基于科学思维能力评价的美国理科主流试题类型比较及启示

邓 磊 包 雷

(1. 西南大学物理科学与技术学院，重庆 400700； 2. 俄亥俄州立大学 物理系，哥伦布 俄亥俄 43202)

新课标提出要培养学生的核心素养,对于物理学科的核心素养而言科学思维是其中一个非常重要的部分．研究什么是科学思维,科学思维能力如何划分,如何培养学生的科学思维能力是当前我国课程与教育改革所关注的热点问题．美国作为科学教育开展得较为久远的国家,特别是在近年来STEAM(科学、技术、工程、艺术、数学)课程的提出和施行过程中,出现了大量不同类型的结构不良(ill-constructed)问题,这些问题类型都被认为是评价学生科学思维能力的一种切实可行的手段．

不同类型的问题是否对于评价学生不同的科学思维能力有所差异?什么类型的问题才能客观、有效、完整地评价学生的科学思维能力呢?这些不同类型的问题又能够评价学生的哪些科学思维能力呢?本文以美国当前不同类型的理科主流问题为视点,希望能从中找出一些线索为我国培养理科学生的科学思维能力提供一些值得借鉴的经验和需要规避的短板．

1 科学思维能力的内涵及类型

1.1 科学思维

科学思维也叫科学逻辑,形成并运用于科学认识活动中,是对感性认识材料进行加工处理的方式与途径的理论体系;它是真理在认识的统一过程中,对各种科学思维方法的有机整合,它是人类实践活动的产物[1]．换而言之,科学思维是一种思维模式,其思考对象是关于所有与科学领域相关的主题、内容或问题,思考者通过熟悉地运用其自身思维的内部结构,并将知识本体运用其上,以达到提高他或她的思维品质的目的[2]．

科学思维的应用可以帮助人们提高科学素养以及科学的鉴别能力．而对学生进行科学思维的培养,可以帮助他们实现:提出并清晰地表达重要的科学问题;通过收集并评价相关科学数据和信息,能使用抽象思维去有效解释问题;得出良好归因的科学结论和答案,检测其是否与相关标准一致;在科学思想的收敛系统中开放性地思考,发现和评价科学假设、意义以及实际结果;面对复杂科学问题能与他人有效交流,并提出解决方案．

简而言之,科学思维就是通过自我监控、自我指导、自我约束、自我纠正,实现并促进个体的有效交流能力,问题解决能力以及致力于发展科学能力的意向,它是一种内隐的思维活动,而要对科学思维进行评价和管理则需要通过外显的科学思维能力进行转译．

1.2 科学思维能力及类型

研究者(Watson1998,Cano,Newcomb1990,Whittington2003)认为:教师们应该创造良好的学习环境帮助学生发展高阶的认知能力,同时研究者也同意高阶认知能力是一种不可或缺的技能,其需要在学校教育中得到充分的强化．

作为认知能力中重要部分的思维能力相应也被研究者们[3],划分为高阶思维能力(high order thinking skills)和低阶思维能力(lower order thinking skills)．低阶思维能力包括区分、简单地应用和分析,以及认知策略和先前知识．高阶思维能力植根于低阶思维能力,与解释、决定、执行以及结果等行为相关,包括批判性思维、逻辑性思维、元认知思维、反省思维、创造性思维等多种能力．

虽然到现在为止,学界还没有对科学思维能力有一个准确界定,但是很多研究者都认为科学思维能力应该包括“在学生科学探究中的推理能力和思维能力,如提出假设、实验设计、证据评价和推断结论的能力等(zimmerman,2007)”．

而本研究认为,科学思维能力是指人们采用科学思维方式对科学问题进行分析、整理、鉴别、消化、综合等加工改造后,能动地透过各种现象把握事物内在实质联系,形成新的思想,获得新的发现,制定出新的决策的能力．

基于此,根据布鲁姆的分类(Bloom’s Taxonomy),将科学思维能力划分为高阶科学思维能力和低阶科学思维能力．其中低阶科学思维能力包括:记忆能力、理解能力和应用能力;高阶科学思维能力包括:分析能力、评价能力和创造能力[5]．

纵观当前科学教育的发展趋势,培养学生的高阶科学思维能力是学校教育极其关注的领域．因为研究表明,培养学生的高阶科学思维 能力能促使个体其他智力能力的持续发展．而要有效掌握学校教学活动中对学生高阶科学思维能力的培养,则需进行正确地评价,已有研究提出[11]对学生高阶科学思维能力的评价需要使用学生不熟悉的科学问题或任务,要求学生充分利用他们的先前知识来回答或完成相关问题和任务[6],才能确保其使用高阶科学思维能力回答问题或任务．

2 对美国主流理科问题类型的述评

什么样的问题或任务才能对学生的高阶科学思维能力进行客观、科学地评价呢?心理研究显示在某一领域的技能培养可以迁移到其他领域,所以,通过长期的学习,个体的高阶科学思维能力的发展完全可以应用到更为广泛的复杂问题中．即,可以通过复杂的问题来评价学生的高阶科学思维能力[7]．

为了培养学生科学思维,美国科学教育界将理科问题进行了结构化划分,除了常见的结构良好问题(这类问题的设问和题给条件明确,答案明确,初始状态明确、目标状态和算子明确),即传统的理科问题外,还非常关注结构不良问题,这类问题初始状态、目标状态和算子至少有一个没有明确界定(没有明确的结构或解决途径),被认为属于复杂问题[8]．其主要特征有: (1) 问题条件或数据部分呈现冗余; (2) 问题目标界定不明确; (3) 具有多种解决方法、途径,有时甚至没有解决办法; (4) 具有多种评价解决方法的标准; (5) 所涉及的概念、规则和原理等不确定,或者不知道如何应用它们解决问题; (6) 没有一般性的规则或原理来描述或预言大多数案例; (7) 需要学习者表达个人对问题的观点或信念; (8) 没有确切的方法确定行为是否合适; (9) 与真实生活情境相关．需要指出的是,一个结构不良的问题并不需要在具有以上所有的特征．

而对于结构不良问题,因为或具有复杂的问题情境,或具有复杂的问题目标,或具有不确定的评价方法,或者需要复杂的解法等等,从而需要更高水平的思维过程才能实现问题解决,所以这类复杂问题可以实现对学生高阶科学思维能力的评价．而美国当前主流理科结构不良问题主要有情境丰富问题、危险问题(场景回构问题)、费米估算问题、排序问题、提出问题等五类．

2.1 情境丰富问题(context rich problem)

情境丰富问题的题干文字简短,但是却建立于现实的情景,通过激励性的设问来刺激学生解决问题,这些问题要求学生利用已有的物理概念或原理来诊断一个充满现实的情境．

一般而言,情境丰富问题是一个简短的故事,主角是学生,每个问题都使用“你”作为人称代词．该问题的状态是真实的,但是需要学生使用模型假设;该问题的描述包括了鼓励性的动机或“你”去完成某个任务的原因;没有图片或图示,学生必须使用他们自己的经验和知识来使该情境可视化;该类问题可能会忽略常见的知识信息;该类问题的目标变量可能没有被明确地描述出来．

解决情境丰富问题需要较大的挑战性,一个学生不能解决它,但是也不能太具有挑战性,从而导致一个小组的学生也不能解决它;问题需要被结构化,因为只有结构性的问题,小组成员才能决定如何一步步有条理地解决该问题;问题与学生的生活相关;问题在数学难度上不能太大,同时也不能有以前学生学过的解题技巧;问题不能来自传统的章末练习[9]．

与传统题目相比,情境丰富问题都来自于真实的物体,将科学与真实世界联系在一起;科学语言、科学模型、假设、图示都没有清晰描述,所以给了学生小组有进行决策的机会;另外,该类问题对学生而言变量没有提前预设．

2.2 费米估算问题(Femi problems)

在物理和工程教育中,费米问题又被称为费米测验,费米估算,或解数估算,它其实就是一种估算问题,该类问题被设计于维度分析、近似,以及那些通常用来进行估算的问题中．费米问题来自于费米的真实估算:当原子弹爆炸时,费米通过纸片随冲击波掉落在他手中时所运动的距离,非常准确地估算出了三一测试中原子弹爆炸的强度．

科学家们通常在转向复杂方法计算准确答案前,使用费米估算来讨论问题的答案．费米问题的使用提供了一个检查结果较为常用的方法．虽然估算大多不准确,但是作为一个勘误的简单计算是非常重要的．如果数值结果超过置信区间,就能发现错误假设．费米问题给出了一个快速,简单的方法去获寻问题解决的框架,在该框架下所给出的答案是在有理由的情况下被期望的,其结果也是基于给定情境的．通过费米问题,能实现对学生的逻辑思维能力以及评价能力的培养和评价．

2.3 排序任务(ranking tasks)

排序任务所提供的问题一般都包括一些相似的情境状态．该状态仅在一个或几个物理量上数值不同(如并联或串联灯泡的数目,某物体的速度和质量,等等)．学生根据题目中设问物理量的要求对某状态进行排序(如电流的大小,绳子的张力等)．学生还需要解释排序的结果．排序的结果和解释为教师深入了解、识别学生的思维及思维模型提供了指引．

排序任务在帮助学生修正他们的概念性理念上非常有用．教师给学生设置排序任务,学生独立完成该任务,然后与其他同学的想法进行比较、评价,并尽量发现思维中的差异,从而能发展及评价其高阶科学思维能力．

排序任务一般出现在小组或课堂讨论中．该任务也通常被作为家庭作业或者测验和考试,来评价学生的思维能力．

2.4 危险问题(场景回构问题)(Jeopardy problems)

场景回构问题又叫危险边缘问题．最初“危险边缘”,是由梅夫格里芬创造的美国电视游戏节目．该节目的特征就是小测验竞赛．比赛者必须用问题的形式来回答,主持人给出答案的线索．

后来,在美国科学教育界出现了这样一类结构不良问题,该类问题由于具有该电视节目的部分特征最初被称为“危险边缘问题”．危险边缘问题以物理方程开始,然后要求学生用物理概念或原理、规律等物理名词来描述该过程．该问题解决需要使用到对物理符号语言深入地概念性理解——类似阅读经典．该类问题最本质的特征为场景回构,即将物理方程用一系列或科学的或生活化的场面、情境进行还原性建构和描述．

在危险问题中,颠倒了普通的解题过程:首先,提供一个物理或其他学科方程作为给定信息;然后,要求学生建构一个恰当的物理(其他学科)状态来适切该方程．如提供m=60 kg,要求学生给出物理情境．一般来说学生可能会认为:这可能是置于水平地面上的一个质量为60 kg的物体;或是一个60 kg的人,站在地面;还有的学生会描述为一个质量为60 kg的人,在水平、无摩擦的地面滑行．一般而言,学生大多数会提出前面的说法．其实,最后的一种说法也是可行的——因为,它是普通学生的另外一种物理(科学)认识．

在此类问题中,学生被鼓励发散性思考,当他们创造性地描述该方程的过程或状态时,他们的高阶科学思维能力会得到充分的发展,那么也能更容易地对其进行评价．

2.5 提出问题(problem posing)

提出问题这类题目(用“提出问题”表示),在任务中提供了结构化的问题状态(一系列的表面特征和故事线)给学生,学生们被要求通过增加一个问题或一句描述,将该问题状态转变为用专门的或题设条件给出的物理原理所解决的问题．题目中所给出的明确的定理或概念是提出问题的线索,“提出问题”的要求则需要与教材中所学内容相关．一般而言,“提出问题”会给出两个相似的任务,每个任务所需要的结果明确地与特别的概念或原理联系．“提出问题”主要希望了解学生联系问题空间至概念空间的能力是否具有倾向性．

“提出问题”在对认知过程的评价上,仍然是一个还没被完全开发的工具．因为“提出问题”涉及到概念和情境的相互影响:该类问题提供了丰富的情境,在该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．“提出问题”被证明是一个强有力的工具,用其可以分析情境如何转变为概念,或相反,以及概念是如何与专门的情境紧密地联系在一起的．“提出问题”也让鉴定学生方面变得可能,可以鉴定学生科学思维能力的组成以及这些组成与其所接受的科学思维的一致程度,及基于这些方面的推理能力．

研究者提出[10]测量高阶科学思维能力有三类题目/任务形式是非常有用的:选择题(包括多项选择、匹配题和排序题)、主观题(包括简短回答,描述、执行任务及问题解决)、解释题(包括给出选择的原因或生成反应的原因)．

对比美国主流理科问题类型发现,不管是情境丰富问题还是费米问题抑或提出问题,从题目形式上都非常符合对学生科学思维能力测量的需求:排序问题需要排序及给出选择的原因明显与选择题及解释题的要求接近;情境丰富问题、费米问题、危险问题因为需要简短回答以及进行问题解决,符合主观题的要求;提出问题不仅需要进行描述,同时也需要给出原因,所以包括了主观题和解释题两类题目的特点．所以,美国理科的这五类主流问题在形式上是完全符合测量和评价学生高阶科学思维能力的需要的．

3 各类问题对高阶科学思维能力评价的优势与局限

3.1 高阶科学思维能力的组成要素

由于,对高阶科学思维能力的界定还不太统一,但是几乎所有的研究者都赞同高阶科学思维能力包括批判性思维,问题解决,做出决定以及创造性思维(Lewis & Smith, 1993)．不管是Briggs,Wager (1981), Gagné(1985), Gagné, Briggs, 还是Wager (1988)等也都提出了类似的思维能力分类指标．比如:Gubbin(1990)所提出的批判性思维技能矩阵就包括了问题解决、做出决定、推理和演绎归因、发散性思维、评价性思维和推理,当然还有一些不太知名的类似概念[11]．

基于大量的文献综述[12],本文将高阶科学思维能力分为三个维度:分析、评价和创造能力．具体来说,分析描述的是区别与了解事物内部联系的能力,包括构成要素分析,以及要素与要素之间的关联和相互关系等,它涵盖了问题解决的相关内容．评价:其实就是元认知和反思,该维度是进行高阶科学思维的重要的方面,实际上体现了批判性思维．创造:把原有思想重新结合为一种新的完整的思想,包括观点、意见的提出,计划、方案的产生,操作程序的形成,抽象关系的推导等,这一维度就是创造性思维的内容．

高阶科学思维能力的三大维度:分析、评价、创造其实也可以描述为状态—能力—结果．即,学生在未学习的内容以及现实生活困境中,处于矛盾、问题、不确定、迷惑、挑战等状态,应用多维技能(复杂分析、创造性思维、批判性思维、做出决定、评价、逻辑思维、元认知、问题解决、发散性思维、科学实验、科学探究、综合、系统分析)运用所学概念或规则去适切该状态,从而得出思维后的,而不是依靠以前所学知识经验所产生的结论、决定、发现、解释、假设、答案、可能性．

3.2 各类问题的优势与不足

因为高阶思维能力包括分析、创造和评价三个维度,而这三个维度的界定较为抽象,如果要进行问题分析就会显得指标比较含糊,为此通过文献梳理[13]对其进行了进一步的指标划分,使其题目特征化与要求具体化．希望将美国理科主流问题的设置要求在此三个维度上进行较为具体地表达后,可以对题目进行更为准确地分析,从而寻求在不同类型问题上对学生不同维度高阶科学思维能力的侧重和倾向评价．

问题作为教学环节的一部分,其实是服务于教学过程中,所以要培养学生的高阶思维能力还需要与教学阶段与教学策略联系起来,Kuhn(2003)提出要培养学生的科学思维能力有四个阶段:探究阶段(INQUIRY)、分析阶段(ANALYSIS)、推理阶段(INFERENCE)和科学论证阶段(ARGUMENT),同时其他研究者[14]提出了与之联系的教学策略有:指导性交流策略(Instructional Communications)、脚手架策略(Scaffolding)、学习与思考策略(Learning and Thinking Strategies)、直接指导策略(Direct Instruction)、质疑策略(Questioning Strategies)、反馈策略(Feedback)、小组活动策略(Team Activities)、学生讨论策略(Student Discussions)、同伴指导策略(Peer Tutoring)、合作学习策略(Cooperative Learning)和计算机中介策略(Computer Mediation)．

比如:分析作为高阶科学思维能力中的一维,它主要是就物理事实或现象、问题的组成部分进行划分及对关联程度进行区隔．那么如果想了解某问题是否考查了学生的分析能力,就可以从问题的要求中是否明确提出了要学生对某类问题进行分析、是否涉及计算、是否要求学生选择、是否需要对比(比较)、是否要求学生推断、是否有实验的要求、是否含有区别(辨别、识别)的要求,如果题目中存在以上内涵,则表明该类问题属于对学生分析能力评价的问题．而如果希望培养学生的分析能力,则需要在教学中重视探究与分析阶段,因为这两个阶段侧重培养学生的分析能力,而与之联系的教学策略有:指导性策略、脚手架策略、直接指导策略等,具体表1所示．

表1 思维能力指标下的题目要求与教学要求

通过对上表的分析,发现本文所提出的所有问题类型在对学生分析、创造和评价能力的关注点上几乎都或多或少有所体现,只是各有不同的侧重而已．比如:背景丰富问题更关注模型的建构,这属于对学生创造能力的培养要求;费米问题更关注预测的部分,这属于对学生评价能力的要求;排序问题通过控制变量可以寻求比较和识别,这属于分析能力的部分;危险问题作为重构问题体现了假设和设计的理念和思想,这也属于创造能力的部分;提出问题则更多地体现了对学生分析能力的考查．

虽然,本研究将高阶科学思维能力划分为了分析、创造和评价,而且也进行问题要求的描述区隔,但是对评价者而言,这三大维度依然较为宽泛,而要对高阶科学思维能力进行更深入地分析,就必须将高阶思维能力进行进一步地划分．通过大量文献梳理后[15],可以将其具体分为复杂分析(complex analysis)、创造性思维(creative thinking)、批判性思维(critical thinking)、做出决策(decision making)、评价(evaluation)、逻辑思维(logical thinking)、元认知思维(metacognitive thinking)、问题解决(problem solving)、发散性思维(reflective thinking)、综合和系统分析(synthesis& systems analysis)等十一个能力指标．诚然,这十一个指标都是以分析、创造和评价为核心,但是由于其更具有针对性,所以对美国主流理科问题在这些高阶思维能力评价上的分析可以更有的放矢地培养学生的科学思维能力．

为了更明确地了解各类问题到底与哪些高阶思维能力存在相关关系,特地将各类问题的具体题目进行专家评价和评价者评价,以求达到更科学、客观的结果．

(1) 情境丰富问题.

你正在观看国家地理特别节目．这个节目时段是关于东南亚河流里盛产的剑鱼的．解说员描述剑鱼在水面会保持张嘴的姿势,然后瞄准昆虫后以4 m/s的速度从嘴里喷射水柱,如果该昆虫位于水面0.8 m高处,请你估算一下想要击中昆虫最小的角度是多大．因为此时是广告时间,你有足够时间可以快速计算该角度．

通过该问题的分析,可以发现该问题涉及到能量守恒、动量定理、抛体运动等相关内容,首先你需要顾及剑鱼的质量,喷出水的质量,从喷出水的速度估计出喷出水可能的高度与距离,而最小角度的要求则表明尽量远的距离和尽量低的高度．总体来说这是属于对高阶科学思维能力中分析维度的考核．具体来看,要求“你”进行决策,判断水柱的运动状态,这属于做出决策能力和评价能力;对于该类情境丰富问题,需要学生从大量文字描述中提取并构建物理模型,这是属于创造性思维能力的培养;当然,由于情境丰富问题给了学生一个较为完整的问题,不可避免地考查了学生的问题解决能力．

(2) 费米问题.

在芝加哥有多少调音师?

该问题的解决需要给出大量的假设,比如:大约有9百万人居住在芝加哥,假设平均一家2个人．则芝加哥拥有450万个家庭．再假设大约1/20的家庭有一台钢琴,该钢琴需要规律地校准．则大概有22.5万台钢琴．一般一架钢琴大概一年校准一次．校准一台钢琴大概需要两小时(包括通行时间)，一个调音师一天工作8小时,每周工作5天,一年工作50周．则每年有22.5万台钢琴需要校准,共需要450万小时进行校准．而一个调音师一年工作2000小时,所以简单计算后发现需要225位调音师．而芝加哥实际的调音师为290人．

通过分析费米估算问题,可以发现该类问题总体上是对给定情境解释、预测和评估,这是属于高阶科学思维能力中的评价维度．具体来看,该问题涉及对时间的估计,对人口的估计、对家庭的估计……这属于评价能力的范畴;同时需要问题解决者判断该过程中调音师人数与钢琴台数如何变量统一的判断,这属于做出决策能力的范畴;在解决调音师人数过程中的问题时,不可避免需要简单计算,这属于问题解决能力,但是在做出决定的过程中,也涉及到了大量的逻辑思维能力,才能判断是否可以通过工作时间来实现对调音师人数的判断．

(3) 排序问题.

8辆同样尺寸、同样形状的小车以特定的速度在相同的水平道路上行驶．小车运载着不同质量的货物,其质量已知并如图1所示．要让所有小车将被装有农用器材的木桶所阻止,最终以相同的距离停下来,其所受阻力从大到小的排列顺序为:

图1 排序问题

请你解释排序的原因,并圈画出你有多确定你的排序:基本是猜的,确信,非常确信．

排序问题因为主要是通过控制变量来实现问题解决,需要解题者对比、比较、区别,所以该类问题主要关注的是学生的分析能力．具体来说,由于涉及到多个变量(不同的质量,不同的速度,相同的刹车距离),需要通过物理模型进行复杂变量的控制,属于复杂分析能力的范畴;在题目最后部分,需要圈画出排序的程度,这属于做出决定能力;当然在进行控制变量的过程中也涉及到了逻辑思维能力．

(4) 危险问题(场景回构问题).

请设计出符合该方程的物理情境．

该方程描述了两种情况,一种是在某一点时刻的状态,也可以是一个连续的过程(有始有终),在该过程中具有初态和末态．对于后者如下案例可以说明,方程左边表示的初态,而右边表示的是末态．

场景回构问题需要学生去假设物理情境、设计物理过程,所以属于高阶思维能力中的创造性维度．具体来说,由于是让学生从物理方程去创设物理情境,所以需要考察解决者的创造性思维;由于同一个物理方程,可以出现多种不同的物理情境和多种不同的物理过程,这也对学生的发散性思维能力有所考查;当面对多个不同假设与多个不同的情境时,需要解决者找出最佳的表述,这属于做出决定的能力考查;在解决场景回构问题过程中,解题者的问题解决能力实现了考查．

(5) 提出问题.

图2

在水平且无摩擦的平面上有一个质量为M的木块,其通过一个轻绳跨过一个轻质无摩擦的定滑轮与另一个质量为m的木块相连,该系统在静止时自由释放木块,释放时绳子恰好绷直，如图2所示.

请用下面两条专门的定律将题目补充完整．

(1) 牛顿第二定律.

(2) 功能关系或机械能守恒定理.

该题目要求提出问题者用牛顿第二定律和功能关系将题目补充完整,这种需要解题者在给定的专门定律下,补充完整题目的设计,主要考查的是学生发现不同物理概念、定理、定律间的差异,需要学生去推断、比较、区别相近概念,这属于高阶思维能力中的分析能力考查部分．具体来说,复杂分析、做出决定、在提出问题的过程中由于需要对不同的定律进行区分,在表述上需要综合思考题目情境和具体物理概念,所以需要系统、整合的分析能力．

通过对这几类问题的梳理后发现,其与高阶思维能力的关系如下表2所示,该表格反映了不同类型的问题对于学生不同高阶思维能力培养的倾向和侧重．

表2 高阶思维能力与各类问题的联系

通过对美国主流理科问题的分析和梳理后发现,各类问题都很关注高阶科学思维能力的培养,几乎都涵盖了分析、评价和创造的相关维度．而对这三个维度11个具体能力的分析之后发现,背景丰富问题以创造性思维、做出决策、评价、问题解决、发散性思维能力为侧重;费米问题主要评价的是做出决策能力、评价能力、逻辑思维能力、问题解决能力和系统分析能力;排序任务以复杂分析能力、批判性思维能力、做出决策能力、逻辑思维能力、综合能力为主;危险问题主要关注创造性思维能力、做出决策能力、元认知思维能力、问题解决能力和发散性思维能力;提出问题则以发展复杂分析能力、批判性思维能力、元认知思维能力、综合能力、系统分析能力为核心．基于此,可以发现不同类型的问题各自具有对不同思维能力培养的侧重点,所以研究者完全可以根据评价不同科学思维能力的需要来设置具有不同类型特点的问题,从而实现对高阶科学思维能力全面发展和评价的目的．