PISA科学素养视域下化学试题比较研究

郭应敏 陈坤

摘要： 借鉴PISA测评框架，结合我国化学课程标准、化学中考试题建构出化学试题的分析框架。从试题的情境领域、内容领域、能力群三个维度比较研究了2015年PISA测评样题与北京、上海两地近五年中考化学试题。通过三个维度纵横两向比较，发现我国两地中考化学试题与PISA试题存在一定差距。从行动上跟进，建立相匹配的学业测评是落实化学学科核心素养的必然诉求，应丰富学业测评方式、均衡测试内容、创设真实问题情境、建立配套化学核心素养测评标准。

关键词： 化学试题； 核心素养； PISA测评； 比较研究

文章编号： 1005-6629（2018）4-0013-07 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

PISA是一项由经济合作与发展组织统筹的学生能力国际评估测试，自从其诞生以来，所秉持“学以致用”的能力观引起了全球的热烈反响，其将科学素养作为一个有反思意识的公民能够参与讨论与科学有关的问题、提出科学见解的能力[1]。化学作为促进科学素养养成的核心学科，承担着培养学生化学核心素养的重任。学业测评作为一个国家和地区课程设计与实施链条上的终端环节，这根“指挥棒”将导向一系列课程与教学活动的开展，只有从行动上跟进建立起与学生核心素养发展相匹配的学业评价体系，才能确保核心素养培育的落实[2]。本文基于PISA科学试题测评框架，结合我国化学测评实际情况构建出化学试题分析框架，对2015年PISA科学测评样题与北京、上海两地近五年中考化学试题进行比较研究，以期望对我国化学教学与测评提供有益的启示。

1 化学测评“问题特征”的分析框架

1.1 研究对象

PISA测试对象是年龄在15～16岁，且必须是接受学校教育而非家庭教育的学生，以便了解完成义务教育之后的学生是否具备适应未来生活的能力[3]；而我国初中学业测评考试的对象也是15～16岁接受学校教育的学生。北京、上海两地都参与了2015年PISA科学测试，从测试对象上具有相似的身心特征。因而，本文选取了PISA2015的科学测评中化学部分所公布的样题与北京、上海两地近五年中考化学试题作为研究对象。

1.2 分析框架维度的探究

张景鹏认为学科素养是学生面对一定的学科情境问题，通过个体特定的心理操作，调动已有个体的学科知识和情境经验，解决学科问题时所反映出的个性心理特征。PISA2015科学素养评估框架由任务所嵌入的背景、学生需要应用的能力、涉及的知识领域、学生态度四个部分构成[4]。PISA对学生科学素养测评所设置试题主要围绕试题问题任务所涉及的内容领域、问题素材与学生生活的相关度、试题问题任务所考查学生的能力群三个方面，具体内容如表1所示。

表1 PISA2015科学试题测评框架

PISA所秉持的素养观体现在测评的问题上较为宏观，划分没有明确的区分界限。具体观之： 能力维度中“科学地解释现象”体现了一种知识运用的能力，而知识的运用过程中包含了问题的观察与分析、判断与推理以及知识的记忆与理解、知识的提取与迁移；评价和设计科学探究、科学地解释数据和证据则是一种科学探究的能力。我国化学课程标准将化学能力概括为知识与技能，包括认识常见物质的组成、性质及其在社会生产和生活中的初步应用；形成化学概念，了解化学变化的基本特征，初步认识物质的性质与用途之间的关系；了解化学与社会、技术的相互联系，并能以此分析有关的简单问题。查阅相关文献，国外Yael Shwartz、 R.F. Kempa，国内田晓梅、杨玉琴等人所划分的化学能力群，均涵盖了化学认知、化学实践、化学运用三个方面[5]。基于此，本文提出的分析框架： 能力群从“化学认知”、“化学实践”、“化学应用”三个二级维度进行划分。

在知识维度的划分中，PISA划分依据偏重于认知心理学研究范畴，从知识的加工阶段与认知发展阶段划分知识，此种划分的依据掺杂着部分能力的划分。而在我国2014版初中化学新课标中，初中阶段化学核心知识包括基本化学语言，微观概念，常见元素、物质相关知识，基本实验技能及物质变化守恒。由于基本实验技能不仅要求对实验仪器简单识记，更要求掌握实验的操作、思想和方法，笔者综合小组讨论将其归为能力维度更为适宜。同时，结合我国两地试题实际情况发现，计算在化学学科中占一定地位，且化工生产也包含计算。基于上述分析，本文最终将内容维度划分为： 基本化学语言、微观概念、常见元素知识、物质变化守恒、基础计算五个方面。

而关于背景维度的划分，PISA测试以问题涉及的广度为划分依据，将背景划分为个人、地区与全球，这样的划分不利于学生意识到知识与自身的紧密联系，不能较好地体现试题所考查的能力；故我们应以问题情境距学生生活的遠近为划分依据。同时结合我国两地试题实际情况发现： 问题情境领域涉及众多化学实验情境下的问题分析与物质推理，与实际生活并无联系。故本文最终将情境维度划分为： 个人情境、社会情境、学科情境。

1.3 分析框架的建立

在分析框架探究的基础之上最终确立分析框架。具体包括问题任务考查所涉及的情境领域、内容领域、能力群三个维度（如表2所示）。问题任务的情境领域根据与学生生活距离由近及远划分为个人情境、社会情境、学科情境。问题任务所考查知识领域包含基本化学语言、微观概念、常见元素知识、物质变化守恒、基础计算。问题所考查的能力群包含化学认知能力、化学实践能力和化学应用能力。其中化学认知能力又分为知识的记忆与理解、知识的提取与迁移；化学实践能力则包括观察与分析、判断与推理；化学应用能力则包含实验与探究、批判与创新。

表2 化学学科核心素养分析框架

为确保该分析框架与结果的科学性与客观性，采用小组分工独立背对背编码统计。首先各自对2017年北京中考化学试题进行了预判与编码；其次，再比较个人预判和编码结果，采用小组多人编码；最后，对编码不一致试题进行讨论交流，并最终得到相对一致的结果。具体分析过程，引用北京2017化学中考真题加以说明。

1.4 例题分析

38.高锰酸钾在生产、生活中有广泛应用。实验小组对高锰酸钾的某些性质进行研究。

Ⅰ.不稳定性

（1） 如右图所示进行实验，KMnO4受热分解的化学方程式为 ，3.16g KMnO4产生O2的质量为 g

（2） 用向上排空气法收集O2的原因是 。

Ⅱ.腐蚀性

[查阅资料]KMnO4溶液呈中性、有腐蚀性。

[进行实验]

实验1： 将新鲜鸡皮在不同浓度的KMnO4溶液中浸泡相同时间，现象如右表。

实验2： 将铜片分别浸泡在4种溶液中进行实验，所得数据如下表。

【解释与结论】

（3） 实验1的目的是 。

（4） 实验2中，通过对比②和④，得出的结论是 。

（5） 实验2中，欲得出“KMnO4和硫酸共同作用对铜才有腐蚀性”的结论，需要对比 （填序号）。

（6） 实验2中，铜片被腐蚀的反应如下，补全该反应的化学方程式5Cu+2KMnSO4+8H2SO45CuSO4+2MnSO4+K2SO4+ 。

结合以上所说化学学科核心素养分析框架，对此题进行分析，结果如表3所示。

表3 2017年北京中考化学试题第38题分析

2 研究结果

2.1 问题任务能力群分析

利用表2的分析框架对2015年PISA测评样题，北京、上海两地近五年中考化学试题的问题任务特征所考查学生科学素养的能力群进行编码、统计与整理，得出化学试题问题任务考查能力群均值总体分布水平图（如图1所示）和化学试题问题任务考查能力群均值变化趋势图（如图2所示）。

图1 2015年PISA测评与北京、上海两地近五年中考化学试题问题任务考查能力

群均值总体分布水平图

图2 2015年PISA测评与北京、上海两地近五年中考化学试题问题任务考查能力

群均值变化趋势图

从图1可知2015年PISA试题能力维度总体水平高于两地。从图2知两地能力维度均值呈显著、持续增长态势，这得益于近年化学课程改革。为进一步分析各能力维度具体考查变化趋势，根据分析框架，做出如下素养能力群比重图（如图3所示）。

图3 2015年PISA测评与两地近五年中考化学试题能力群水平层次分布比重图

从图3知，无论是PISA测试还是国内两地学业测评考试对于化学认知、化学实践和化学应用的考查均有涉及，但又各有不同。总体而言，PISA对于三种能力的考查占比分布相对均匀，对化学实践能力稍有侧重，这体现了PISA重视学以致用的理念；国内则更倾向于化学认知能力的考查。

具体分析可得，对于化学认知能力的考查，PISA倾向于考查知识的提取与迁移水平层次，知识的记忆与理解水平层次没有涉及；国内两地对两层次均有考查，折射出我国教育重视基础。对于化学实践能力的考查，PISA与国内两地测试均对两个水平层次有考查，且均更倾向于考查更高层次的判断与推理，但PISA考查占比高于国内两地；对于化学应用能力的考查，PISA考查比重远高于国内两地，但二者对于此能力中高水平层次的批判与创新层次并未涉及。

2.2 问题任务的情境领域

按照表2的分析框架再对2015年PISA测评样题与北京、上海两地近五年中考化学试题的情境类别进行统计整理得出以下结果（如图4所示）。

从图4可知，PISA测试问题情境的选择倾向于社会情境与个人情境的选用，尤其重视社会情境。所选问题情境与学生生活联系紧密，有利于学生了解如何将所学知识与生活中的问题结合，真正实现学以致用。国内两地测试问题情境素材的选用均倾向于与学生生活距离遥远的学科情

图4 2015年PISA测评与两地近五年中考化学试题问题情境类别分布占比图

境，而对社会情境的选用占比为三类中最低。

2.3 问题任务的内容领域

根据表2的分析框架对2015年PISA测评样题与北京、上海两地近五年中考化学试题问题所考查的内容领域进行统计分析，整理得到如图5所示结果。

图5 2015年PISA测评与两地近五中考化学试题问题内容领域分布比重图

从图5可知，PISA测试对于基础计算内容的考查未涉及，其余四类内容的考查占比分布较为平均；而国内两地倾向于“基本化学语言”及“常见元素知识”的考查，而對于“微观概念”的考查占比则比较微小，反映出国内化学学业测试对于化学学科特点内容缺乏一定关注。

3 结论与启示

3.1 结论

通过借鉴PISA科学素养观，结合我国倡导的化学核心素养所建构的化学素养分析框架，对2015年PISA测试与北京、上海两地近五年中考化学试题进行系统性的分析比较，发现我国与PISA测试在试题问题特征上存在差异，具体表现在如下几个方面：

首先，就试题所考查的能力群而言，PISA更为重视化学实践能力的考查，同时兼顾化学认知能力以及化学应用能力；而两地试题着重考查学生的化学认知能力，对于化学实践能力以及化学应用能力的考查并未十分重视。实验中蕴含的化学实践能力与化学应用能力是学生实现学以致用，形成批判性思维、获得创新能力的关键。PISA重视对其的考查，表现PISA测试对于学生批判性思维与创新能力的重视。

其次，就试题问题设置所选取的情境领域而言，PISA科学试题问题情境设置多集中于与学生密切相关的个人生活与社会生产，有利于学生知识的迁移与能力的转化；而两地试题呈现大量学科情境试题，在此情境中学生难以将所学知识与所遇问题相结合，难以实现化学核心素养的发展与培养。

最后，就试题编制考查的内容维度而言，PISA试题除未考查基础计算内容领域以外，其余四大内容领域考查占比均匀；而我国两地试题编制内容领域分布多集中于“化学基础语言”、“常见元素知识”和“物质变化守恒”，反映了两地重视“双基”的传统。化学学科是一门从微观视角认识世界的学科，PISA测试注重对微观概念的考查，有利于学生科学思维的形成；同时测试内容均衡、全面，对核心素养中的科学本质、创新能力等有较好体现。

3.2 启示

PISA秉持化学源于生活，归于生活，学以致用的理念，考查学生个体运用已学知识和技能解决现实问题的能力，从而了解和推测学生是否具备适应未来社会经济生活的知识与能力。这与我国核心素养的价值理念不谋而合，故PISA作为全球性的科学测评，其编制理念、试题设计值得我们借鉴与参考。

3.2.1 丰富学业测评方式，配套学生化学核心素养发展

化学学业测评考试旨在通过一系列的测评考查学生是否具有借助化学知识与技能参与社会生活的能力，是检验核心素养培养的利器。纵观目前国内化学学业水平考试，主要采用纸笔测验方式，以分数量化为标准，重点考查基础知识与基础能力，对极具化学特点的观察与分析能力的考查限制较多，不利于全面客观地对化学核心素养的培养进行考查。PISA测评形式灵活多样，其新增的计算机模拟实验，可通过设置逼真的化学实验，考查学生科学探究能力，锻炼学生发现、分析、解决问题的能力。可整合多种评价方式，将量化评价与质性评价相结合，采用表现性评价。例如增加实验操作，设计制作微观模型，问题解决成果汇报等形式。其中，设计制作微观模型可充分考查学生的理解能力和化学思维的形成，而问题解决成果汇报则让学生在问题解决与梳理过程中体会科学精神与社会责任；同时在呈现考评结果时采用指标加权重的计算方式。

3.2.2 创设真实问题情境，增强学生化学实践应用能力

问题情境是学生内在素养形成的环境，更是内在素养转化为外在能力的转换器。若素养依托碎片化知识，并以情境单一、过程统一、答案唯一的“规范”形式呈现，将导致认知与思维被局限在有限的学科领域内。PISA科学素养具有统整性，渗透着化学思维，体现了一切素养的形成与发展均根植于情境实践之中。化学作为一门实用性很强的学科，植根于真实情境的问题是触发学生认知、敲开求知之门与实践的金钥匙，也是学生将内在素养快速提取，外化为具体能力的坚实桥梁。无论是教学设计还是试题编制，都应注重化学与生活的联系，将测试内容融入真实的情境中，才能将学生的观察分析、逻辑推理、迁移运用、批判创新等能力的培养与考察落到实处。

3.2.3 优化化学教学、测试内容，全面培养、考查学生的化学核心素养

知识是形成素养的载体，离开了知识，核心素养的培养就是无本之木、无源之水。学生观察宏观现象、分析微观原理，再以化学语言将二者联系，其中涉及的微观概念、物质变化守恒等内容是化学核心素养的重要组成部分。PISA测试对其的考查势必会有利于学生科学思维的培养。借鉴PISA测试，首先，可调整化学测试内容，打破原本忽视学科特征内容的现象；其次，范围广泛、分布均衡的测试内容有利于检验学生是否已经建立完善的知识图式。完善的知识图式是培养、发展信息处理能力的基础。在纵横交错的环境中信息处理能力是发现问题、分析问题、解决问题的前提。因此，无论是教学还是试题编制，都应重视教学、测试内容的均衡分布。

3.2.4 制定相应化学核心素养测评标准

目前我国化学测评缺乏相应标准，难以为化学核心素养的形成与考查提供机制上的保障，OECD发起的DeSeCo项目通过强大的团队进行实地调研，经过反复论证，充分考虑社会与个人愿景，梳理出学生将来所需核心素养，并划分为具体的二级指标因子[6]。PISA试题的编制依据DeSeCo核心素养框架，建立关于学生核心素养评价具体指标。我国两地试题各维度水平层次所表现的与PISA试题的差异体现了我国化学测评应制定配套的测试标准的诉求。我国应根据核心素养的内涵、结构、特点，结合细化后的学生需掌握的必备品格与关键能力，设置不同水平层次测评标准，并在不同化学知识培养目标中建立化学核心素养测评题库，同时将情境类别与各种内容知识点相结合，兼顾知识、能力、态度三个方面，实现化学核心素养培养。

参考文献：

[1]Organization for Economic Co-operation and Develo-pment. PISA 2015 Draft Science Framework [EB/OL]. http：//www.oecd.org/pisa/pisaproducts/Draft%20PISA%202015%20Science%20Framework%20. pdf. 2014-03-10.

[2]陈坤.核心素养视域下数学试题的问题特征比较研究——以2012年PISA测评样题与北京、上海两地近五年中考数学试题为例[J].湖北文理学院学报，2017，（5）： 79～84.

[3]劉克文，李川.PISA2015科学素养测试内容及特点[J].比较教育研究，2015，（7）： 98～106.

[4]http：//www.oecd.org/pisa/publications/the-nature-of-problem-solving-9789264273955-en.htm.

[5]R.F. Kempa.Science interest and attitude traits in students subsequent to the study of chemistry at the ordinary level of the general certificate of education [J]. Journal of Research in Science Teaching， 2010，（4）： 361～265.

[6]Rychen， Dominique Simone.Highlights from the OECD Project Definition and Selection Competencies： Theoretical and Conceptual Foundations （DeSeCo） [J]. Definitions， 2003，（12）： 10～13.