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PISA科学素养测评分析及启示——指向小学科学探究活动的设计

范文

许春良

摘要：科学探究既是科学教学的目标和结果，又是科学教学的主要方式。科学探究活动的设计直接决定着科学教学的有效性。PISA对科学素养的内涵和评价有其独特的理解和做法。分析PISA科学素养试题的编制特点，对于当前小学科学课堂中科学探究活动的设计具有独特的启示作用和积极的实践意义：引入STE（A）M理念，体现科学探究活动的学科整合性;采用生活化问题，体现科学探究活动的任务情境性;采集数据化现象，体现科学探究活动的证据有效性。

关键词：PISA科学素养科学探究活动设计策略

科学一方面表现为人类对自然世界的一种认知结果，其主要形式为科学知识、科学规律和科学解释等;另一方面还可认为是人类对自然世界的一种认知活动，其主要形式如科学探究、科学应用和科学想象等。科学探究既是科学教学的目标和结果，又是科学教学的主要方式。科学探究活动的设计直接决定着科学教学的有效性。

PISA作为一个全球化的科学教育国际比较研究项目，不仅从评价的角度提出了科学素养的完整内涵，而且以此为框架编制了科学素养试题并进行了全球范围内的测评实践。PISA对科学素养的内涵和評价有其独特的理解和做法。分析PISA科学素养试题的编制特点，对于当前小学科学课堂中科学探究活动的设计具有独特的启示作用和积极的实践意义。

一、PISA科学素养测评分析

（一）PISA科学素养的内涵分析

我国对小学科学课程的定位是培育人最基本的科学素养;从课程实施的角度而言，它需要教师在教学中引导学生亲历和体验科学探究过程，培养他们对科学的兴趣，帮助他们初步理解科学的本质，基本掌握科学探究的方法，最终形成科学的思维能力。而PISA对科学素养的界定则主要是从测评的视角切入的，它认为科学素养是指个人在以下这些方面的具体表现：

（1）掌握科学知识;运用科学知识来指出问题，获取新知识，解释科学现象，并对科学相关的问题做出以证据为基础的结论。

（2）理解科学作为人类知识和探究的特点。

（3）意识到科学和技术如何塑造我们所在的物质环境、智力环境和文化环境。

（4）作为一名积极思考的公民，乐于运用科学的观念并参与科学有关的问题。

为了便于进一步实施测评，PISA2015将科学素养强调为一种核心能力，并将大部分测评使用的科学问题设定在广泛多样的现实生活情境（如转基因食品）中，以此检验学生对“科学地解释现象”“设计和评价科学探究”“科学地阐释数据和证据”这三种能力的实际应用水平。测试中，三种能力所占的比例也有所侧重：“科学地解释现象”约占40%～50%，“设计和评价科学探究”约占20%～30%，“科学地阐释数据和证据”约占30%～40%。

由此可以窥见，PISA在编制科学素养试题时，更多地是想评估学生对未来生活所做的准备状态，即是否具备了足够的应付未来生活的潜在能力，而不是像常规考试那样侧重检测学生掌握了多少具体的科学知识。

（二）PISA科学素养试题的特点分析

1.采用单元编排，打破学科和试题之间的分隔限制。

PISA科学素养试题一般围绕单元主题组织编排，每个单元包含若干小问题，各个小问题之间在知识、能力和态度上存在关联，在形式上大多采用开放性设问。从主题内容上看，这些问题又往往与生活中的物理、化学、生物、地理等学科多层面地相互融合，即要求学生能够综合运用多种学科知识来解决问题。

需要特别指出的是，单元编排的方式因为减少了测评情境的数量，故而在保证所选用试题情境的代表性和适当性方面要求极高，以免因情境的减少而造成测评的片面性和无效性。PISA最终所采用的试题需要满足（经过）一系列严格的命题要求（评审环节），如：命题必须符合科学素养框架的要求;对一般水平的学生而言，每个小问题的答题时间不超过2分钟，整个单元测试的完成时间不超过10分钟;试题引导文本和题目符合15岁学生的生活经验等。

2.创设真实情境，引入模拟和互动的科学实验。

PISA十分注重试题设计的生活情境化。情境一般都是学生在现实生活中可能遇到的，如台风、海啸、地震、海洋生物、大气、阳光、温室效应、细菌、冰山等。采用基于情境的科学素养测评方法，能够有效引发学生科学能力真实、成功地发挥，有效体现学生对有关自然世界和科学本身的知识的应用，有效衡量学生对科学事物的态度。

尤其是在PISA2015中，情境的丰富性和真实性进一步呈现灵活多样的趋势——有的需要进行科学实验，有的需要对已有实验数据进行分析，还有的则需要利用计算机模拟实验采集数据等。

3.分析图表数据，强调利用证据来解释科学现象。

PISA自一开始就特别注重让学生寻找并利用试题中定性和定量的证据来展开科学论证，运用图表等方式来表达数据，掌握转换不同形式数据的表达方式，并阐释数据背后所隐藏的有价值的可能性。以下为PISA中的一道关于“温室效应”的试题。

温室效应

温室效应在20世纪越来越显著。事实表明，地球大气层的平均温度不断上升。有研究说，二氧化碳排放量增加是 20 世纪气温上升的主要原因。

小德对研究地球大气层的平均温度和地球上二氧化碳排放量之间的关系很有兴趣，他在图书馆找到了两幅曲线图（如图1、图2）。

小德从曲线图中得出结论，认为地球大气层平均温度的上升显然是由二氧化碳排放量的增加而引起的。

问题1：曲线图中有什么资料支持小德的结论？

问题2：小德的同学小妮却不同意他的结论。她比较了两幅曲线图，指出其中有些数据并不符合小德的结论。请从曲线图中举出一项不符合小德结论的数据，并解释答案。

问题3：小德坚持自己的结论，但小妮则认为他的结论太草率。她说：“在接受这个结论之前，你必须确定在大气层内其他会影响温室效应的因素维持不变。”请写出小妮所指的其中一个因素。

这道题由浅到深地测评了学生的证据意识和能力。问题1测评学生能否基于证据得出结论，需要学生同时利用两张曲线图所呈现的信息;问题2测评学生能否找到与结论相矛盾的数据，需要学生识别出曲线图中不利于结论的那部分证据;问题3测评学生“科学地解释现象”的能力，需要学生分析得出影响温室效应的其他因素。同时，本题试图向学生传递这样一种信息：基于证据得出的结论有可能是错误的;只选择支持自己结论的证据，而忽略那些看上去不利于自己结论或者偏差较大的证据，不应该是一个具备科学素养的人的做法。

二、对小学科学探究活动设计的启示

（一）引入STE（A）M理念，体现科学探究活动的学科整合性

科学探究天生就具有多学科整合的特征。比如美国的科学教育与数学、技术等学科历来是紧密相连的，从最早的STS课程到当下的STE（A）M课程，多学科整合始终占据着美国科学教育改革的最前沿。在具体实践过程中，STE（A）M也被理解为一种课程实施理念、策略，其实质是为学生提供一种动手做的课程体验，让他们用所学到的科学、数学知识来应对具体的现实问题。

STE（A）M学习从“明确的结果”和“模糊的任务”两个维度对科学探究活动进行了顶层设计。所谓“明确的结果”，是指指向一个可测量的、有明确定义的结果，确保学生能够对目标有确定的展望，如用指定的材料搭建符合特定技术参数要求的塔台。所谓“模糊的任务”，是指对任务的定义比较模糊，学生可以采用多种方法来解决所遇到的问题，如在建造前可以广泛搜集各种世界知名建筑物的资料，来决定塔台采用何种外形、部件之间如何连接、怎样检测它的牢固度等等。“模糊的任务”并不表示教师无所作为，缺乏设计;恰恰相反，它要求教师能够通过设计，引领学生掌握高阶思维技能、问题解决能力以及更多的学习内容。

基于这样的理念，教师在设计科学探究活动时，既要充分考虑探究问题的难易程度和学生对相关知识的掌握程度，也要充分考虑教学辅助材料的丰富程度以及探究时间的充分程度等多方面因素。

（二）采用生活化问题，体现科学探究活动的任务情境性

目前，大一统的教材与教材本身知识结构的逻辑性特点、因顾及知识的准确性和反复可验证性而不得不滞后的特点，导致我们的教材很难呈现时效性较强的，与学生个人生活、家庭生活、社会生活密切相关的学习内容。这种状况直接导致基于科学问题的科学探究活动占据了科学课堂的大部分时间，教师只关注让学生获得最终的科学结论，而不会让他们在结合自己原有生活经历和情境体验的基础上思考这些科学结论，或者说不会让他们在现实生活中尝试应用这些科学结论。

基于生活化问题的科学探究活动则有所不同，它倡导让学生和生活进行亲密的接触——一方面学习现实生活中的科学，另一方面在现实情境中应用科学。其实，小学科学是一门与社会生活联系非常密切的自然学科。在设计科学探究活动时，教师很容易找到与社会生活以及学生已有经验的交集。可以结合具体的活动主题选取学生身边的各种常见物体和材料做实验器材，如气球、皮筋、磁铁、光盘等;也可以提取生活中与科学有关的现象、事件、新闻和电影等做活动主题;还可以设置与社会、环境相关的科学内容，如火山喷发、污水净化、温室效应等。

值得一提的是，科学探究活动的任务情境化也有利于活动的顺利开展。比如在研究影响降落伞下降快慢的因素时，就可以创设一个为神舟飞船设计缓降装置的情境性任务，用鸡蛋落地来模拟飞船着陆。

（三）采集數据化现象，体现科学探究活动的证据有效性

传统的科学实验往往需要学生具备一定的仪器操作技能，需要教师花费大量的时间和精力进行讲解和训练。若器材有缺损或学生操作技术不完善，则容易造成实验数据失真和不完整，进而直接影响实验数据的分析和实验结论的得出，学生的探究热情与严谨的数据意识也会大受挫折。在这种情形下，如何精确地获取实验数据往往决定了一次科学探究活动的成败。

可以引入传感器。借助一些数据采集器、传感器和配套的电脑软、硬件，一些传统方法难以完成或无法完成的探究活动能够顺利进行。比如，对一个自然水域进行考察研究时，可以用 pH 传感器研究水体的酸碱度，使水质的研究能有实质性深入，进而还可以研究酸雨的影响，甚至扩展到研究土壤酸碱度对植物生长的影响。实时的现象得到量化，长时间的数据采集变得更加准确和智能。

还可以借助虚拟技术。如“虚拟星空”技术能让学生不受天气、时间和地理环境的影响，随时随地对宇宙中的星座进行观察;“虚拟物理实验室”可以让学生在安全、快捷的条件下进行电学、力学、机械等主题的研究性学习。

参考文献：

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[2] 刘克文，李川.PISA2015科学素养测试内容及特点[J].比较教育研究，2015（7）.

[3] 〔美〕罗伯特·M.卡普拉罗，等.基于项目的STEM学习：一种整合科学、技术、工程、数学的学习方式[M].王雪华，屈梅，译.上海：上海科技教育出版社，2016.

[4] 仇丽君.PISA科学素养测评对小学科学教与学的启示[J].中小学教材教学，2015（12）.

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