指向科學(xué)思維素養(yǎng)水平評(píng)價(jià)的路徑研究

齊國(guó)元

(杭州第四中學(xué) 浙江 杭州 310018)

“科學(xué)思維”是從物理學(xué)視角對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式；是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)物理模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運(yùn)用；是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對(duì)不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判，進(jìn)行檢驗(yàn)和修正，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力與品格.如果說物理觀念是從認(rèn)識(shí)結(jié)果角度對(duì)物理核心素養(yǎng)的描述，科學(xué)思維則是從認(rèn)識(shí)方式和過程對(duì)學(xué)生關(guān)鍵能力和必備品格作出說明.“科學(xué)思維”主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素，它是學(xué)生物理核心素養(yǎng)習(xí)得的基礎(chǔ)，學(xué)生只有立足科學(xué)思維，經(jīng)歷科學(xué)探究，養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，才能較好地形成物理觀念.因此，對(duì)科學(xué)思維素養(yǎng)進(jìn)行科學(xué)的、可信的、精準(zhǔn)的評(píng)價(jià)有助于指導(dǎo)物理教學(xué)，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的形成[1,2].

1 研讀課程標(biāo)準(zhǔn) 精準(zhǔn)評(píng)價(jià)指向

課程標(biāo)準(zhǔn)附錄1中有物理學(xué)科核心素養(yǎng)的水平劃分依據(jù)，明確了各個(gè)素養(yǎng)不同的水平等級(jí)應(yīng)該達(dá)到的要求，這給我們的評(píng)價(jià)提供了清晰的依據(jù)，有助于我們明確評(píng)價(jià)指向、精準(zhǔn)評(píng)價(jià)尺度進(jìn)而提高評(píng)價(jià)的科學(xué)性和有效性.

表1 物理學(xué)科核心素養(yǎng)的水平劃分(科學(xué)思維)

在實(shí)施指向科學(xué)思維水平評(píng)價(jià)的研究時(shí)，首先應(yīng)仔細(xì)研讀課程標(biāo)準(zhǔn)附錄1中有關(guān)科學(xué)思維水平劃分表(表1)，體會(huì)水平劃分表中評(píng)價(jià)指向；明確不同水平要求之間的區(qū)別和聯(lián)系；理解不同素養(yǎng)水平等級(jí)之間的核心要義.我們發(fā)現(xiàn)課程標(biāo)準(zhǔn)附錄1中有關(guān)科學(xué)思維水平劃分表中的要求描述是把科學(xué)思維中四大要素“模型構(gòu)建、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新”合在一起，不利于我們對(duì)素養(yǎng)要求進(jìn)行精準(zhǔn)的解讀[3].因此，我們需要對(duì)課程標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)科學(xué)思維水平劃分進(jìn)行再分類以實(shí)現(xiàn)明確評(píng)價(jià)指向，對(duì)水平劃分進(jìn)行再加工以實(shí)現(xiàn)提升評(píng)價(jià)信度,具體內(nèi)容如表2所示.

表2 物理學(xué)科核心素養(yǎng)的水平劃分再加工(科學(xué)思維)

通過對(duì)課程標(biāo)準(zhǔn)中的素養(yǎng)水平劃分的再加工和解讀，形成表2的科學(xué)思維的素養(yǎng)水平劃分表.仔細(xì)研讀素養(yǎng)水平劃分表，體會(huì)不同等級(jí)之間的核心差別(表2中加著重號(hào)的關(guān)鍵詞)，結(jié)合學(xué)生在問題解決時(shí)的操作流程和步驟，有助于我們精準(zhǔn)評(píng)價(jià)的指向以及評(píng)價(jià)的水平等級(jí).以2019年高考理綜全國(guó)卷Ⅲ第21題為例.

【例1】如圖1所示,電荷量分別為q和-q(q>0)的點(diǎn)電荷固定在正方體的兩個(gè)頂點(diǎn)上,a和b是正方體的另外兩個(gè)頂點(diǎn).則( )

A.a點(diǎn)和b點(diǎn)的電勢(shì)相等

B.a點(diǎn)和b點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度大小相等

C.a點(diǎn)和b點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度方向相同

D.將負(fù)電荷從a點(diǎn)移到b點(diǎn),電勢(shì)能增加

圖1 例1題圖

為了提高評(píng)價(jià)的精準(zhǔn)度，用于素養(yǎng)水平評(píng)價(jià)的試題盡可能指向單一維度.但是，在實(shí)際操作中一道測(cè)試題的求解往往與多個(gè)素養(yǎng)要素相對(duì)應(yīng)，即便是同一素養(yǎng)要素所對(duì)應(yīng)的素養(yǎng)水平等級(jí)也不相同，在這種情況下，應(yīng)該以更高的素養(yǎng)水平作為該評(píng)價(jià)試題的評(píng)價(jià)指向[4].

表3為例1的解題過程及其對(duì)應(yīng)的核心素養(yǎng)水平等級(jí).

表3 例1的解題過程及其對(duì)應(yīng)的核心素養(yǎng)水平等級(jí)

2 設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)路徑 統(tǒng)一命題范式

為了讓指向科學(xué)思維素養(yǎng)的評(píng)價(jià)更加具有可操作性和廣泛的普適性，我們?cè)趯?shí)踐過程中設(shè)計(jì)了評(píng)價(jià)的路徑以便統(tǒng)一命題范式，以提升素養(yǎng)水平評(píng)價(jià)的準(zhǔn)度、信度和效度.基于科學(xué)思維包含模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新4個(gè)方面，為了評(píng)價(jià)盡可能全面地覆蓋上述4個(gè)方面，并結(jié)合學(xué)生在問題解決時(shí)的4個(gè)要素的流程順序，設(shè)計(jì)了如圖2所示的評(píng)價(jià)流程圖.

圖2 指向科學(xué)思維水平評(píng)價(jià)的操作流程

該圖包含了模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新4個(gè)要素，并且還包含了教師命制評(píng)價(jià)試題的順序和教師分析評(píng)價(jià)試題的分析順序.我們的評(píng)價(jià)試題命制完全按照這一路徑實(shí)施，命題教師對(duì)試題評(píng)價(jià)的解讀也是遵循這一研究路徑.在此基礎(chǔ)上又細(xì)化為評(píng)價(jià)試題的命制流程圖(圖3)和評(píng)價(jià)試題的分析流程表(表4)，具體操作如例2所示.

圖3 評(píng)價(jià)試題命制的流程

表4 評(píng)價(jià)試題的分析流程表

【例2】評(píng)價(jià)試題的命制案例.

步驟一：填寫評(píng)價(jià)試題水平指向表(圖4).

步驟二：羅列考查知識(shí)載體.

(1)考查學(xué)生無阻力“穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)”情景中建構(gòu)受力模型分析(理想模型分析).

(2)考查學(xué)生有阻力“穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)”情景中建構(gòu)能量模型分析(實(shí)際模型分析).

(3)考查學(xué)生對(duì)“電磁驅(qū)動(dòng)”和“電磁阻尼”模型的本質(zhì)理解.

圖4 評(píng)價(jià)試題水平指向表

步驟三：試題編寫與修改

【試題】有電阻的導(dǎo)電圓盤半徑為r，其邊緣用電阻不計(jì)的導(dǎo)電材料包裹，可繞固定點(diǎn)O在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，不計(jì)軸心O和邊緣處電刷A在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的阻力.用導(dǎo)線將電動(dòng)勢(shì)為E的電源、導(dǎo)電圓盤、電阻和開關(guān)連接成閉合回路.如圖5所示在圓盤所在區(qū)域內(nèi)充滿豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，如圖6所示只在A和O之間的一塊圓形區(qū)域內(nèi)存在豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，兩圖中磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小均為B，且磁場(chǎng)區(qū)域固定.如果將開關(guān)S閉合，圓盤將會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)起來.(空氣阻力忽略不計(jì))

圖5 圓盤所在區(qū)域內(nèi)存在勻強(qiáng)磁場(chǎng)

圖6 圓盤只有圓形區(qū)域內(nèi)存在勻強(qiáng)磁場(chǎng)

(1)在圖5中，將開關(guān)S閉合足夠長(zhǎng)時(shí)間后，圓盤轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定，求穩(wěn)定時(shí)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度ω1的大小.

(2)若邊緣處電刷A與邊緣的摩擦力為f，其余條件不變，在圖5中，將開關(guān)S閉合足夠長(zhǎng)時(shí)間后，圓盤轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定，求流經(jīng)電阻的電流.

(3)由于圖5中的磁場(chǎng)范圍比圖6中的大，所以剛閉合開關(guān)瞬時(shí)，圖5中圓盤比圖6中圓盤加速得快.有人認(rèn)為：斷開開關(guān)后，圖5中圓盤也將比圖6中圓盤減速得快.請(qǐng)分析說明這樣的想法是否正確.

3 關(guān)注評(píng)價(jià)過程 提升評(píng)價(jià)信度

3.1 注重問題解決過程 避免“因錯(cuò)得對(duì)”

學(xué)業(yè)水平評(píng)價(jià)的對(duì)象是學(xué)生，在設(shè)計(jì)指向科學(xué)思維評(píng)價(jià)的試題時(shí)，必須要結(jié)合學(xué)生的心理，以提升試題評(píng)價(jià)的信度.不同的學(xué)生由于其生活經(jīng)歷、知識(shí)儲(chǔ)備、學(xué)習(xí)方式各不相同，因此，學(xué)生在問題解決時(shí)采取的方式也各不相同.在試題命制的過程中，應(yīng)當(dāng)針對(duì)學(xué)生可能出現(xiàn)的“因錯(cuò)得對(duì)”的地方做好相應(yīng)的防備和回避.如例3.

【例3】在“探究導(dǎo)體電阻與其影響因素的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中，有兩節(jié)新的干電池、開關(guān)、若干導(dǎo)線和待測(cè)金屬管(其阻值約為5 Ω)及下列器材：

A.電壓表0～3 V，內(nèi)阻約10 kΩ

B.電壓表0～15 V，內(nèi)阻約50 kΩ

C.電流表0～0.6 A，內(nèi)阻約0.05 Ω

D.電流表0～3 A，內(nèi)阻約0.01 Ω

E.滑動(dòng)變阻器，0～10 Ω

F.滑動(dòng)變阻器，0～100 Ω

(1)要求較準(zhǔn)確地測(cè)出其阻值，電壓表應(yīng)選______，電流表應(yīng)選______，滑動(dòng)變阻器應(yīng)選______.(填序號(hào))

(2)實(shí)驗(yàn)中某學(xué)生的實(shí)物接線如圖7所示，請(qǐng)指出接線中的兩處明顯錯(cuò)誤.

圖7 學(xué)生的實(shí)物接線圖

錯(cuò)誤1：____________________.

錯(cuò)誤2：____________________.

學(xué)生解題心理：通過與學(xué)生對(duì)話發(fā)現(xiàn)，有關(guān)滑動(dòng)變阻器的選擇，盡管大家都選擇“E.滑動(dòng)變阻器，0～10 Ω ”，但卻有著不同的解題心理.學(xué)生甲：好像每次選擇滑動(dòng)變阻器都是選小量程的，所以選E；學(xué)生乙:由于第二題中(電路實(shí)物圖)是限流接法，待測(cè)電阻約為5 Ω，一般情況下限流接法滑動(dòng)變阻器應(yīng)為待測(cè)電阻兩倍左右，故選E.

命題指向分析：本題命題者的意圖指向是指向科學(xué)論證水平4“能恰當(dāng)使用證據(jù)證明物理結(jié)論”，問題解決的思考路徑應(yīng)為,“由于待測(cè)電阻阻值約為5 Ω，因此無論選擇分壓接法還是限流接法，都不應(yīng)該選擇F(滑動(dòng)變阻器，0～100 Ω)，只能選擇E(滑動(dòng)變阻器，0～10 Ω) ，因?yàn)榛瑒?dòng)變阻器，0～10 Ω約為待測(cè)電阻的2倍，故選擇限流接法較好”，甲乙兩位學(xué)生沒有經(jīng)歷上述思考路徑，但均得到了正確答案，降低了評(píng)價(jià)的信度.

修改評(píng)價(jià)試題：針對(duì)上述問題，筆者對(duì)試題進(jìn)行了修改，建議修改為,在“探究導(dǎo)體電阻與其影響因素的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中，有兩節(jié)新的干電池、開關(guān)、若干導(dǎo)線和待測(cè)金屬管(其阻值約為5 Ω)及下列器材：

A.電壓表0～3 V，內(nèi)阻約10 kΩ

B.電壓表0～15 V，內(nèi)阻約50 kΩ

C.電流表0～0.6 A，內(nèi)阻約0.05 Ω

D.電流表0～3 A，內(nèi)阻約0.01 Ω

E.滑動(dòng)變阻器，0～10 Ω

F.滑動(dòng)變阻器，0～100 Ω

(1)結(jié)合給你的實(shí)驗(yàn)器材，設(shè)計(jì)測(cè)量電路圖(要求較準(zhǔn)確地測(cè)出其阻值).

(2)第一小問中電壓表應(yīng)選______，電流表應(yīng)選______，滑動(dòng)變阻器應(yīng)選______.(填序號(hào))

3.2 細(xì)化賦分(評(píng)分)標(biāo)準(zhǔn) 進(jìn)行多級(jí)賦分

為了提高評(píng)價(jià)的信度，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該依據(jù)水平等級(jí)來制定，并進(jìn)行多級(jí)賦分，而不是根據(jù)學(xué)生作答的正確與否.如例4.

【例4】帶電體表面突出的地方電荷容易密集，雷雨天當(dāng)帶電云層靠近高大建筑物時(shí)，由于靜電感應(yīng)，建筑物頂端會(huì)聚集大量的電荷，避雷針將電荷通過一根豎直導(dǎo)線導(dǎo)入大地而避免雷擊.你若想知道豎直導(dǎo)線中電流的方向，進(jìn)而判斷云層所帶電荷的電性，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)安全可行的方法.

評(píng)價(jià)意圖分析：該評(píng)價(jià)試題是評(píng)價(jià)學(xué)生的質(zhì)疑創(chuàng)新素養(yǎng)，評(píng)價(jià)水平達(dá)到水平4“能對(duì)已有結(jié)論提出有依據(jù)的質(zhì)疑，采用不同方式分析解決物理問題”.

評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)：

第一類,不會(huì)運(yùn)用已知知識(shí)作答.

第二類,原理可行，但方法不可行(如接電流表).

第三類,正確作答，原理以及方法均可行，如在導(dǎo)線周圍水平放置小磁針，觀察小磁針轉(zhuǎn)向；又如，與導(dǎo)線平行放置通電直導(dǎo)體棒(已知電流方向)，觀察導(dǎo)體棒的運(yùn)動(dòng)(吸引還是排斥).

對(duì)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級(jí)分檔，不僅能減小閱卷教師判卷失誤的主觀性和偶然性，還能更好地分析學(xué)生的作答情況，進(jìn)而研究學(xué)生素養(yǎng)水平情況，以便教師基于學(xué)生學(xué)情進(jìn)行有針對(duì)性的課堂教學(xué)，從而提升課堂教學(xué)的效度，有效促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的培育.

對(duì)物理核心素養(yǎng)水平的評(píng)價(jià)是為了對(duì)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的習(xí)得情況進(jìn)行反饋，進(jìn)而針對(duì)反饋情況采取適應(yīng)的教學(xué)措施，以提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)水平.試題的效度、準(zhǔn)度和信度直接影響反饋的科學(xué)性，進(jìn)而影響教學(xué)的有效性.指向物理核心素養(yǎng)水平評(píng)價(jià)的試題命制過程中要以物理學(xué)科核心素養(yǎng)為基礎(chǔ)，提升評(píng)價(jià)的效度；要明晰核心素養(yǎng)的水平劃分，提升評(píng)價(jià)的準(zhǔn)度；要了解學(xué)生的解題心理，提升評(píng)價(jià)的信度.