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如何在纸笔测试中评价学生科学探究素养

范文

马琳

摘要：纸笔测试评价学生的科学探究素养，必须与课程目标相吻合。命题框架应依据课程标准要求，从科学探究要素着手，突出评价学生科学探究素养的发展状况和学业质量的达成程度。通过8个案例具体阐释提出问题、猜想与假设、设计与实验、解释与结论、反思与评价等过程，突显以立德树人为根本任务的素质教育。

关键词：科学探究素养;纸笔测试;评价

2017年版《普通高中化学课程标准》（以下简称《普高化学课标》）将“科学探究与创新意识”确立为化学学科五大核心素养之一[1];2011年版《义务教育化学课程标准》（以下简称《初中化学课标》）强调发展学生科学探究能力，明确发展学生科学探究能力的要素并对各要素提出具体目标要求。设计与课程目标直接对应的测试试题，有效评价学生化学学科核心素养的发展状况和学业质量的达成程度，是落实两个课标要求的必要措施。

1 纸笔测试试题命题原则与框架结构

纸笔测试操作方便，是最常用的学业质量评价方式。虽然纸笔测试很难考查学生的实验操作情况，也不能满足测量评价科学探究的全部要素，但利用探究试题的开放性，让学生在丰富的实验情境中或设计、或评价、或补充、或修正，能有效评价学生的科学素养。

《普高化学课标》对学业水平考试命题建议“情境的设计、知识的运用、问题的提出与解决均应有利于实现对学生核心素养的测试”[2]。依据课标要求和不同学段学生心智发展水平，评价学生科学探究素养的试题命题应以发展学生核心素养为测试宗旨，以真实情境为测试载体，以实际问题为测试任务，以学生掌握的化学知识和探究实验技能为解决问题的工具，突出评价学生的科学探究素养发展状况和达成程度。基于《普高化学课标》命题框架[3]，归纳科学探究素养试题命题框架如图1所示。

2 纸笔测试试题设计及评价依据

2.1 试题情境

科学探究素养试题是以一定的情境材料为载体，围绕某个核心知识点，依据科学探究要素，设计系列层次性问题，评价学生科学探究素养。

试题情境材料是基于落实课程标准的评价目标，适合学生主体且作用于学生主体，让学生产生一定的情感反应，使学生主动积极建构知识，并能引导学生灵活运用结构化知识解决实际问题而设计的文字（图片、图表）等素材。

因科学探究素养试题的探究性，其情境领域的划分应依据课标要求，“紧密联系学生学习和生活实际，体现科学、技术、社会和环境的发展成果”[4]。故以知识范畴为维度，将科学探究素養试题背景维度划分为：科学技术、社会和环境、学科实验。科学技术是以近现代与化学有关的科学技术研究成果;社会和环境是以当今社会人们关注的化学与人类衣、食、住、行、社会生产生活以及环境等密切相关的事物;学科实验是与学科知识相关联的探究实验。

情境材料涉及的探究内容要求：（1）真实;（2）有探究价值，不能随意生成，不能脱离学科伦理价值的规范;（3）与“学生原有的知识和经验”形成有意义的连接;（4）情境材料的文字（图片或图表）等描述要求：①有明确探究问题的指向，②描述要简明扼要。

2.2 根据科学探究要素设计的问题

《初中化学课标》明确发展学生科学探究能力要素为：提出问题、猜想与假设、设计并进行实验、解释与结论、反思与评价、表达与交流[5]。《普高化学课标》没有细化科学探究要素目标，但在“化学学科核心素养的水平划分”中将“科学探究与创新意识”分为4个等级水平，明确不同水平中科学探究素养的达成程度。课标中发展学生科学探究能力各要素的目标与水平是评价学生科学探究素养的标准。评价活动的最终目的，要有利于教育目标的实现[6]。

科学探究素养试题不要求每道试题都包含科学探究的所有要素，其体现科学探究的基本过程有多种形式和不同水平，但从纸笔测试评价角度，试题结构一般包含“提出问题、猜想与假设、设计并进行实验、解释与结论、反思与评价”。

2.2.1 提出问题

科学探究，首先要学会提出问题。为激发学生提出问题，纸笔测试试题的问题情境材料有明确的探究问题指向。学生阅读试题情境材料，结合生活经验和已有知识，发现问题并提出问题。对于学生提出问题的能力《初中化学课标》的目标要求是：“能独立提出有探究价值的问题;能用文字明确表述所发现的问题”[7]。《普高化学课标》分4个能力水平，水平1“教材给出问题”、水平2能提出“简单问题”、水平3“具有较强的问题意识，能在与同学讨论基础上提出探究性问题”、水平4“能根据文献和实际需要，提出综合性的探究课题”[8]。

[案例1]“夏天，我们喝可乐饮料，打开饮料瓶发现有大量气泡冒出”请根据上述介绍，结合已有知识和生活经验提出可探究的问题。

下面为几位学生提出的问题：

A学生：可乐饮料冒出气泡中的气体成分是什么？

B学生：温度、压强影响气体的溶解度吗？

C学生：夏天人们为什么喜欢喝饮料？

D学生：饮料中含有气体吗？

试题情境材料与生活密切相关，以常见碳酸饮料为背景材料，让学生提出可探究问题。试题情境材料表述的关键词：夏天、打开饮料瓶、大量气泡冒出，问题指向——温度（夏天）、压强（打开饮料瓶）、气体成分（气泡）。试题让学生运用学过的知识，提出有探究价值的问题并用文字清晰表达，评价符合《初中化学课标》的目标要求。

2.2.2 猜想与假设

猜想是对问题做出的各种尝试性解释（或者说对问题答案做出猜想）。纸笔测试是对学生猜想的评价，《初中化学课标》明确为“能主动地或在他人的启发下对问题可能的答案做出猜想或假设;具有依据已有的知识和经验对猜想或假设做初步论证的意识”[9];《普高化学课标》没有明确的标准，但达到高中学业水平4的学生对探究问题的猜想“要用可观察测量的术语陈述;必须精确阐述（不能含糊或宽泛）;要确立研究问题的相关变量;猜想中要研究的变量是可操作的”。

对问题的猜想要注意控制变量，一般来说，应选择一个因子作为探究的自变量，以此对自变量作猜想（多个变量可做若干个猜想），变量与问题有因果关系。

[案例2]某学生向管壁附有少量FeCl3的试管中倒入5%的H2O2溶液，发现试管壁周围产生大量气泡。该同学通过查阅资料，提出这样的问题：H2O2溶液加入少量FeCl3为什么出现大量气泡？请你对该问题做出猜想？

某学生猜想：FeCl3离解出的Fe3+对H2O2溶液分解具有催化作用，加快了H2O2的分解速率。

该学生用规范的化学语言（FeCl3、离解、Fe3+、分解、催化作用、分解速率）精确阐述出现大量气泡的原因——Fe3+具有催化作用，加快了H2O2的分解速率。“FeCl3的有无、加入的量”是可操作的，反应前后Fe3+的化学性质与质量是可以测定的。Fe3+是控制变量中的自变量，“H2O2的分解速率”是因变量。

试题以学科实验的意外发现为情境材料，引导学生做出猜想。案例2学生的猜想是建立在学生掌握Fe3+的性质等相关知识、具备Fe3+检验和Fe3+反应前后质量的测定等探究能力基础之上的。另一方面，猜想可以正确，也可以不正确，从试题情境分析，也可以做出这样猜想：“FeCl3离解出的Cl-对H2O2溶液分解具有催化作用，加快了H2O2的分解速率”。该题为开放性试题，通过学生猜想的文字表述和试题背景提供的信息研判学生的猜想能力水平。评价结果不是简单的对错，而是根据学生对猜想的表述，研判学生素养水平层次，或给予相应赋分（如水平1赋1分、水平2赋2分、水平3赋3分、水平4赋4分）。根据本题的问题知识层次和学生猜想文字描述水平，案例2学生猜想能力水平达到素养水平4。

[案例3]（2017北京理综28题改编）某小组在验证反应“Fe+2Ag+Fe2++2Ag”的实验中检测到Fe3+，发现和探究过程如下：向硝酸酸化的0.05mol·L-1硝酸银溶液（pH≈2）中加入过量铁粉，搅拌后静置，烧杯底部有黑色固体，溶液呈黄色。

针对“溶液呈黄色”，甲认为溶液中有Fe3+，乙认为铁粉过量时不可能有Fe3+，针对两种观点继续实验：

① 取上层清液，滴加KSCN溶液，溶液变红，证实了甲的猜测。同时发现有白色沉淀产生，且溶液颜色变浅、沉淀量多少与取样时间有关（资料：Ag+与SCN-生成白色沉淀AgSCN）。

② 对Fe3+产生的原因作出如下假设：

假设a：可能是铁粉表面有氧化层，能产生Fe3+;

假设b：空气中存在O2，由于（用离子方程式表示），可产生Fe3+;

假设c：酸性溶液中NO -3具有氧化性，可产生Fe3+;

假设d：根据现象，判断溶液中存在Ag+，可产生Fe3+。

试题以学科实验为情境材料，设计系列情境问题。产生Fe3+的因素很多——铁粉表面有氧化层，能产生Fe3+;空气中存在O2，由于4Fe2++O2+4H+4Fe3++2H2O，可产生Fe3+;酸性溶液中NO -3具有氧化性，可产生Fe3+;根据加入KSCN溶液产生白色沉淀的现象，判断溶液中存在Ag+，可产生Fe3+。因此，在探究实验中，如果一个问题的猜想有多个因子（变量）可作为自变量，进行猜想时，要注意在控制变量中选择一个自变量，这样利于设计验证实验。

案例3对探究问题给出了4个猜想，用有效的问题设计形成了具有不同复杂程度的测试任务，可根据学生运用知识解决问题的表现评价学生核心素养的发展水平和达成度。根据试题所涉及的知识层次和问题深度，案例3评价层次达到素养水平4。

2.2.3 设计并进行实验

猜想可能正确，也可能错误，要通过实验验证。《初中化学课标》“发展科学探究能力”方面的目标要求：“在教师指导下或通过小组讨论，提出活动方案，经历制订科学探究活动计划的过程;能在教师指导下或通过小组讨论，根据所要探究的具体问题设计简单的化学实验方案，具有控制实验条件的意识”;“进行实验”的目标要求：“能积极参与化学实验;能独立地或与他人合作进行实验操作;能在实验操作中注意观察和思考相结合”[10]。《普高化学课标》的目标要求：水平1“设计简单的实验方案，完成实验操作”、水平2“依据假设设计实验方案，与同学合作完成实验操作”、水平3“依据假设提出实验方案，独立完成实验”、水平4“根据假设提出多种探究方案，评价和优化方案”[11]。

因此，纸笔测试对学生设计并进行实验的评价主要包括：实验设计科学、合理、具有可操作性，实验方案完整;注意控制变量，設计对照实验。

[案例4]某酸性工业废水中含有K2Cr2O7，光照下，草酸（H2C2O4）能将其中的Cr2O2-7转化为Cr3+。某课题组研究发现，少量铁明矾[Al2Fe（SO4）4·24H2O]即可对该反应起催化作用。为进一步研究有关因素对该反应速率的影响，探究如下：

（1）该课题组对铁明矾[Al2Fe（SO4）4·24H2O]中起催化作用的成分提出如下猜想：Fe2+起催化作用。

（2）为验证猜想，甲学生设计的实验方案见表1（温度和光照强度相同）。

请你分析甲学生设计的实验方案的优点和不足，并说明你设计的实验方案。

显然，甲学生设计的实验方案很好地控制了废水样品的体积、草酸的pH及体积、溶液中SO2-4和Al3+物质的量、反应时间以及温度和光照强度等变量关系，但未设计空白实验[即对照实验中没有设计一个未加入Al2Fe（SO4）4·24H2O和K2SO4·Al2（SO4）3·24H2O的实验]，也未排除K+的浓度不同是否给实验造成干扰。因此，设计实验方案应先设计一个排除K+浓度影响的实验，还要再设计一个没有加入Al2Fe（SO4）4·24H2O和K2SO4·Al2（SO4）3·24H2O的空白实验。

试题以处理工业废水中的K2Cr2O7为背景，设计问题情境，其第（2）小题让学生设计和补充实验方案，评价层次达到素养水平4。

[案例5]甲学生发现家中使用的铜制自来水龙头表面长了一层铜绿，他查阅资料知道：铜锈的主要成分是铜绿[Cu2（OH）2CO3]，铜生锈的条件除氧气和水外，还须有二氧化碳。请你根据学过知识设计实验，探究铜生锈的条件。

某学生设计的实验方案见图2（使用的水为蒸馏水，加入试管前应先加热煮沸）。

2.2.4 解释与结论

解释与结论是通过实验现象、实验数据，给猜想一个明确结论，或一个科学合理的解释，即猜想正确与否。《初中化学课标》中“发展科学探究能力”的“解释与结论”目标要求为：“能对事实与证据进行加工与整理，初步判断事实证据与假设之间的关系;能在教师的指导下或通过讨论，对所获得的事实与证据进行归纳，得出合理结论;初步学习通过比较、分类、归纳、概括等方法逐步建立知识之间的联系”[12]。《普高化学课标》中4个能力水平要求为：水平1“对实验现象作出解释”、水平2“基于实验事实得出结论”、水平3“基于现象和数据进行分析并得出结论”、水平4“能用数据，图表、符号等处理实验信息”[13]。

[案例6]（2016安徽中考第14小题，有删减）某研究小组对自动充气气球（见图3）进行下列探究。

探究二：白色粉末成分的探究

[猜想与假设]甲同学认为是碳酸钙;乙同学认为是碳酸钠;丙同学认为是碳酸氢钠。

[设计并进行实验]将少量白色粉末放入水中搅拌，固体全部溶解，说明甲同学的猜想（填“正确”或“不正确”）。

室温时，分别向盛有碳酸氢钠、碳酸钠和白色粉末样品的锥形瓶中注入等体积、足量的10%盐酸（装置图略），记录如表2所示。

[分析并得出结论]如何从上表中获取证据并得出结论？

试题以自制气球图片为情境材料，根据探究过程设计情境问题。探究实验结合化学反应计算考察学生在科学探究中“证据推理”方面的化学学科核心素养。该题不需要复杂计算，只需利用反应的化学方程式中相关物质质量比，分析等质量碳酸钠和碳酸氢钠与足量盐酸反应产生气体体积差异，推理分析白色粉末是什么物质。试题设计根据《初中化学课标》控制试题难度，不超越初中学段学生基础知识，评价目标符合课程标准要求，和课程内容吻合。

[案例7]（2015广东高考理综33题改编）NH4Cl水溶液可以用来除铁锈，除锈效果与NH4Cl水解程度有关。提出问题：影响NH4Cl水解因素是什么？

设计实验方案验证猜想：（限定试剂与仪器：固体NH4Cl、蒸馏水、100mL容量瓶、烧杯、胶头滴管、玻璃棒、药匙、天平、pH计、温度计、可控温度的恒温水槽）。

（1）某实验探究小组依据实验方案拟定实验表格，如表3所示。

请你在表中列出能直接读取数据的相关物理量及需拟定的数据，数据用字母表示[表中“V（溶液）”表示所配制溶液体积]。

（2）根据实验①所拟定数据，若读取的待测物理量的数据为Y，计算NH4Cl水解反应的平衡转化率为。（只写算式，忽略水自身电离的影响）

学生完成此题首先要分析影响盐水解因素的物理量，做出猜想，再依据控制单一变量思想和题目限定的仪器与试剂，设计对照实验，拟定实验数据，根据盐水解后溶液酸碱性变化来确定待测物理量——溶液的pH（确立的因变量）。NH4Cl溶液浓度的影响实验记录参考答案见表4。

计算NH4Cl水解反应的平衡转化率。学生依据NH+4+H2OH++NH3·H2O及忽略水电離影响的提示，求出c（H+）=10-pH，结合（2）给定的待测物理量数据Y，推导出c水解（NH+4）=c（H+）=10-Y;再根据拟定的水解前加入NH4Cl的质量ag和溶液体积100mL，求出NH4Cl初始物质的量浓度，进而计算NH4Cl水解百分率。

试题以“NH4Cl水溶液除锈效果与NH4Cl水解程度有关”设计问题情境，依据影响盐的水解因素设计实验方案制定实验表格，让学生用表格处理实验信息，进而让学生计算NH4Cl水解反应的平衡转化率，综合考察评价学生科学探究素养。学生确定表格中需要读取的物理量及拟定数据，并利用拟定的数据处理实验信息，难度较大，评价层次达素养水平4。

2.2.5 反思与评价

《初中化学课标》中“反思与评价”的课程目标：“有对探究结果的可靠性进行评价的意识;能在教师的指导下或通过讨论，对探究学习活动进行反思，发现自己和他人的长处与不足，并提出改进的具体建议;能体验到探究活动的乐趣和学习成功的喜悦”[14]。《普高化学课标》化学学科核心素养的水平要求：水平1“发现和提出需要进一步研究的问题”、水平2“提出自己看法”、水平3没有明确目标水平、水平4“能对实验中的‘异常现象和已有结论进行反思、提出质疑和新的实验设想”[15]。

科学探究试题的“反思与评价”旨在考察学生反思能力，内在促进学生的创新意识，深层次了解学生的科学态度与科学精神。

[案例8]（2018北京理综第28题，有删减）实验小组制备高铁酸钾（K2FeO4）并探究其性质。

资料：K2FeO4为紫色固体，微溶于KOH溶液;具有强氧化性，在酸性或中性溶液中快速产生O2，在碱性溶液中较稳定。

（1）制备K2FeO4（见图4，夹持装置略）。

（①②内容略）

③ C中得到紫色固体和溶液，C中Cl2发生的反应有：3Cl2+2Fe（OH）3+10KOH2K2FeO4+6KCl+8H2O，另外还有。

（2）探究K2FeO4的性质。

① 取C中紫色溶液，加入稀硫酸，产生黄绿色气体，得溶液a，经检验气体中含有Cl2。为证明是否K2FeO4氧化了Cl-而产生Cl2，设计方案见表5。

② 根据K2FeO4的制备实验得出：氧化性Cl2FeO2-4（填“>”或“<”），而方案Ⅱ实验表明，Cl2和FeO2-4的氧化性强弱关系相反，原因是。

③ 资料表明，酸性溶液中的氧化性FeO2-4>MnO-4，验证实验如下：将溶液b滴入MnSO4和足量H2SO4的混合溶液中，振荡后溶液呈浅紫色，该现象能否证明氧化性FeO2-4>MnO-4。若能，请说明理由;若不能，进一步设计实验方案。

理由或方案：。

试题以学科实验为情境，在探究K2FeO4的性质部分设计了两个实验方案。方案Ⅰ中由溶液变红现象让学生得出a中含有Fe3+的结论，进而让学生产生质疑——该离子的产生不能判断一定是K2FeO4将Cl-氧化，还可能由4FeO2-4+20H+4Fe3++3O2↑+10H2O产生;由K2FeO4的制备实验，让学生得出“氧化性Cl2>FeO2-4”的结论，再由方案Ⅱ实验得出“Cl2和FeO2-4的氧化性强弱关系相反”，让学生反思原因——“溶液酸碱性不同”;试题最后通过资料说明“酸性溶液中的氧化性FeO2-4>MnO-4”，并提供验证实验“将溶液b滴入MnSO4和足量H2SO4的混合溶液中，振荡后溶液呈浅紫色”，让学生结合现象判断“能否证明氧化性FeO2-4>MnO-4，若能，请说明理由;若不能，进一步设计实验方案”。试题设计的问题层层递进，反思层层深入，既要求学生通过分析实验现象得出结论，又要求学生对实验结论进行反思和提出质疑。试题评价学生科学探究素养水平层次为素养水平4。

3 结束语

需要说明的是，文中列举的案例是重点探讨如何评价科学探究某个要素，而纸笔测试科学探究素养一般包含几个要素，形成系统的问题链，通过学生运用知识和探究技能解决问题，来评价学生科学探究素养水平。因此，科学探究素养试题一般要针对若干个科学探究要素设计成问题链，不孤立考察评价某个要素。

另外，学生解决问题一般是建立在一定知识和技能之上的，高中阶段学生的知识水平、探究技能要求高于义务教育阶段学生，因此纸笔测试评价学生科学探究素养的试题设计还需考虑不同学段学生所具备的知识以及问题设计的深度。再者，如对于开放性试题（案例2、案例5），评价要根据学生解决问题中的具体表现来研判学生的素养水平。

评价是教育工作不可或缺的部分，任何一种评价方式都不可能尽善尽美，纸笔测试亦如此。以“立德树人”为根本任务的素质教育对纸笔测试提出了更高的要求，不仅重视化学学科知识考察，而且更加关注学生在运用知识解决问题过程中所彰显的正确价值观、必备品质和关键能力。

参考文献：

[1][2][3][4][8][11][13][15]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准[S]. 北京：人民教育出版社，2018.

[5][7][9][10][12][14]中华人民共和国教育部制定. 义务教育化学课程标准[S]. 北京：北京师范大学出版社，2012.

[6]刘知新，王建成著. 化学教育測量与评估[M]. 南宁：广西教育出版社，1996：12.

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