對(duì)學(xué)科核心素養(yǎng)的水平劃分，建構(gòu)學(xué)生模型建構(gòu)能力的“學(xué)習(xí)進(jìn)階”構(gòu)架（圖 3）。

圖3 模型建構(gòu)能力的“學(xué)習(xí)進(jìn)階”構(gòu)架

試題中對(duì)模型建構(gòu)的考查不是簡單判斷學(xué)生有或沒有具備這種能力，而是將學(xué)生能力進(jìn)行層級(jí)歸類。該題是以科學(xué)家歐姆對(duì)于電流、電壓、電阻三者關(guān)系實(shí)驗(yàn)研究為背景，從任務(wù)設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等多角度評(píng)價(jià)學(xué)生的模型建構(gòu)能力。

1.1 結(jié)合概念和原理，建構(gòu)簡單模型

實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡慕庾x不是純粹的步驟理解或信息提取，在面對(duì)較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)，學(xué)生需要去繁求簡才能凸顯實(shí)驗(yàn)的精妙，這就是建模的過程。第（1）小題的解答需要將實(shí)物逐步模型化（圖4）。

圖4 實(shí)物裝置的模型建構(gòu)過程

從圖4中的a圖到b圖。這是實(shí)驗(yàn)裝置圖到電路圖的簡單轉(zhuǎn)化，是對(duì)基于電路模型理解的讀圖能力的考查。轉(zhuǎn)化過程難度不大，但卻是在模型建構(gòu)觀念指導(dǎo)下完成的，依賴于學(xué)生在長期認(rèn)識(shí)和應(yīng)用模型的實(shí)踐中對(duì)模型建構(gòu)方法的認(rèn)可。

從圖4中的b圖到c圖。根據(jù)表格，得出實(shí)驗(yàn)是以改變鐵絲長度來改變電阻大小，即R為變阻器。結(jié)合控制變量法和歐姆定律，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖茄芯侩妷合嗟葧r(shí)電流與導(dǎo)體電阻的關(guān)系。

從圖4中的c圖到正確解答。完成圖4中c圖的建構(gòu)后，需要梳理電路中的物理量：U=U。結(jié)合題干信息，得出保持溫差不變的正確目的。

和教材中電流與電壓、電阻關(guān)系的實(shí)驗(yàn)探究相似，學(xué)生較為熟悉實(shí)驗(yàn)電路。將陌生的實(shí)驗(yàn)設(shè)備與類似的模型關(guān)聯(lián)，并在比較后將其抽象化、符號(hào)化，這是在模型建構(gòu)思維能力主導(dǎo)下進(jìn)行的。

1.2 綜合整體與局部，建構(gòu)復(fù)雜真實(shí)模型

相較于第（1）小題的簡單電路模型建構(gòu)，第（2）小題對(duì)模型提出了更高的要求。從信息篩選角度上看，本小題需要提取實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，即表格中數(shù)據(jù)的關(guān)系。這是一種定量角度的考查，要求學(xué)生不僅能將實(shí)物轉(zhuǎn)化為模型，還能將各科學(xué)量之間的關(guān)系梳理形成模型。

1.2.1 電路模型完善

根據(jù)第（2）小題的信息補(bǔ)充，圖4中c圖的理想狀態(tài)進(jìn)一步得到完善（圖5），這是第（1）小題簡單電路模型建構(gòu)的延續(xù)，是更全面地考慮對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響的各個(gè)因素。

圖5 電路模型的進(jìn)一步完善

1.2.2 數(shù)學(xué)模型建構(gòu)

從第（2）小題的問題來看，它要求學(xué)生明確R＇與鐵絲長度l之間的關(guān)系。這需要將相對(duì)形象的電路模型進(jìn)一步抽象化，得到式①；將題干中的文字信息數(shù)字化，得到式②和③；將第（2）小題中的問題方程化，得到式④。將式①到④進(jìn)行數(shù)學(xué)方法的整理，結(jié)合歐姆定律，最終得到各科學(xué)量之間的定量關(guān)系模型。選取表格中的任意兩組數(shù)據(jù)代入模型中，求解得出答案。

電路模型不是實(shí)驗(yàn)全部，結(jié)合小磁針系列裝置，經(jīng)過多次轉(zhuǎn)化才能全面解析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。在真實(shí)的非良構(gòu)情境中，眾多影響因素間的關(guān)系需要借助數(shù)學(xué)方法的高度濃縮才能得以展示。這是從形象的圖形類模型建構(gòu)到抽象的關(guān)系類模型建構(gòu)的進(jìn)階，也是從局部了解整體認(rèn)識(shí)的思維提升。

2 以材料篩選為途徑，凸顯推理論證能力

推理論證體現(xiàn)在基于證據(jù)與邏輯，運(yùn)用分析與綜合、比較與分類、歸納與演繹等思維方法，建立證據(jù)與解釋之間的關(guān)系并提出合理見解。這需要在一個(gè)具有多種可能性的真實(shí)情境中發(fā)現(xiàn)問題，尋找問題與已有條件的關(guān)聯(lián)，建立解決問題的路徑。其中，關(guān)聯(lián)的過程便是基于證據(jù)和邏輯的推理論證過程。

2.1 雙變量影響，實(shí)現(xiàn)逆向推導(dǎo)

推理論證常見的測(cè)評(píng)方式是檢驗(yàn)假設(shè)、得出結(jié)論、闡述自己觀點(diǎn)的合理性或基于證據(jù)對(duì)觀點(diǎn)的反駁。對(duì)于歐姆定律而言，學(xué)生不具備評(píng)析結(jié)論的知識(shí)和能力基礎(chǔ)，若尋找結(jié)論的證據(jù)支持，亦只能調(diào)動(dòng)學(xué)生的記憶儲(chǔ)備而無法顯現(xiàn)科學(xué)思維。第（3）小題以金屬絲材料種類為依托，從實(shí)驗(yàn)結(jié)論出發(fā)，探討實(shí)驗(yàn)材料選擇的合理性，這是以認(rèn)可結(jié)論為前提的逆向推導(dǎo)過程。

第（3）小題要解決的核心問題是金屬絲材料的種類與手柄轉(zhuǎn)過角度之間的關(guān)系。學(xué)生需要以模型和原理為基礎(chǔ)，從滿足手柄轉(zhuǎn)過角度相同的實(shí)驗(yàn)需求出發(fā)，將轉(zhuǎn)過角度逆向轉(zhuǎn)化為電流，結(jié)合歐姆定律，聯(lián)系電阻阻值大小（圖6）。電阻阻值受材料種類、長度、粗細(xì)等多個(gè)并列因素的影響，且長度和粗細(xì)對(duì)電阻值的影響趨勢(shì)相反。三個(gè)變量同時(shí)存在使阻值變化有太多的可能性，不便于準(zhǔn)確測(cè)評(píng)思維過程。第（3）小題以題干信息的形式主動(dòng)排除了材料粗細(xì)的影響，結(jié)合金屬絲電阻相同的推導(dǎo)結(jié)果，篩選出兩種影響情況：長度較大、材料電阻較小和長度較小、材料電阻較大，以雙變量來實(shí)現(xiàn)結(jié)論的相互論證。

圖6 第（3）小題推理過程

2.2 借長句表述，展示思維過程

選擇題的作答具有一定的隨機(jī)性，而非選擇題中，除了核心知識(shí)的填空外，還有一部分是“理由是”“依據(jù)是”“優(yōu)點(diǎn)是”“結(jié)論是”“預(yù)期結(jié)果是”等長句表述類問題。專業(yè)語言表達(dá)與文字書寫的邏輯性需要科學(xué)思維支撐，是科學(xué)思維的外顯過程。第（3）小題通過“說明理由”的長句表述，展示學(xué)生的思考過程。該題的參考答案如下：

鉛絲阻值更大。實(shí)驗(yàn)中長金絲與短鉛絲阻值相同，而橫截面積相同的同種導(dǎo)體長度越長阻值越大，當(dāng)金絲與鉛絲長度相同時(shí)，鉛絲阻值更大。

科學(xué)思維能力較差的學(xué)生，一般只能完成推理過程中的某幾個(gè)環(huán)節(jié)，這能從解答中直接體現(xiàn)。學(xué)生的常見錯(cuò)誤解答大致有以下幾種：

①金絲電阻大，因?yàn)閷?dǎo)體越長，電阻越大。

②鉛絲電阻大，因?yàn)殂U的比熱（密度、熔化時(shí)的溫度、熱脹冷縮、質(zhì)量等）較大（小）。

③金絲電阻大，因?yàn)槠D(zhuǎn)角度大，電阻大。

3 以科學(xué)史料為情境，體現(xiàn)創(chuàng)新思維能力

創(chuàng)新思維能力體現(xiàn)在從不同角度分析、思考問題，提出新穎而有價(jià)值的觀點(diǎn)和解決問題的方法?？梢?，創(chuàng)新思維能力主要體現(xiàn)在認(rèn)識(shí)創(chuàng)新的事物和創(chuàng)造性解決問題，后者對(duì)能力有更高的要求。專家們普遍認(rèn)為，與學(xué)科結(jié)合的創(chuàng)造性思維測(cè)評(píng)比較困難，難以在較短時(shí)間的紙筆考試中有效展現(xiàn)，在2017年國家科學(xué)質(zhì)量檢測(cè)框架中也沒有包括質(zhì)疑創(chuàng)新維度。但多角度認(rèn)識(shí)事物和形成觀點(diǎn)的證據(jù)意識(shí)在測(cè)評(píng)中能夠充分展現(xiàn)，是模型建構(gòu)、科學(xué)推理與論證等科學(xué)思維中其他要素考查的基礎(chǔ)。該試題以歐姆定律發(fā)現(xiàn)的科學(xué)史為背景，提供一個(gè)契合的試題情境，以此真實(shí)而豐富的實(shí)驗(yàn)素材體現(xiàn)創(chuàng)新質(zhì)疑能力的基礎(chǔ)。

3.1 重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程，多途徑獲取信息

歐姆定律的實(shí)驗(yàn)研究是在缺少電流表、電壓表和各種不同定值電阻的歷史背景下展開的，這不同于教材展示的實(shí)驗(yàn)方案。教材提供了準(zhǔn)確的電路圖和電學(xué)元件，學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康模瑢?shí)驗(yàn)現(xiàn)象與數(shù)據(jù)來源直接，這有助于快速達(dá)到研究目的，但過于精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)導(dǎo)向不利于思維的創(chuàng)新。

該試題科學(xué)史背景下的試題情境中，采用小磁針加手柄的系列裝置來實(shí)現(xiàn)對(duì)電流大小的定量判斷，用溫差來控制電源電壓相同，用不同材料的電阻絲來改變電阻大小，信息獲取的方式和內(nèi)容更多。豐富的信息是后續(xù)篩選、質(zhì)疑和論證的基礎(chǔ)。采用混合文本的呈現(xiàn)方式，將實(shí)驗(yàn)操作擇其要點(diǎn)以文字形式介紹，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以表格形式呈現(xiàn)，配合實(shí)驗(yàn)裝置圖重現(xiàn)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。學(xué)生若要獲取有效信息，不僅需要對(duì)試題情境準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)，還需要與教材實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。

3.2 解讀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，多角度篩選證據(jù)

科學(xué)基于實(shí)證證據(jù)，對(duì)證據(jù)的解讀有助于提出關(guān)于自然現(xiàn)象的推論。該試題中的圖表和文字都是證據(jù)的呈現(xiàn)方式，學(xué)生解讀數(shù)據(jù)和科學(xué)量間的關(guān)系，是對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的解讀，但卻不一定都是證據(jù)。學(xué)生根據(jù)問題解決的需求，從中選擇能支持自己觀點(diǎn)的相關(guān)內(nèi)容，這是篩選證據(jù)的過程，也是學(xué)生證據(jù)意識(shí)的體現(xiàn)。試題中第（1）（2）小題是應(yīng)用證據(jù)得出結(jié)論，通過答案簡潔反饋?zhàn)C據(jù)是否正確和完整。第（3）小題則是直接將證據(jù)以答案形式呈現(xiàn)，直觀體現(xiàn)學(xué)生對(duì)證據(jù)的理解。

PISA2021增加創(chuàng)造性思維這一新的測(cè)試領(lǐng)域，它將創(chuàng)造性思維定義為能夠有效參與想法的產(chǎn)生、評(píng)估及改進(jìn)，從而形成有創(chuàng)意和實(shí)效的解決方案、知識(shí)進(jìn)步以及對(duì)想象的表達(dá)能力，主要從創(chuàng)造性表達(dá)、問題解決和知識(shí)創(chuàng)造三個(gè)方面來測(cè)評(píng)。在大規(guī)模測(cè)試中，這是一次大膽嘗試，也期待在后續(xù)的學(xué)業(yè)水平考試中能進(jìn)行有效測(cè)評(píng)。

對(duì)科學(xué)思維的考查和分層，是教學(xué)內(nèi)容中的重要一環(huán)。依標(biāo)命題，以科學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為命題立意的試題，有利于教學(xué)實(shí)現(xiàn)它的導(dǎo)向功能，對(duì)學(xué)生實(shí)現(xiàn)超出評(píng)價(jià)本身的育人價(jià)值。