關(guān)于考查科學(xué)本質(zhì)的試題編制策略之思考

徐祝林

摘? ?要：對于科學(xué)本質(zhì)的理解，在最近幾年的學(xué)業(yè)考試中逐步體現(xiàn)，由此引發(fā)筆者的思考。文章從科學(xué)本質(zhì)的要義、科學(xué)本質(zhì)考查的內(nèi)容、考查科學(xué)本質(zhì)的試題編制策略和相關(guān)建議等方面闡述科學(xué)本質(zhì)試題的編制。

關(guān)鍵詞：科學(xué)本質(zhì);科學(xué)知識;科學(xué)探究;科學(xué)事業(yè);編制策略

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2019）6-0037-4

科學(xué)課程改革以來，關(guān)于科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)和研究引起科學(xué)教育界的高度重視。培養(yǎng)科學(xué)本質(zhì)觀，可以提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，已成為當(dāng)今世界各國科學(xué)教育的共識。而科學(xué)本質(zhì)觀到底落實得怎樣，需要進(jìn)行考查測試。

1? ? 科學(xué)本質(zhì)的要義

美國科學(xué)促進(jìn)會1985年制定的“2061計劃”《面向所有美國人的科學(xué)》和1993年制定的《科學(xué)素養(yǎng)基準(zhǔn)》，以及1996年美國國家科學(xué)院頒布的《美國國家課程標(biāo)準(zhǔn)》都明確地指出，理解科學(xué)的本質(zhì)是科學(xué)素養(yǎng)的重要組成部分。那么，科學(xué)的本質(zhì)到底是什么呢？不同學(xué)者觀點(diǎn)不盡相同，但總體認(rèn)識基本類似，形成了目前較為權(quán)威的科學(xué)本質(zhì)觀，即科學(xué)本質(zhì)是多層面的，一般認(rèn)為具有三個層面：

（1）科學(xué)知識的本質(zhì)觀。主要包括如下：累積性，即科學(xué)的知識經(jīng)由時間累積而來;暫時性，即科學(xué)知識是可能改變的;可重復(fù)性，即在相同的條件下，科學(xué)知識可以被重復(fù)地驗證;創(chuàng)造性，即科學(xué)知識是人類智力的創(chuàng)造，它運(yùn)用了很多創(chuàng)造性的想象力，如同一位藝術(shù)家、一位詩人或是一位作曲家的工作;公開性，即科學(xué)家必須正確地發(fā)表他們所觀察到的科學(xué)現(xiàn)象，科學(xué)知識必須公開發(fā)表;可預(yù)測性，即科學(xué)知識運(yùn)用來做推論時，可推測一些事實并獲得證實。

（2）科學(xué)探究的本質(zhì)觀。主要包括如下：質(zhì)疑性，即科學(xué)探究的起始動機(jī)及延續(xù)的動力就是為了解決某些可能被質(zhì)疑的部分，如此科學(xué)探究活動才能持續(xù)進(jìn)行;經(jīng)驗性，即科學(xué)探究的過程是基于觀察的經(jīng)驗基礎(chǔ);實證性，即形成科學(xué)理論的過程需要經(jīng)過實驗驗證的階段;科學(xué)方法的多元化，即科學(xué)方法與過程不具有獨(dú)特性，只要是可以解決研究問題的科學(xué)方法就是好的科學(xué)方法，并沒有所謂的一成不變的科學(xué)方法。

（3）科學(xué)事業(yè)的本質(zhì)觀。主要包括如下：倫理與道德原則，即從事科學(xué)研究必須考慮到倫理與道德原則;科學(xué)家的身份，即科學(xué)家兼具有科學(xué)專業(yè)及公民的身份，科學(xué)家可利用科學(xué)思考的特性來解決公眾事務(wù)，無論如何，科學(xué)家在其專業(yè)領(lǐng)域之外，不具有專業(yè)上的可靠性;STS，即科學(xué)、技術(shù)與社會具有交互影響的關(guān)系。

2? ? 科學(xué)本質(zhì)考查的內(nèi)容

由于科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)容較為寬泛，至于哪些科學(xué)本質(zhì)特征適合于作為教學(xué)內(nèi)容以及作為學(xué)業(yè)考試的測試內(nèi)容，存在一些爭議。但目前也有一些共識，即應(yīng)該教授或考查一些相對沒有爭議的科學(xué)本質(zhì)的特征。

美國最新的國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)《下一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》明確學(xué)生要理解以下有關(guān)科學(xué)本質(zhì)的概念內(nèi)涵：使用多種不同的方法進(jìn)行科學(xué)研究;科學(xué)知識是基于實驗證據(jù)得出來的;依據(jù)新的證據(jù)，科學(xué)知識存在修正的可能;科學(xué)模型、科學(xué)規(guī)律、科學(xué)機(jī)制和科學(xué)理論都是對自然現(xiàn)象的解釋;科學(xué)是一種認(rèn)識方式;科學(xué)是人類的努力成果。

《英國國家科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》對科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)內(nèi)容主要包括：科學(xué)知識具有暫時性;科學(xué)依賴實驗證據(jù);科學(xué)是解釋現(xiàn)象的一種嘗試;新的知識必須被清楚、公開地報道;科學(xué)家需要可重復(fù)和誠實地報道;科學(xué)觀點(diǎn)受社會和歷史環(huán)境的影響等。

我國2011版《初中科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》將科學(xué)課程界定為：以對科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識為基礎(chǔ)、以提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)為宗旨的綜合課程。并指出“自然界是有規(guī)律的，這種規(guī)律是可以被認(rèn)識的……知識的形成是一個不斷修正、不斷深入、以逐步逼近客觀存在的過程……科學(xué)是以多樣統(tǒng)一的自然界為研究對象的探究活動……科學(xué)活動受到科學(xué)道德和社會一般道德的雙重約束”。雖然《初中科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》吸收了當(dāng)代國際科學(xué)教育對于科學(xué)本質(zhì)的要求，但更多的是從科學(xué)知識的本質(zhì)觀和科學(xué)探究本質(zhì)觀來進(jìn)行教學(xué)和測試，對于科學(xué)事業(yè)的本質(zhì)觀要求欠缺。

筆者近幾年來參與了學(xué)業(yè)考試和市統(tǒng)測試題的編制，和相關(guān)命題專家一致認(rèn)為，科學(xué)本質(zhì)的考查要基于沒有爭議的科學(xué)本質(zhì)的特征，當(dāng)前考查科學(xué)本質(zhì)的試題主要考查如下內(nèi)容：

（1）科學(xué)知識的本質(zhì)。即浙教版《科學(xué)》教材內(nèi)容下的科學(xué)事實、科學(xué)概念、科學(xué)理論和科學(xué)模型等。在考查時，要體現(xiàn)知識的發(fā)展并不只是簡單的積累，而是包含著復(fù)雜的思維加工過程，從科學(xué)事實的認(rèn)識到科學(xué)概念的形成、科學(xué)理論的建立和科學(xué)模型的建構(gòu)。因此，要運(yùn)用相關(guān)科學(xué)思想、科學(xué)方法等解釋和預(yù)測自然現(xiàn)象。

（2）科學(xué)探究的本質(zhì)。即學(xué)業(yè)考試注重考查提出科學(xué)問題，進(jìn)行猜想和假設(shè)，制定探究方案，獲取事實與證據(jù)，解釋、檢驗與評價，表達(dá)與交流等科學(xué)探究的能力;考查觀察、比較、分類、應(yīng)用數(shù)學(xué)、測量、推論、形成操作性定義、解釋數(shù)據(jù)、控制變量、實驗等科學(xué)探究的過程技能;以及初步的分析、綜合歸納、演繹等思維能力。

（3）科學(xué)事業(yè)的本質(zhì)?！冻踔锌茖W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》指出“……作為社會未來的公民，需要認(rèn)識和把握日常生活中遇到的科學(xué)技術(shù)以及相關(guān)過程，需要了解與科學(xué)相關(guān)的社會問題、參與決策過程，需要理解科學(xué)是當(dāng)代文化的一個重要組成部分，需要了解科學(xué)共同體的基本規(guī)則……”對于科學(xué)事業(yè)的本質(zhì)的考查，筆者認(rèn)為通過科學(xué)史的考查，讓學(xué)生體會科學(xué)家的求實、嚴(yán)謹(jǐn)、懷疑、創(chuàng)新、堅持、合作等進(jìn)行科學(xué)研究的態(tài)度。

3? ? 考查科學(xué)本質(zhì)的試題編制策略

作為初中階段的學(xué)業(yè)考試，同時也是終結(jié)性考試。它要求試題必須滿足導(dǎo)向性、科學(xué)性、適標(biāo)性、有效性、原創(chuàng)性、公平性等。作為基于科學(xué)本質(zhì)的試題的測試目標(biāo)明確為考查學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解。而為保證測試的公平性，筆者結(jié)合命題的思考，認(rèn)為可以從如下策略入手。

3.1? ? 聚焦當(dāng)代科技成果，落實科學(xué)本質(zhì)的知識觀

生活在信息爆炸的時代，可以當(dāng)代科技成果以及科技論文作為試題的背景。一方面引導(dǎo)學(xué)生要關(guān)注STSM，另一方面科技成果、科技論文等可以保證情境的真實性和科學(xué)性。通過聚焦當(dāng)代科技成果，呈現(xiàn)必要的信息，緊扣科學(xué)知識和科學(xué)思維等，可以落實知識的本質(zhì)觀。

例1 （2018年紹興卷第35題節(jié)選） 2018年2月《自然》雜志上發(fā)表了一項新研究，展示了一種全新的加工木材的方法（如圖1），把天然木材放在NaOH和Na2SO3的混合液中煮沸以除去部分木質(zhì)素，接著在100 ℃以上的高溫中進(jìn)行機(jī)械壓縮制成致密木材。

（1）致密木材是由天然木材加工而成的，其密度為天然木材的3倍。充分壓縮后木材的厚度減小到原天然木材的20%。若在壓縮過程中底面積保持不變，則說明處理過程中木材的質(zhì)量減少了? ? ? ? ? ? （用百分?jǐn)?shù)表示）。

（2）致密木材的硬度、拉伸強(qiáng)度都很大，為天然木材的10倍左右，甚至超過了部分金屬。致密木材的拉伸強(qiáng)度和纖維素有關(guān)，且拉伸強(qiáng)度 ，它用來表示材料的堅韌程度。拉伸強(qiáng)度與我們所學(xué)的科學(xué)量? ? ? ? ? ? 的單位是相同的。

評析：第1小題考查對密度概念的理解以及對信息的處理應(yīng)用能力;第2小題考查信息的提取能力以及對壓強(qiáng)概念的理解。本題情境來自于科技論文，試題背景新穎。試題立足于基本知識和基本技能，考查識記的要求，但有了這一情境，設(shè)問顯得靈活。同時通過該試題的考查，讓學(xué)生感受到了科學(xué)知識不是簡單的識記累積，而是要運(yùn)用思維方法進(jìn)行重構(gòu)知識這一科學(xué)本質(zhì)的知識觀。

3.2? ? 聚焦學(xué)生拓展性課程，落實科學(xué)本質(zhì)的探究觀

學(xué)生拓展性課程包括探究實驗、家庭實驗、科技實踐活動、學(xué)生研究性課題等。由于這些拓展性課程符合學(xué)生的認(rèn)知水平，通過選擇學(xué)生的拓展性研究課題作為試題素材，改編成可以考查學(xué)生解決問題的思維過程、綜合運(yùn)用知識解決問題的能力，科學(xué)探究的能力，以及有利于提升學(xué)生高階思維能力的測試。這有利于學(xué)生深度學(xué)習(xí)，從而引導(dǎo)、落實科學(xué)本質(zhì)的探究觀。

例2 （2018年溫州卷24題） 飛機(jī)在空中飛行時都有一定的迎角（機(jī)翼軸線與水平氣流的夾角）。飛機(jī)飛行時的升力除了與機(jī)翼形狀有關(guān)外，是否還與迎角大小有關(guān)？為了研究這一問題，在老師的幫助下，小明利用電風(fēng)扇、升力測力計、飛機(jī)模型，按圖2方式進(jìn)行如下實驗。

①閉合電風(fēng)扇的開關(guān)，調(diào)節(jié)檔位使其風(fēng)速最大，并使飛機(jī)模型的迎角為0°，記錄測力計的示數(shù)。重復(fù)5次實驗并計算升力的平均值。

②改變迎角大小，使其分別為5°、10°、15°、20°，重復(fù)步驟①。

③處理相關(guān)數(shù)據(jù)得到“升力與迎角的關(guān)系”，如圖3。

（1）本實驗得出的結(jié)論是：

（2）小明若要進(jìn)一步研究“飛機(jī)的升力與其飛行速度的關(guān)系”。利用現(xiàn)有器材，如何操作可以模擬飛機(jī)不同的飛行速度？

（3）資料顯示：本實驗結(jié)論與實際相符，且飛機(jī)迎角一定時，飛行速度越大升力也越大。若某飛機(jī)以500千米/小時做水平勻速直線飛行時的迎角為θ1，而以800千米/小時做水平勻速直線飛行時的迎角為θ2（θ1、θ2均小于15°）。請比較θ1、θ2的大小關(guān)系：

評析：本題通過學(xué)生的拓展性活動“影響飛機(jī)飛行時的升力的因素”這一背景，設(shè)置了三小題，第1小題考查對圖表的分析和實驗結(jié)果的獲取能力;第2小題考查控制變量法中的變量條件的控制能力;第3小題考查對預(yù)測不一致現(xiàn)象作出合理的解釋以及對實驗數(shù)據(jù)的分析等科學(xué)探究能力。試題從學(xué)生的拓展性課題中挖掘素材，從提出問題、建立猜測與假設(shè)、設(shè)計實驗方案、獲取實驗數(shù)據(jù)、得出結(jié)論等科學(xué)探究的過程進(jìn)行探究，不僅有利于激發(fā)學(xué)生對拓展性課程的興趣，還能有效落實科學(xué)本質(zhì)的探究觀。

3.3? ? 聚焦科學(xué)史史料，落實科學(xué)本質(zhì)的事業(yè)觀

科學(xué)史（包括諾貝爾獎）展現(xiàn)的是科學(xué)家在進(jìn)行科學(xué)研究中所采用的研究方式、思維方式等客觀事實?？茖W(xué)史不僅可以揭露相關(guān)知識的發(fā)現(xiàn)歷程，還蘊(yùn)含著科學(xué)探究的方法、思維方式等。另外，在這些偉大的科學(xué)家獲得重大發(fā)現(xiàn)或獲諾貝爾獎的背后，都蘊(yùn)含著一種共同的東西——科學(xué)本質(zhì)的事業(yè)觀：求實、嚴(yán)謹(jǐn)、懷疑、創(chuàng)新、堅持、合作等。

例3 （2018年衢州26題）

材料一：兩千多年前，亞里士多德認(rèn)為空氣沒有“重量”，真空是不存在的。

材料二：至少從1614年開始，伽利略卻認(rèn)為空氣是有重量的。他的同事兼學(xué)生托里拆利在1643年做了如圖4的實驗：把一端封閉的長玻璃管裝滿水銀倒置在一個敞口的水銀槽里，水銀從玻璃管的頂部下降了一段距離后，液面不再下降，高度總保持距槽中水銀面30英寸（76厘米）左右。1646年帕斯卡重復(fù)了這一實驗。

材料三：在17世紀(jì)中葉，對該實驗的兩個關(guān)鍵問題的回答都有代表性的支持者和反對者（如表1）。

（1）一些反對者認(rèn)為，由于管內(nèi)水銀產(chǎn)生了蒸氣，使水銀減少，水銀液面下降。為了反駁這一觀點(diǎn)，帕斯卡同時拿出酒和水，詢問反對者：用酒和水做托里拆利實驗，酒柱與水柱哪個液面下降得更多？反對者們認(rèn)為酒的液面下降得更多，原因是? ? ? ? ? ? ? ? 。但是實驗現(xiàn)象卻是水柱液面下降得更多。

（2）另一些反對者認(rèn)為，由于管內(nèi)遺留了少量空氣，才使水銀液面下降。帕斯卡利用1米左右長、不同直徑的玻璃管進(jìn)行托里拆利實驗，如果觀察到的實驗現(xiàn)象是? ? ? ? ? ? ?，就可以反駁反對者們的觀點(diǎn)。

（3）下列關(guān)于科學(xué)本質(zhì)及科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程的描述正確的有

A.公元1646年前，所有人都贊同亞里士多德提出的“真空不存在”觀點(diǎn)

B.科學(xué)實驗中要努力得到和前人一樣的實驗結(jié)論

C.科學(xué)發(fā)現(xiàn)是一個不斷完善、不斷修正的過程

D.實驗是科學(xué)研究的重要方法

評析：本題通過三個非連續(xù)文本的科學(xué)史 “大氣有無重量”為情境，分別設(shè)置3個小題，第1小題考查的是科學(xué)探究中的因果推理能力;第2小題考查的是實證意識，即“分析與論證”的實驗?zāi)芰Γ约翱刂谱兞康群诵目茖W(xué)方法能力;第3小題考查的是科學(xué)本質(zhì)的理解水平，讓學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)知識的形成是一個不斷修正、不斷深入，逐步逼近客觀事實的過程。

4? ? 幾點(diǎn)建議

基于科學(xué)本質(zhì)考查的試題命制過程中，需要綜合考慮試題編制的基本要求以及上述三種策略，同時還要適當(dāng)考慮如下要求：

（1）滲透“STEM”學(xué)科融合的理念，體現(xiàn)綜合性。

STEM教育強(qiáng)調(diào)多學(xué)科的交叉融合，即在解決實際問題中，常需要綜合運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等四門學(xué)科的相關(guān)知識。學(xué)業(yè)考試試題編制可以結(jié)合基于STEM理念進(jìn)行選材和編制考查學(xué)生的科學(xué)本質(zhì)觀，以便更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實踐能力。

（2）踐行落實PISA命題思想。

PISA試題著重于應(yīng)用及情境化。它強(qiáng)調(diào)受測學(xué)生必須靈活運(yùn)用學(xué)科知識與認(rèn)知技能，針對情境化的問題自行建構(gòu)答案，能深入檢測學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。因此，在命題時適當(dāng)體現(xiàn)PISA思想，可以考查學(xué)生基于研究結(jié)果進(jìn)行科學(xué)推理的能力等科學(xué)本質(zhì)觀。

（3）適當(dāng)體現(xiàn)SOLO評價思想。

SOLO評價思想是對不同思維層次的學(xué)生進(jìn)行不同等級的評價，以體現(xiàn)試題的甄別功能。適當(dāng)結(jié)合SOLO評價思想，可以考查學(xué)生信息獲取、比較分析、原理遷移、科學(xué)推理和邏輯表達(dá)等多種能力相關(guān)的科學(xué)本質(zhì)觀。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡鐵權(quán)，陳麗華.體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)的科學(xué)教學(xué)[J].全球教育展望，2012，41（10）：84-90.

[2]黃曉.體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)的科學(xué)教學(xué)[D].上海：華東師范大學(xué)博士學(xué)位論文，2010.

[3]袁維新.科學(xué)教學(xué)通論 [M].北京：人民出版社，2013.

[4]胡揚(yáng)洋，陳清梅，邢紅軍. 物理教材引入科學(xué)史的新觀點(diǎn)[J].課程·教材·教法，2012（12）：29-34.

（欄目編輯? ? 陳? 潔）