基于科學(xué)思維能力評(píng)價(jià)的美國(guó)理科主流試題類型比較及啟示

鄧 磊 包 雷

(1. 西南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，重慶 400700； 2. 俄亥俄州立大學(xué) 物理系，哥倫布 俄亥俄 43202)

新課標(biāo)提出要培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng),對(duì)于物理學(xué)科的核心素養(yǎng)而言科學(xué)思維是其中一個(gè)非常重要的部分．研究什么是科學(xué)思維,科學(xué)思維能力如何劃分,如何培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力是當(dāng)前我國(guó)課程與教育改革所關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題．美國(guó)作為科學(xué)教育開(kāi)展得較為久遠(yuǎn)的國(guó)家,特別是在近年來(lái)STEAM(科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué))課程的提出和施行過(guò)程中,出現(xiàn)了大量不同類型的結(jié)構(gòu)不良(ill-constructed)問(wèn)題,這些問(wèn)題類型都被認(rèn)為是評(píng)價(jià)學(xué)生科學(xué)思維能力的一種切實(shí)可行的手段．

不同類型的問(wèn)題是否對(duì)于評(píng)價(jià)學(xué)生不同的科學(xué)思維能力有所差異?什么類型的問(wèn)題才能客觀、有效、完整地評(píng)價(jià)學(xué)生的科學(xué)思維能力呢?這些不同類型的問(wèn)題又能夠評(píng)價(jià)學(xué)生的哪些科學(xué)思維能力呢?本文以美國(guó)當(dāng)前不同類型的理科主流問(wèn)題為視點(diǎn),希望能從中找出一些線索為我國(guó)培養(yǎng)理科學(xué)生的科學(xué)思維能力提供一些值得借鑒的經(jīng)驗(yàn)和需要規(guī)避的短板．

1 科學(xué)思維能力的內(nèi)涵及類型

1.1 科學(xué)思維

科學(xué)思維也叫科學(xué)邏輯,形成并運(yùn)用于科學(xué)認(rèn)識(shí)活動(dòng)中,是對(duì)感性認(rèn)識(shí)材料進(jìn)行加工處理的方式與途徑的理論體系;它是真理在認(rèn)識(shí)的統(tǒng)一過(guò)程中,對(duì)各種科學(xué)思維方法的有機(jī)整合,它是人類實(shí)踐活動(dòng)的產(chǎn)物[1]．換而言之,科學(xué)思維是一種思維模式,其思考對(duì)象是關(guān)于所有與科學(xué)領(lǐng)域相關(guān)的主題、內(nèi)容或問(wèn)題,思考者通過(guò)熟悉地運(yùn)用其自身思維的內(nèi)部結(jié)構(gòu),并將知識(shí)本體運(yùn)用其上,以達(dá)到提高他或她的思維品質(zhì)的目的[2]．

科學(xué)思維的應(yīng)用可以幫助人們提高科學(xué)素養(yǎng)以及科學(xué)的鑒別能力．而對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)思維的培養(yǎng),可以幫助他們實(shí)現(xiàn):提出并清晰地表達(dá)重要的科學(xué)問(wèn)題;通過(guò)收集并評(píng)價(jià)相關(guān)科學(xué)數(shù)據(jù)和信息,能使用抽象思維去有效解釋問(wèn)題;得出良好歸因的科學(xué)結(jié)論和答案,檢測(cè)其是否與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)一致;在科學(xué)思想的收斂系統(tǒng)中開(kāi)放性地思考,發(fā)現(xiàn)和評(píng)價(jià)科學(xué)假設(shè)、意義以及實(shí)際結(jié)果;面對(duì)復(fù)雜科學(xué)問(wèn)題能與他人有效交流,并提出解決方案．

簡(jiǎn)而言之,科學(xué)思維就是通過(guò)自我監(jiān)控、自我指導(dǎo)、自我約束、自我糾正,實(shí)現(xiàn)并促進(jìn)個(gè)體的有效交流能力,問(wèn)題解決能力以及致力于發(fā)展科學(xué)能力的意向,它是一種內(nèi)隱的思維活動(dòng),而要對(duì)科學(xué)思維進(jìn)行評(píng)價(jià)和管理則需要通過(guò)外顯的科學(xué)思維能力進(jìn)行轉(zhuǎn)譯．

1.2 科學(xué)思維能力及類型

研究者(Watson1998,Cano,Newcomb1990,Whittington2003)認(rèn)為:教師們應(yīng)該創(chuàng)造良好的學(xué)習(xí)環(huán)境幫助學(xué)生發(fā)展高階的認(rèn)知能力,同時(shí)研究者也同意高階認(rèn)知能力是一種不可或缺的技能,其需要在學(xué)校教育中得到充分的強(qiáng)化．

作為認(rèn)知能力中重要部分的思維能力相應(yīng)也被研究者們[3],劃分為高階思維能力(high order thinking skills)和低階思維能力(lower order thinking skills)．低階思維能力包括區(qū)分、簡(jiǎn)單地應(yīng)用和分析,以及認(rèn)知策略和先前知識(shí)．高階思維能力植根于低階思維能力,與解釋、決定、執(zhí)行以及結(jié)果等行為相關(guān),包括批判性思維、邏輯性思維、元認(rèn)知思維、反省思維、創(chuàng)造性思維等多種能力．

雖然到現(xiàn)在為止,學(xué)界還沒(méi)有對(duì)科學(xué)思維能力有一個(gè)準(zhǔn)確界定,但是很多研究者都認(rèn)為科學(xué)思維能力應(yīng)該包括“在學(xué)生科學(xué)探究中的推理能力和思維能力,如提出假設(shè)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、證據(jù)評(píng)價(jià)和推斷結(jié)論的能力等(zimmerman,2007)”．

而本研究認(rèn)為,科學(xué)思維能力是指人們采用科學(xué)思維方式對(duì)科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行分析、整理、鑒別、消化、綜合等加工改造后,能動(dòng)地透過(guò)各種現(xiàn)象把握事物內(nèi)在實(shí)質(zhì)聯(lián)系,形成新的思想,獲得新的發(fā)現(xiàn),制定出新的決策的能力．

基于此,根據(jù)布魯姆的分類(Bloom’s Taxonomy),將科學(xué)思維能力劃分為高階科學(xué)思維能力和低階科學(xué)思維能力．其中低階科學(xué)思維能力包括:記憶能力、理解能力和應(yīng)用能力;高階科學(xué)思維能力包括:分析能力、評(píng)價(jià)能力和創(chuàng)造能力[5]．

縱觀當(dāng)前科學(xué)教育的發(fā)展趨勢(shì),培養(yǎng)學(xué)生的高階科學(xué)思維能力是學(xué)校教育極其關(guān)注的領(lǐng)域．因?yàn)檠芯勘砻?培養(yǎng)學(xué)生的高階科學(xué)思維 能力能促使個(gè)體其他智力能力的持續(xù)發(fā)展．而要有效掌握學(xué)校教學(xué)活動(dòng)中對(duì)學(xué)生高階科學(xué)思維能力的培養(yǎng),則需進(jìn)行正確地評(píng)價(jià),已有研究提出[11]對(duì)學(xué)生高階科學(xué)思維能力的評(píng)價(jià)需要使用學(xué)生不熟悉的科學(xué)問(wèn)題或任務(wù),要求學(xué)生充分利用他們的先前知識(shí)來(lái)回答或完成相關(guān)問(wèn)題和任務(wù)[6],才能確保其使用高階科學(xué)思維能力回答問(wèn)題或任務(wù)．

2 對(duì)美國(guó)主流理科問(wèn)題類型的述評(píng)

什么樣的問(wèn)題或任務(wù)才能對(duì)學(xué)生的高階科學(xué)思維能力進(jìn)行客觀、科學(xué)地評(píng)價(jià)呢?心理研究顯示在某一領(lǐng)域的技能培養(yǎng)可以遷移到其他領(lǐng)域,所以,通過(guò)長(zhǎng)期的學(xué)習(xí),個(gè)體的高階科學(xué)思維能力的發(fā)展完全可以應(yīng)用到更為廣泛的復(fù)雜問(wèn)題中．即,可以通過(guò)復(fù)雜的問(wèn)題來(lái)評(píng)價(jià)學(xué)生的高階科學(xué)思維能力[7]．

為了培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維,美國(guó)科學(xué)教育界將理科問(wèn)題進(jìn)行了結(jié)構(gòu)化劃分,除了常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)良好問(wèn)題(這類問(wèn)題的設(shè)問(wèn)和題給條件明確,答案明確,初始狀態(tài)明確、目標(biāo)狀態(tài)和算子明確),即傳統(tǒng)的理科問(wèn)題外,還非常關(guān)注結(jié)構(gòu)不良問(wèn)題,這類問(wèn)題初始狀態(tài)、目標(biāo)狀態(tài)和算子至少有一個(gè)沒(méi)有明確界定(沒(méi)有明確的結(jié)構(gòu)或解決途徑),被認(rèn)為屬于復(fù)雜問(wèn)題[8]．其主要特征有: (1) 問(wèn)題條件或數(shù)據(jù)部分呈現(xiàn)冗余; (2) 問(wèn)題目標(biāo)界定不明確; (3) 具有多種解決方法、途徑,有時(shí)甚至沒(méi)有解決辦法; (4) 具有多種評(píng)價(jià)解決方法的標(biāo)準(zhǔn); (5) 所涉及的概念、規(guī)則和原理等不確定,或者不知道如何應(yīng)用它們解決問(wèn)題; (6) 沒(méi)有一般性的規(guī)則或原理來(lái)描述或預(yù)言大多數(shù)案例; (7) 需要學(xué)習(xí)者表達(dá)個(gè)人對(duì)問(wèn)題的觀點(diǎn)或信念; (8) 沒(méi)有確切的方法確定行為是否合適; (9) 與真實(shí)生活情境相關(guān)．需要指出的是,一個(gè)結(jié)構(gòu)不良的問(wèn)題并不需要在具有以上所有的特征．

而對(duì)于結(jié)構(gòu)不良問(wèn)題,因?yàn)榛蚓哂袕?fù)雜的問(wèn)題情境,或具有復(fù)雜的問(wèn)題目標(biāo),或具有不確定的評(píng)價(jià)方法,或者需要復(fù)雜的解法等等,從而需要更高水平的思維過(guò)程才能實(shí)現(xiàn)問(wèn)題解決,所以這類復(fù)雜問(wèn)題可以實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生高階科學(xué)思維能力的評(píng)價(jià)．而美國(guó)當(dāng)前主流理科結(jié)構(gòu)不良問(wèn)題主要有情境豐富問(wèn)題、危險(xiǎn)問(wèn)題(場(chǎng)景回構(gòu)問(wèn)題)、費(fèi)米估算問(wèn)題、排序問(wèn)題、提出問(wèn)題等五類．

2.1 情境豐富問(wèn)題(context rich problem)

情境豐富問(wèn)題的題干文字簡(jiǎn)短,但是卻建立于現(xiàn)實(shí)的情景,通過(guò)激勵(lì)性的設(shè)問(wèn)來(lái)刺激學(xué)生解決問(wèn)題,這些問(wèn)題要求學(xué)生利用已有的物理概念或原理來(lái)診斷一個(gè)充滿現(xiàn)實(shí)的情境．

一般而言,情境豐富問(wèn)題是一個(gè)簡(jiǎn)短的故事,主角是學(xué)生,每個(gè)問(wèn)題都使用“你”作為人稱代詞．該問(wèn)題的狀態(tài)是真實(shí)的,但是需要學(xué)生使用模型假設(shè);該問(wèn)題的描述包括了鼓勵(lì)性的動(dòng)機(jī)或“你”去完成某個(gè)任務(wù)的原因;沒(méi)有圖片或圖示,學(xué)生必須使用他們自己的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)來(lái)使該情境可視化;該類問(wèn)題可能會(huì)忽略常見(jiàn)的知識(shí)信息;該類問(wèn)題的目標(biāo)變量可能沒(méi)有被明確地描述出來(lái)．

解決情境豐富問(wèn)題需要較大的挑戰(zhàn)性,一個(gè)學(xué)生不能解決它,但是也不能太具有挑戰(zhàn)性,從而導(dǎo)致一個(gè)小組的學(xué)生也不能解決它;問(wèn)題需要被結(jié)構(gòu)化,因?yàn)橹挥薪Y(jié)構(gòu)性的問(wèn)題,小組成員才能決定如何一步步有條理地解決該問(wèn)題;問(wèn)題與學(xué)生的生活相關(guān);問(wèn)題在數(shù)學(xué)難度上不能太大,同時(shí)也不能有以前學(xué)生學(xué)過(guò)的解題技巧;問(wèn)題不能來(lái)自傳統(tǒng)的章末練習(xí)[9]．

與傳統(tǒng)題目相比,情境豐富問(wèn)題都來(lái)自于真實(shí)的物體,將科學(xué)與真實(shí)世界聯(lián)系在一起;科學(xué)語(yǔ)言、科學(xué)模型、假設(shè)、圖示都沒(méi)有清晰描述,所以給了學(xué)生小組有進(jìn)行決策的機(jī)會(huì);另外,該類問(wèn)題對(duì)學(xué)生而言變量沒(méi)有提前預(yù)設(shè)．

2.2 費(fèi)米估算問(wèn)題(Femi problems)

在物理和工程教育中,費(fèi)米問(wèn)題又被稱為費(fèi)米測(cè)驗(yàn),費(fèi)米估算,或解數(shù)估算,它其實(shí)就是一種估算問(wèn)題,該類問(wèn)題被設(shè)計(jì)于維度分析、近似,以及那些通常用來(lái)進(jìn)行估算的問(wèn)題中．費(fèi)米問(wèn)題來(lái)自于費(fèi)米的真實(shí)估算:當(dāng)原子彈爆炸時(shí),費(fèi)米通過(guò)紙片隨沖擊波掉落在他手中時(shí)所運(yùn)動(dòng)的距離,非常準(zhǔn)確地估算出了三一測(cè)試中原子彈爆炸的強(qiáng)度．

科學(xué)家們通常在轉(zhuǎn)向復(fù)雜方法計(jì)算準(zhǔn)確答案前,使用費(fèi)米估算來(lái)討論問(wèn)題的答案．費(fèi)米問(wèn)題的使用提供了一個(gè)檢查結(jié)果較為常用的方法．雖然估算大多不準(zhǔn)確,但是作為一個(gè)勘誤的簡(jiǎn)單計(jì)算是非常重要的．如果數(shù)值結(jié)果超過(guò)置信區(qū)間,就能發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤假設(shè)．費(fèi)米問(wèn)題給出了一個(gè)快速,簡(jiǎn)單的方法去獲尋問(wèn)題解決的框架,在該框架下所給出的答案是在有理由的情況下被期望的,其結(jié)果也是基于給定情境的．通過(guò)費(fèi)米問(wèn)題,能實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生的邏輯思維能力以及評(píng)價(jià)能力的培養(yǎng)和評(píng)價(jià)．

2.3 排序任務(wù)(ranking tasks)

排序任務(wù)所提供的問(wèn)題一般都包括一些相似的情境狀態(tài)．該狀態(tài)僅在一個(gè)或幾個(gè)物理量上數(shù)值不同(如并聯(lián)或串聯(lián)燈泡的數(shù)目,某物體的速度和質(zhì)量,等等)．學(xué)生根據(jù)題目中設(shè)問(wèn)物理量的要求對(duì)某狀態(tài)進(jìn)行排序(如電流的大小,繩子的張力等)．學(xué)生還需要解釋排序的結(jié)果．排序的結(jié)果和解釋為教師深入了解、識(shí)別學(xué)生的思維及思維模型提供了指引．

排序任務(wù)在幫助學(xué)生修正他們的概念性理念上非常有用．教師給學(xué)生設(shè)置排序任務(wù),學(xué)生獨(dú)立完成該任務(wù),然后與其他同學(xué)的想法進(jìn)行比較、評(píng)價(jià),并盡量發(fā)現(xiàn)思維中的差異,從而能發(fā)展及評(píng)價(jià)其高階科學(xué)思維能力．

排序任務(wù)一般出現(xiàn)在小組或課堂討論中．該任務(wù)也通常被作為家庭作業(yè)或者測(cè)驗(yàn)和考試,來(lái)評(píng)價(jià)學(xué)生的思維能力．

2.4 危險(xiǎn)問(wèn)題(場(chǎng)景回構(gòu)問(wèn)題)(Jeopardy problems)

場(chǎng)景回構(gòu)問(wèn)題又叫危險(xiǎn)邊緣問(wèn)題．最初“危險(xiǎn)邊緣”,是由梅夫格里芬創(chuàng)造的美國(guó)電視游戲節(jié)目．該節(jié)目的特征就是小測(cè)驗(yàn)競(jìng)賽．比賽者必須用問(wèn)題的形式來(lái)回答,主持人給出答案的線索．

后來(lái),在美國(guó)科學(xué)教育界出現(xiàn)了這樣一類結(jié)構(gòu)不良問(wèn)題,該類問(wèn)題由于具有該電視節(jié)目的部分特征最初被稱為“危險(xiǎn)邊緣問(wèn)題”．危險(xiǎn)邊緣問(wèn)題以物理方程開(kāi)始,然后要求學(xué)生用物理概念或原理、規(guī)律等物理名詞來(lái)描述該過(guò)程．該問(wèn)題解決需要使用到對(duì)物理符號(hào)語(yǔ)言深入地概念性理解——類似閱讀經(jīng)典．該類問(wèn)題最本質(zhì)的特征為場(chǎng)景回構(gòu),即將物理方程用一系列或科學(xué)的或生活化的場(chǎng)面、情境進(jìn)行還原性建構(gòu)和描述．

在危險(xiǎn)問(wèn)題中,顛倒了普通的解題過(guò)程:首先,提供一個(gè)物理或其他學(xué)科方程作為給定信息;然后,要求學(xué)生建構(gòu)一個(gè)恰當(dāng)?shù)奈锢?其他學(xué)科)狀態(tài)來(lái)適切該方程．如提供m=60 kg,要求學(xué)生給出物理情境．一般來(lái)說(shuō)學(xué)生可能會(huì)認(rèn)為:這可能是置于水平地面上的一個(gè)質(zhì)量為60 kg的物體;或是一個(gè)60 kg的人,站在地面;還有的學(xué)生會(huì)描述為一個(gè)質(zhì)量為60 kg的人,在水平、無(wú)摩擦的地面滑行．一般而言,學(xué)生大多數(shù)會(huì)提出前面的說(shuō)法．其實(shí),最后的一種說(shuō)法也是可行的——因?yàn)?它是普通學(xué)生的另外一種物理(科學(xué))認(rèn)識(shí)．

在此類問(wèn)題中,學(xué)生被鼓勵(lì)發(fā)散性思考,當(dāng)他們創(chuàng)造性地描述該方程的過(guò)程或狀態(tài)時(shí),他們的高階科學(xué)思維能力會(huì)得到充分的發(fā)展,那么也能更容易地對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)．

2.5 提出問(wèn)題(problem posing)

提出問(wèn)題這類題目(用“提出問(wèn)題”表示),在任務(wù)中提供了結(jié)構(gòu)化的問(wèn)題狀態(tài)(一系列的表面特征和故事線)給學(xué)生,學(xué)生們被要求通過(guò)增加一個(gè)問(wèn)題或一句描述,將該問(wèn)題狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛脤ｉT的或題設(shè)條件給出的物理原理所解決的問(wèn)題．題目中所給出的明確的定理或概念是提出問(wèn)題的線索,“提出問(wèn)題”的要求則需要與教材中所學(xué)內(nèi)容相關(guān)．一般而言,“提出問(wèn)題”會(huì)給出兩個(gè)相似的任務(wù),每個(gè)任務(wù)所需要的結(jié)果明確地與特別的概念或原理聯(lián)系．“提出問(wèn)題”主要希望了解學(xué)生聯(lián)系問(wèn)題空間至概念空間的能力是否具有傾向性．

“提出問(wèn)題”在對(duì)認(rèn)知過(guò)程的評(píng)價(jià)上,仍然是一個(gè)還沒(méi)被完全開(kāi)發(fā)的工具．因?yàn)椤疤岢鰡?wèn)題”涉及到概念和情境的相互影響:該類問(wèn)題提供了豐富的情境,在該情境中可以分析情境是如何被概念提示的,反之也可以分析概念是如何被情境所提示的．“提出問(wèn)題”被證明是一個(gè)強(qiáng)有力的工具,用其可以分析情境如何轉(zhuǎn)變?yōu)楦拍?或相反,以及概念是如何與專門的情境緊密地聯(lián)系在一起的．“提出問(wèn)題”也讓鑒定學(xué)生方面變得可能,可以鑒定學(xué)生科學(xué)思維能力的組成以及這些組成與其所接受的科學(xué)思維的一致程度,及基于這些方面的推理能力．

研究者提出[10]測(cè)量高階科學(xué)思維能力有三類題目/任務(wù)形式是非常有用的:選擇題(包括多項(xiàng)選擇、匹配題和排序題)、主觀題(包括簡(jiǎn)短回答,描述、執(zhí)行任務(wù)及問(wèn)題解決)、解釋題(包括給出選擇的原因或生成反應(yīng)的原因)．

對(duì)比美國(guó)主流理科問(wèn)題類型發(fā)現(xiàn),不管是情境豐富問(wèn)題還是費(fèi)米問(wèn)題抑或提出問(wèn)題,從題目形式上都非常符合對(duì)學(xué)生科學(xué)思維能力測(cè)量的需求:排序問(wèn)題需要排序及給出選擇的原因明顯與選擇題及解釋題的要求接近;情境豐富問(wèn)題、費(fèi)米問(wèn)題、危險(xiǎn)問(wèn)題因?yàn)樾枰?jiǎn)短回答以及進(jìn)行問(wèn)題解決,符合主觀題的要求;提出問(wèn)題不僅需要進(jìn)行描述,同時(shí)也需要給出原因,所以包括了主觀題和解釋題兩類題目的特點(diǎn)．所以,美國(guó)理科的這五類主流問(wèn)題在形式上是完全符合測(cè)量和評(píng)價(jià)學(xué)生高階科學(xué)思維能力的需要的．

3 各類問(wèn)題對(duì)高階科學(xué)思維能力評(píng)價(jià)的優(yōu)勢(shì)與局限

3.1 高階科學(xué)思維能力的組成要素

由于,對(duì)高階科學(xué)思維能力的界定還不太統(tǒng)一,但是幾乎所有的研究者都贊同高階科學(xué)思維能力包括批判性思維,問(wèn)題解決,做出決定以及創(chuàng)造性思維(Lewis & Smith, 1993)．不管是Briggs,Wager (1981), Gagné(1985), Gagné, Briggs, 還是Wager (1988)等也都提出了類似的思維能力分類指標(biāo)．比如:Gubbin(1990)所提出的批判性思維技能矩陣就包括了問(wèn)題解決、做出決定、推理和演繹歸因、發(fā)散性思維、評(píng)價(jià)性思維和推理,當(dāng)然還有一些不太知名的類似概念[11]．

基于大量的文獻(xiàn)綜述[12],本文將高階科學(xué)思維能力分為三個(gè)維度:分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造能力．具體來(lái)說(shuō),分析描述的是區(qū)別與了解事物內(nèi)部聯(lián)系的能力,包括構(gòu)成要素分析,以及要素與要素之間的關(guān)聯(lián)和相互關(guān)系等,它涵蓋了問(wèn)題解決的相關(guān)內(nèi)容．評(píng)價(jià):其實(shí)就是元認(rèn)知和反思,該維度是進(jìn)行高階科學(xué)思維的重要的方面,實(shí)際上體現(xiàn)了批判性思維．創(chuàng)造:把原有思想重新結(jié)合為一種新的完整的思想,包括觀點(diǎn)、意見(jiàn)的提出,計(jì)劃、方案的產(chǎn)生,操作程序的形成,抽象關(guān)系的推導(dǎo)等,這一維度就是創(chuàng)造性思維的內(nèi)容．

高階科學(xué)思維能力的三大維度:分析、評(píng)價(jià)、創(chuàng)造其實(shí)也可以描述為狀態(tài)—能力—結(jié)果．即,學(xué)生在未學(xué)習(xí)的內(nèi)容以及現(xiàn)實(shí)生活困境中,處于矛盾、問(wèn)題、不確定、迷惑、挑戰(zhàn)等狀態(tài),應(yīng)用多維技能(復(fù)雜分析、創(chuàng)造性思維、批判性思維、做出決定、評(píng)價(jià)、邏輯思維、元認(rèn)知、問(wèn)題解決、發(fā)散性思維、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、科學(xué)探究、綜合、系統(tǒng)分析)運(yùn)用所學(xué)概念或規(guī)則去適切該狀態(tài),從而得出思維后的,而不是依靠以前所學(xué)知識(shí)經(jīng)驗(yàn)所產(chǎn)生的結(jié)論、決定、發(fā)現(xiàn)、解釋、假設(shè)、答案、可能性．

3.2 各類問(wèn)題的優(yōu)勢(shì)與不足

因?yàn)楦唠A思維能力包括分析、創(chuàng)造和評(píng)價(jià)三個(gè)維度,而這三個(gè)維度的界定較為抽象,如果要進(jìn)行問(wèn)題分析就會(huì)顯得指標(biāo)比較含糊,為此通過(guò)文獻(xiàn)梳理[13]對(duì)其進(jìn)行了進(jìn)一步的指標(biāo)劃分,使其題目特征化與要求具體化．希望將美國(guó)理科主流問(wèn)題的設(shè)置要求在此三個(gè)維度上進(jìn)行較為具體地表達(dá)后,可以對(duì)題目進(jìn)行更為準(zhǔn)確地分析,從而尋求在不同類型問(wèn)題上對(duì)學(xué)生不同維度高階科學(xué)思維能力的側(cè)重和傾向評(píng)價(jià)．

問(wèn)題作為教學(xué)環(huán)節(jié)的一部分,其實(shí)是服務(wù)于教學(xué)過(guò)程中,所以要培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力還需要與教學(xué)階段與教學(xué)策略聯(lián)系起來(lái),Kuhn(2003)提出要培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力有四個(gè)階段:探究階段(INQUIRY)、分析階段(ANALYSIS)、推理階段(INFERENCE)和科學(xué)論證階段(ARGUMENT),同時(shí)其他研究者[14]提出了與之聯(lián)系的教學(xué)策略有:指導(dǎo)性交流策略(Instructional Communications)、腳手架策略(Scaffolding)、學(xué)習(xí)與思考策略(Learning and Thinking Strategies)、直接指導(dǎo)策略(Direct Instruction)、質(zhì)疑策略(Questioning Strategies)、反饋策略(Feedback)、小組活動(dòng)策略(Team Activities)、學(xué)生討論策略(Student Discussions)、同伴指導(dǎo)策略(Peer Tutoring)、合作學(xué)習(xí)策略(Cooperative Learning)和計(jì)算機(jī)中介策略(Computer Mediation)．

比如:分析作為高階科學(xué)思維能力中的一維,它主要是就物理事實(shí)或現(xiàn)象、問(wèn)題的組成部分進(jìn)行劃分及對(duì)關(guān)聯(lián)程度進(jìn)行區(qū)隔．那么如果想了解某問(wèn)題是否考查了學(xué)生的分析能力,就可以從問(wèn)題的要求中是否明確提出了要學(xué)生對(duì)某類問(wèn)題進(jìn)行分析、是否涉及計(jì)算、是否要求學(xué)生選擇、是否需要對(duì)比(比較)、是否要求學(xué)生推斷、是否有實(shí)驗(yàn)的要求、是否含有區(qū)別(辨別、識(shí)別)的要求,如果題目中存在以上內(nèi)涵,則表明該類問(wèn)題屬于對(duì)學(xué)生分析能力評(píng)價(jià)的問(wèn)題．而如果希望培養(yǎng)學(xué)生的分析能力,則需要在教學(xué)中重視探究與分析階段,因?yàn)檫@兩個(gè)階段側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生的分析能力,而與之聯(lián)系的教學(xué)策略有:指導(dǎo)性策略、腳手架策略、直接指導(dǎo)策略等,具體表1所示．

表1 思維能力指標(biāo)下的題目要求與教學(xué)要求

通過(guò)對(duì)上表的分析,發(fā)現(xiàn)本文所提出的所有問(wèn)題類型在對(duì)學(xué)生分析、創(chuàng)造和評(píng)價(jià)能力的關(guān)注點(diǎn)上幾乎都或多或少有所體現(xiàn),只是各有不同的側(cè)重而已．比如:背景豐富問(wèn)題更關(guān)注模型的建構(gòu),這屬于對(duì)學(xué)生創(chuàng)造能力的培養(yǎng)要求;費(fèi)米問(wèn)題更關(guān)注預(yù)測(cè)的部分,這屬于對(duì)學(xué)生評(píng)價(jià)能力的要求;排序問(wèn)題通過(guò)控制變量可以尋求比較和識(shí)別,這屬于分析能力的部分;危險(xiǎn)問(wèn)題作為重構(gòu)問(wèn)題體現(xiàn)了假設(shè)和設(shè)計(jì)的理念和思想,這也屬于創(chuàng)造能力的部分;提出問(wèn)題則更多地體現(xiàn)了對(duì)學(xué)生分析能力的考查．

雖然,本研究將高階科學(xué)思維能力劃分為了分析、創(chuàng)造和評(píng)價(jià),而且也進(jìn)行問(wèn)題要求的描述區(qū)隔,但是對(duì)評(píng)價(jià)者而言,這三大維度依然較為寬泛,而要對(duì)高階科學(xué)思維能力進(jìn)行更深入地分析,就必須將高階思維能力進(jìn)行進(jìn)一步地劃分．通過(guò)大量文獻(xiàn)梳理后[15],可以將其具體分為復(fù)雜分析(complex analysis)、創(chuàng)造性思維(creative thinking)、批判性思維(critical thinking)、做出決策(decision making)、評(píng)價(jià)(evaluation)、邏輯思維(logical thinking)、元認(rèn)知思維(metacognitive thinking)、問(wèn)題解決(problem solving)、發(fā)散性思維(reflective thinking)、綜合和系統(tǒng)分析(synthesis& systems analysis)等十一個(gè)能力指標(biāo)．誠(chéng)然,這十一個(gè)指標(biāo)都是以分析、創(chuàng)造和評(píng)價(jià)為核心,但是由于其更具有針對(duì)性,所以對(duì)美國(guó)主流理科問(wèn)題在這些高階思維能力評(píng)價(jià)上的分析可以更有的放矢地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力．

為了更明確地了解各類問(wèn)題到底與哪些高階思維能力存在相關(guān)關(guān)系,特地將各類問(wèn)題的具體題目進(jìn)行專家評(píng)價(jià)和評(píng)價(jià)者評(píng)價(jià),以求達(dá)到更科學(xué)、客觀的結(jié)果．

(1) 情境豐富問(wèn)題.

你正在觀看國(guó)家地理特別節(jié)目．這個(gè)節(jié)目時(shí)段是關(guān)于東南亞河流里盛產(chǎn)的劍魚(yú)的．解說(shuō)員描述劍魚(yú)在水面會(huì)保持張嘴的姿勢(shì),然后瞄準(zhǔn)昆蟲(chóng)后以4 m/s的速度從嘴里噴射水柱,如果該昆蟲(chóng)位于水面0.8 m高處,請(qǐng)你估算一下想要擊中昆蟲(chóng)最小的角度是多大．因?yàn)榇藭r(shí)是廣告時(shí)間,你有足夠時(shí)間可以快速計(jì)算該角度．

通過(guò)該問(wèn)題的分析,可以發(fā)現(xiàn)該問(wèn)題涉及到能量守恒、動(dòng)量定理、拋體運(yùn)動(dòng)等相關(guān)內(nèi)容,首先你需要顧及劍魚(yú)的質(zhì)量,噴出水的質(zhì)量,從噴出水的速度估計(jì)出噴出水可能的高度與距離,而最小角度的要求則表明盡量遠(yuǎn)的距離和盡量低的高度．總體來(lái)說(shuō)這是屬于對(duì)高階科學(xué)思維能力中分析維度的考核．具體來(lái)看,要求“你”進(jìn)行決策,判斷水柱的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),這屬于做出決策能力和評(píng)價(jià)能力;對(duì)于該類情境豐富問(wèn)題,需要學(xué)生從大量文字描述中提取并構(gòu)建物理模型,這是屬于創(chuàng)造性思維能力的培養(yǎng);當(dāng)然,由于情境豐富問(wèn)題給了學(xué)生一個(gè)較為完整的問(wèn)題,不可避免地考查了學(xué)生的問(wèn)題解決能力．

(2) 費(fèi)米問(wèn)題.

在芝加哥有多少調(diào)音師?

該問(wèn)題的解決需要給出大量的假設(shè),比如:大約有9百萬(wàn)人居住在芝加哥,假設(shè)平均一家2個(gè)人．則芝加哥擁有450萬(wàn)個(gè)家庭．再假設(shè)大約1/20的家庭有一臺(tái)鋼琴,該鋼琴需要規(guī)律地校準(zhǔn)．則大概有22.5萬(wàn)臺(tái)鋼琴．一般一架鋼琴大概一年校準(zhǔn)一次．校準(zhǔn)一臺(tái)鋼琴大概需要兩小時(shí)(包括通行時(shí)間)，一個(gè)調(diào)音師一天工作8小時(shí),每周工作5天,一年工作50周．則每年有22.5萬(wàn)臺(tái)鋼琴需要校準(zhǔn),共需要450萬(wàn)小時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)．而一個(gè)調(diào)音師一年工作2000小時(shí),所以簡(jiǎn)單計(jì)算后發(fā)現(xiàn)需要225位調(diào)音師．而芝加哥實(shí)際的調(diào)音師為290人．

通過(guò)分析費(fèi)米估算問(wèn)題,可以發(fā)現(xiàn)該類問(wèn)題總體上是對(duì)給定情境解釋、預(yù)測(cè)和評(píng)估,這是屬于高階科學(xué)思維能力中的評(píng)價(jià)維度．具體來(lái)看,該問(wèn)題涉及對(duì)時(shí)間的估計(jì),對(duì)人口的估計(jì)、對(duì)家庭的估計(jì)……這屬于評(píng)價(jià)能力的范疇;同時(shí)需要問(wèn)題解決者判斷該過(guò)程中調(diào)音師人數(shù)與鋼琴臺(tái)數(shù)如何變量統(tǒng)一的判斷,這屬于做出決策能力的范疇;在解決調(diào)音師人數(shù)過(guò)程中的問(wèn)題時(shí),不可避免需要簡(jiǎn)單計(jì)算,這屬于問(wèn)題解決能力,但是在做出決定的過(guò)程中,也涉及到了大量的邏輯思維能力,才能判斷是否可以通過(guò)工作時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)音師人數(shù)的判斷．

(3) 排序問(wèn)題.

8輛同樣尺寸、同樣形狀的小車以特定的速度在相同的水平道路上行駛．小車運(yùn)載著不同質(zhì)量的貨物,其質(zhì)量已知并如圖1所示．要讓所有小車將被裝有農(nóng)用器材的木桶所阻止,最終以相同的距離停下來(lái),其所受阻力從大到小的排列順序?yàn)?

圖1 排序問(wèn)題

請(qǐng)你解釋排序的原因,并圈畫(huà)出你有多確定你的排序:基本是猜的,確信,非常確信．

排序問(wèn)題因?yàn)橹饕峭ㄟ^(guò)控制變量來(lái)實(shí)現(xiàn)問(wèn)題解決,需要解題者對(duì)比、比較、區(qū)別,所以該類問(wèn)題主要關(guān)注的是學(xué)生的分析能力．具體來(lái)說(shuō),由于涉及到多個(gè)變量(不同的質(zhì)量,不同的速度,相同的剎車距離),需要通過(guò)物理模型進(jìn)行復(fù)雜變量的控制,屬于復(fù)雜分析能力的范疇;在題目最后部分,需要圈畫(huà)出排序的程度,這屬于做出決定能力;當(dāng)然在進(jìn)行控制變量的過(guò)程中也涉及到了邏輯思維能力．

(4) 危險(xiǎn)問(wèn)題(場(chǎng)景回構(gòu)問(wèn)題).

請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)出符合該方程的物理情境．

該方程描述了兩種情況,一種是在某一點(diǎn)時(shí)刻的狀態(tài),也可以是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程(有始有終),在該過(guò)程中具有初態(tài)和末態(tài)．對(duì)于后者如下案例可以說(shuō)明,方程左邊表示的初態(tài),而右邊表示的是末態(tài)．

場(chǎng)景回構(gòu)問(wèn)題需要學(xué)生去假設(shè)物理情境、設(shè)計(jì)物理過(guò)程,所以屬于高階思維能力中的創(chuàng)造性維度．具體來(lái)說(shuō),由于是讓學(xué)生從物理方程去創(chuàng)設(shè)物理情境,所以需要考察解決者的創(chuàng)造性思維;由于同一個(gè)物理方程,可以出現(xiàn)多種不同的物理情境和多種不同的物理過(guò)程,這也對(duì)學(xué)生的發(fā)散性思維能力有所考查;當(dāng)面對(duì)多個(gè)不同假設(shè)與多個(gè)不同的情境時(shí),需要解決者找出最佳的表述,這屬于做出決定的能力考查;在解決場(chǎng)景回構(gòu)問(wèn)題過(guò)程中,解題者的問(wèn)題解決能力實(shí)現(xiàn)了考查．

(5) 提出問(wèn)題.

圖2

在水平且無(wú)摩擦的平面上有一個(gè)質(zhì)量為M的木塊,其通過(guò)一個(gè)輕繩跨過(guò)一個(gè)輕質(zhì)無(wú)摩擦的定滑輪與另一個(gè)質(zhì)量為m的木塊相連,該系統(tǒng)在靜止時(shí)自由釋放木塊,釋放時(shí)繩子恰好繃直，如圖2所示.

請(qǐng)用下面兩條專門的定律將題目補(bǔ)充完整．

(1) 牛頓第二定律.

(2) 功能關(guān)系或機(jī)械能守恒定理.

該題目要求提出問(wèn)題者用牛頓第二定律和功能關(guān)系將題目補(bǔ)充完整,這種需要解題者在給定的專門定律下,補(bǔ)充完整題目的設(shè)計(jì),主要考查的是學(xué)生發(fā)現(xiàn)不同物理概念、定理、定律間的差異,需要學(xué)生去推斷、比較、區(qū)別相近概念,這屬于高階思維能力中的分析能力考查部分．具體來(lái)說(shuō),復(fù)雜分析、做出決定、在提出問(wèn)題的過(guò)程中由于需要對(duì)不同的定律進(jìn)行區(qū)分,在表述上需要綜合思考題目情境和具體物理概念,所以需要系統(tǒng)、整合的分析能力．

通過(guò)對(duì)這幾類問(wèn)題的梳理后發(fā)現(xiàn),其與高階思維能力的關(guān)系如下表2所示,該表格反映了不同類型的問(wèn)題對(duì)于學(xué)生不同高階思維能力培養(yǎng)的傾向和側(cè)重．

表2 高階思維能力與各類問(wèn)題的聯(lián)系

通過(guò)對(duì)美國(guó)主流理科問(wèn)題的分析和梳理后發(fā)現(xiàn),各類問(wèn)題都很關(guān)注高階科學(xué)思維能力的培養(yǎng),幾乎都涵蓋了分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造的相關(guān)維度．而對(duì)這三個(gè)維度11個(gè)具體能力的分析之后發(fā)現(xiàn),背景豐富問(wèn)題以創(chuàng)造性思維、做出決策、評(píng)價(jià)、問(wèn)題解決、發(fā)散性思維能力為側(cè)重;費(fèi)米問(wèn)題主要評(píng)價(jià)的是做出決策能力、評(píng)價(jià)能力、邏輯思維能力、問(wèn)題解決能力和系統(tǒng)分析能力;排序任務(wù)以復(fù)雜分析能力、批判性思維能力、做出決策能力、邏輯思維能力、綜合能力為主;危險(xiǎn)問(wèn)題主要關(guān)注創(chuàng)造性思維能力、做出決策能力、元認(rèn)知思維能力、問(wèn)題解決能力和發(fā)散性思維能力;提出問(wèn)題則以發(fā)展復(fù)雜分析能力、批判性思維能力、元認(rèn)知思維能力、綜合能力、系統(tǒng)分析能力為核心．基于此,可以發(fā)現(xiàn)不同類型的問(wèn)題各自具有對(duì)不同思維能力培養(yǎng)的側(cè)重點(diǎn),所以研究者完全可以根據(jù)評(píng)價(jià)不同科學(xué)思維能力的需要來(lái)設(shè)置具有不同類型特點(diǎn)的問(wèn)題,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)高階科學(xué)思維能力全面發(fā)展和評(píng)價(jià)的目的．