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在过去五年的测评实践中,围绕科学探究的基本特征,主要的命题目标和策略是:设置一个高探究价值的问题解决情境,给学生科学知识习得和探究能力养成提供足够的综合运用和施展的空间。通过学生对精心选择和设计的科学性问题的回答,考查学生提出猜想和假说的能力;在事实证据的基础上运用已有知识和推理对有关现象或成因做出解释、判断和结论的能力;分析、比较和辨别不同的科学解释以及科学规范地表达交流、论证科学探究过程与结果的能力。
在“建立中小学生学业质量分析、反馈与指导系统”项目(简称SAAE项目)中,科学学科研究组(以下简称SAAE项目科学组或本课题组)自2005年起连续5年承担了8年级科学学业水平测试卷的命制、科学学业影响因素调查的设计以及进行测试结果的分析反馈工作。至今已积累了来自全国31个省、市、自治区25.5万学生的数据。课题组在学业水平测试卷的命制工作中,基于义务教育阶段理科各科课程标准以及前期相关工作,在重视基础知识、基本技能考查的同时,坚持将科学探究的考查作为探索的重点。本文通过一些具体试题及其测试结果的分析,报告项目在这方面已形成的阶段性成果。
8年级科学学科学业测评所对应的学科课程既有综合形式的《科学》,也有分科形式的《物理》、《化学》、《生物》和《地理》。在TIMSS, PISA和NAEP等著名大型科学学业测评中,根据目标的侧重,科学学科测评框架各不相同,但总体上都关注教育对学生终身发展的价值,强调对学生高级思维能力的评价,注重对学生科学探究能力的测评,而不只是对知识点的考查。项目组借鉴了上述测评中所反映出的共同理念,同时考虑中国尚处于评价体系建设初期的实际,确定了如下的测评框架。
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科学内容维度 |
认知能力维度 |
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了解 |
理解 |
应用 |
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生命科学 |
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物质科学 |
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地球、宇宙
和空间科学 |
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科学探究 |
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这种从内容领域和认知能力两个维度构建测评框架的方式,已经为我国广大教师所熟悉。其中的生命科学、物质科学、地球、宇宙和空间科学在分科科学课程中,分别对应《生物》、《物理》、《化学》以及《地理》中的自然科学内容,只是将科学探究归为内容领域,有一些特别的考虑。
首先,在理科各科课程标准中科学探究具有特殊的地位。它不仅是新科学课程所倡导的教与学的方法,也是重要的教学目标,还是不可或缺的教学内容。课程标准的这一设计,反映的是国家新科学课程欲将科学探究作为科学素养的核心内容而落实于学生学习之中的意图。科学学业水平测试中,将科学探究单列为与传统的科学知识并列的内容,体现了与国家新科学课程标准相一致的理念。
此外,科学探究的课程目标既包括进行科学探究所需要的能力,也包括对科学探究的理解。虽然对这两方面的考查可以也应该结合具体科学知识内容进行,但对有些内容则是直接从科学探究的角度进行考查更为合适和明晰。这样的思路在前些年一些地方的中考试题中就已有所反映。许多试题都将考查点设在科学探究方法上,但问题是一些试题将考方法变成了考名称和考探究顺序。这种把“活”的方法当成“死”的知识来考的做法是不可取的,因为科学方法贵在运用而不是记忆它的名称。在具体情境中,学生也许会使用某种方法来解决问题,却不一定能说出这种方法的名称;相反,能说出方法的名称,也不一定就会使用这种方法。因此,我们主张通过具体的问题情境设置,考查学生对科学探究方法理解和运用的水平。2005年在首次大规模测试中使用的下面这道试题就是一个典型的例子。
例1 (2005年第25题)两个敞口瓶,一个装满醋,一个装满花生油,放置在有阳光的窗台上。几天后,观察到两个瓶中的液体都不满了。从这个观察可以得到什么结论?
A.醋蒸发得比花生油快
B.花生油蒸发得比醋快
C.醋和花生油都会蒸发
D.只有含有水的液体才会蒸发
此题所述的情境学生不应该陌生,两个未加盖的瓶子中的液体经过几天都有减少,解释这一现象要用到的知识是液体蒸发,这对绝大多数8年级学生来说难度很小。但该题考的是在这一简单知识的基础上学生如何做出科学结论。根据所观察到的事实能得出的结论是两种液体都会蒸发,而要说谁比谁蒸发得快,那还需要更严密的观测。例如,在敞口瓶大小一致的情况下,也需要通过测量比较最后两瓶中剩余液量后才能做出结论;而若敞口瓶大小不一致,则还需进一步进行控制条件的观测实验。
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科学解释、判断和结论都必须建立在事实证据的基础上,这是科学探究区别于其他活动最重要的特征之一。日常生活中,人们常常会超越证据下结论,因为即使在证据不充分的情况下,根据以往经验做的结论也多半有效。然而科学探究如同谜案追踪,先入为主的经验和判断有时正是妨碍揭开真正谜底的无形障碍。因此,强调事实证据的思想必须贯穿于科学知识教学的过程之中,而通过教学和类似这样试题的考评适当进行超越知识的强化也是必要的。
然而,这类试题所要表达的理念与我们的教学实际究竟有多大距离?2005年以来连续5年大规模测试的数据显示,试题的立意是能为广大教师和学生所理解的,但试题的难度必须严格控制。例1这道题在某省的抽样测试中,4344名学生中选答A, B, C, D, X,选项的分别为330 (7.6%)、197 (4.5%)、3486 (80.2%)、323 (7.4%)和8 (0.2%),正确率达80.2%。在2006年的测试中,我们编制了如下这道考查内容和形式与例1基本一致的试题:
例2 (2006年B卷第23题)把白糖和味精分别放在铁片上高温加热,结果都出现碳黑。仅根据此实验,可以得出的结论是( )
A.两者尽管味道不同,实际上是相同的物质
B.两者都含碳元素
C.两者都含碳、氧元素
D.两者都含碳、氮、氧元素
味精和白糖都是有机物,学生可能由此推测它们都含有碳、氢、氧元素。但从题目所给的实验事实,只能肯定这两者中都含有碳元素。若结论为两者都含碳、氧元素,或两者都含碳、氢、氧元素,都超出了题目所给实验事实的支持范围。
结果14266名学生中选答A、B、C、 D、X选项的分别为639(6%)(4.5%)、11367 ( 79.7% )、1388( 9.7% )、862(6%)和10 (0.1%),正确率为79.7%。而在后续的测试中,使用了如下这道内容和形式与上题相同但难度略大的试题,结果得到的正确率骤降。
例3 (2007年B卷第4题)有两颗花生,其中一颗已长芽,如图所示。
两颗花生各取一半,分别滴入一滴碘酒,一会儿,未长芽的花生变蓝,已长芽的没有变化。根据这个实验,对已长芽的花生能得出的结论是()
A.里面的淀粉被分解、消耗
B.里面的淀粉、蛋白质被分解、消耗
C.里面的淀粉、脂肪被分解、消耗
D.里面的淀粉、蛋白质和脂肪都被分解、消耗
花生里面有淀粉、蛋白质、脂肪等营养物质。在花生发芽的过程中,为了维持芽的生长,我们有理由推测花生里面的淀粉、蛋白质、脂肪被分解掉了。但从题目所给的实验事实则只能得出“花生里面的淀粉被分解、消耗”的结论;要得出其他结论,仅靠这个实验是不够的。测试结果是:40506名学生中选答A, B, C, D, X选项的分别为19837 (49%)、5983(14.8% )、2593 (6.4%)、11920(29.44%)和173(0.4%),正确率只有49%。
从理论上讲,学业水平测评必须基于学业质量评价标准或课程标准中相应的内容。然而,我们不得不面对的现实是,在我们这个对考试十分重视的教育人口大国,有关学业测评的规模化、系统化和连续性研究与实践体系尚处在建设中,以至一旦提到“对特定的学科内容和学段提出什么样的学习要求是合适的”这样有关学业质量标准的问题,往往拿不出有说服力的实证数据。在这种情况下进行的学业水平测试,实际上也是一个学业质量评价标准建设的过程。可以这么说,学业质量标准与学业水平测评之间是鸡和蛋的关系,真正的学业质量标准只会诞生于学业水平测评之中。认识到了这一点,课题组在面对科学学科学业测评的诸多难题时就彻底打消了等、靠、要的思想,能积极主动地进行学术思考和实践探索,使学业测评的过程变成对课程和学业质量标准的研究过程。在规划科学探究考查内容时,这样的理念和策略就起到拨云见日、引领方向的作用。
对于科学而言,探究是理所当然的事,没有探究何来科学?而将科学探究引人科学课程与教学之中,不仅作为重要的理念强调,作为重要的教与学的方式倡导,而且作为课程目标和课程内容要求加以落实。实事求是地说,科学探究学习在我国毕竟尚处于探索阶段,有关内容虽然在课程标准中被置于重要的地位,但对它的理解,在各个层面都还存在不少有待深化的问题。这一发展中特有的问题及其影响已在新课程实践中得到凸显,其中最突出的表现就是对科学探究的泛化、神化和形式化,结果不是如前述那样的将“活”的方法变成了“死”的知识或技能,就是把聚焦问题自然生发、逻辑推进的思考活动变成了聚焦“步骤”、“程序”、“环节”的“探究八股”,与科学探究的本质意义背道而驰。
这样的情况更强化了我们一直以来的一个明确主张,那就是实施科学探究学习应该强调的是科学探究的基本特征而非其步骤或环节。因为区别事物的基本方法就是把握它们的特征。要实施不变“味”的科学探究教与学,也必须把握准其基本特征。考查科学探究,自然也应该围绕其基本特征做文章。
然而,什么是科学探究的基本特征呢?美国国家研究理事会2000年组织编写出版的Inquiry and the National Science Education Standards-A Guide for Teaching and Learning一书中有如下说法:
●学习者围绕科学性展开探究活动(Learners are engaged by scientifically oriented questions. )
●学习者获取可以帮助他们解释和评价科学性问题的证据(Learners give priority to evidence, which allows them to develop and evaluate explanations that address scientifically oriented questions. )
●学习者根据事实证据形成对科学性问题的解释 ( Learners formulate explanations from evidence to address scientifically oriented questions. )
●学习者通过比较其他可能的解释,特别是那些体现出科学性理解的解释,来评价他们自己的解释(Learners evaluate their explanations in light of alternative explanations, particularly those reflecting scientific understanding)
●学习者交流和论证他们所提出的解释(Learners communicate and justify their proposed explanations. )
经过多年以来聚焦科学探究教学的研究和在教师教育中身体力行的实践,本课题组对科学探究的基本特征有了更深刻、更丰富具体的认识,积累了不少鲜活而有深度的探究案例。在考虑科学探究的考查时,我们明确地将重点定位于五年的测评实践中,课题组已在科学探究能力的考查上迈出了第一步,下面结合一些具体的试题和测试结果,报告我们在这方面初步探索的心得。