PISA2015科学素养测评案例赏析及教学启示

(西安交通大学苏州附属初级中学,江苏 苏州 215021)

1 问题的提出

2016年《中国学生发展核心素养》正式发布,提出学生发展核心素养主要指学生应具备的,能够适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力．物理学科核心素养主要包括“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”和“科学态度与责任”4个方面．学生发展核心素养是检验和评价教育质量的重要依据．核心素养导向的学生学业质量评价能够推动物理教学的开展,为发展学生核心素养奠定坚实的基础．

国际学生评估项目[1](Program for International Student Assessment,简称PISA)是一项由经济合作与发展组织(Organization for Economic Co-operation and Development,简称OECD)统筹的学生能力国际评估计划,主要对接近完成基础教育的15岁学生进行评估,测试学生们能否掌握参与社会所需要的知识与技能．核心素养一词最早出现于OCED的相关研究报告中,OCED率先提出的核心素养框架[2]包括“能互动地使用工具、能在异质社会团体中互动、能自主行动”3个方面,PISA测评一定程度上反映了国际组织对核心素养评价的理念与方法．基于PISA2015科学素养测评(以下简称“PISA2015”)的视角,以苏科版初中物理8年级第4章第4节“照相机与眼球 视力的矫正”为例,借鉴国家测评组织对核心素养的评价,赏析“可调式眼镜”测评案例,反思对“照相机与眼球 视力的矫正”一课教学的启示,以供教学参考．

图1 PISA2015科学素养测评框架

2 PISA科学素养测评简介

如图1所示,国际学生评估项目是近10多年来国际上参与国家和地区最多、影响力最大的评估项目,其宗旨在于使学生学得更好、教师教得更好、学校体制更加高效．PISA是一种定期的动态评价项目,测试从2000年开始,每3年进行1次测评,每次从阅读、数学、科学中选择一个作为主要领域,另外两个作为次要领域．PISA2006和PISA2015重点测评学生的科学素养,2015年江苏省正式开始参加PISA测评．PISA2015的科学测评以计算机为主,纸笔测试为辅,体现测评项目积极适应信息化社会的要求．在PISA2006包含情境、能力、知识、态度及其相互关系的完整框架的基础上,PISA2015进行了一些调整,反映了国际测评教育理念的最新动态发展．

3 PISA2015科学素养测评案例——可调式眼镜

下面介绍PISA2015科学素养测评中“可调式眼镜”的案例,由5个问题组合而成,问题1、4和5为选择题,问题2和3为填空题,采用计算机模拟实验获取数据,分析实验数据,得出实验结论．

可调式眼镜： 一种新技术称为可调式眼镜,用于帮助人们矫正视力而不需要眼科医生的指导．这些眼镜的透镜是液体制作的,透镜的形状是通过调节透镜中液体的多少来实现的．

问题1.可调眼镜并不新奇，人类的眼镜也有一个可调节的晶状体．眼睛晶状体的形状是通过肌肉作用调节的，为什么眼睛晶状体的形状要调节(见图2，图3)?

图2 图3

(A) 为了看清不同亮度的物体.

(B) 为了看清不同颜色的物体.

(C) 为了看清不同距离的物体.

(D) 为了看清不同大小的物体.

问题2.移动滑块改变透镜的液体量，增加液体眼镜的形状会发生怎么样的变化(见图4)?从下拉菜单中选择正确的答案．

图4

当液体增到平面透镜中,透镜侧面的弯曲度会________(向外/向内),这是因为液体施加在透镜侧面的合力________(增大/减小)．

可调式眼镜的调查： 不同视力的3名学生使用一副可调式眼镜进行实验．Anna能看清远近不同的物体;Daniel能看清远处的物体,但不能看清近处的物体;Maria能看清近处的物体,但不能看清远处的物体．在模拟中,你可以看到透镜中液体数量如何影响学生从不同距离看清一棵树．

问题3.运行模拟实验,从下面的信息中收集数据，从下拉菜单中选择回答问题(见图5，图6)．

图5

图6

Anna可以看清远近不同的物体,如何调节眼镜改变Anna的视力的?

增加透镜中的液体,不能看清________(远处/近处)的物体;减少透镜中的液体,不能看清________(远处/近处)的物体．

问题4.运行模拟实验,从下面的信息中收集数据，点击一个或多个选项回答问题．

Daniel能看清远处的物体,但不能看清近处的物体．如何调节眼镜使Daniel看清近处的物体?

(A) +2 加满液体.

(B) +1 加一些液体.

(C) -1 减少一些液体.

(D) -2 减少所有液体.

问题5.运行模拟实验,从下面的信息中收集数据，点击一个选项回答问题．Maria能看清近处的物体但不能看清远处的物体．如何调节眼镜让Maria看清远近不同的物体?

(A) +2 加满液体.

(B) +1 加一些液体.

(C) -1 减少一些液体.

(D) -2 减少所有液体.

表1 “可调试眼镜”案例分析

根据PISA2015科学测评框架,案例的设计主要包括情境、知识、能力、态度、认知需求等,态度的考查通过对问卷调查测评,从而本案例中不涉及该维度的分析．“认知需求”是PISA2015科学素养测试框架提出的新概念,有别于“试题难度”,也有研究者译为“认知难度”,它贯穿于3种能力考查过程,有低、中、高3个水平层次,具体可参见文献[3]的研究成果,此处不再赘述．由表1可知,案例情境的创设以“个人的”为主,贴近学生的生活,探究科学与技术前沿热点问题,着重考查学生的程序性知识,关注学生对方法的理解与运用,问题2-4均考查学生“科学地解释数据和证据”的能力,要求学生综合分析判断数据和证据,挖掘数据和证据隐含的物理规律和原理．认知需求的设置呈现阶梯性,全面测评不同学生的知识与能力的水平．

4 对初中物理教学的启示

4.1 创设有效情境,引起学生的认知冲突

PISA2015创设学生在学习科学过程中涉及的知识产生和应用的真实情境,提升学生的问题解决能力．教材编排3个层次性的模块:照相机、眼球和视力的矫正．照相机是对凸透镜成像规律的直接应用,对前一课时的内容巩固、拓展,

眼球

是焦距可变的“照相机”,视力的缺陷与矫正是焦距变化受到限制的“照相机”,设计探究活动增加学生的体验性,总结视力的缺陷及其矫正的方法．本节内容基于“照相机”模型,以焦距的变化为主线,贯穿整个教学设计．结合PISA2015案例问题2和3,笔者利用单反照相机创设情境,引起学生的认知冲突．情境1:教师讲台前架设一台单反照相机,抓拍班级后排学生的照片,投影在屏幕．情境2:再抓拍班级前排学生的照片,投影在屏幕．引导学生观察两张照片上的前(后)排同一位学生,发现一张照片清晰,另一张照片却模糊．同一架单反相机,两次照片拍摄效果为什么不同?学生感觉非常新奇,激发了学生学习兴趣．

4.2 调整教学逻辑,顺应学生思维的发展

PISA2015案例中问题1考查了学生对眼球工作原理的理解,注重基本概念的掌握．教材中对眼球的工作原理做了相应的解释“当被观察的物体与人眼的距离改变时,人眼可以通过调节肌肉的松紧来改变晶状体的弯曲度,即改变晶状体的焦距,使物体仍能在视网膜上成清晰的像．”简而言之,眼球通过调节晶状体来看清远近不同的物体．笔者在教学过程中发现,学生在解决“凸透镜成像规律的应用”问题时,对2016年苏州市中考物理试卷第27题第4小问该类问题存在疑惑．

图7

(2016年苏州市中考题)如图7,在烛焰和凸透镜之间放一副眼镜,发现光屏上的像由清晰变模糊了,将光屏向透镜移动适当距离后光屏上再次呈现清晰的像．则该眼镜是________(选填“近视”或“远视”)眼镜．

经过访谈发现,学生认为戴上眼镜后,将光屏向透镜移动适当距离后光屏上再次呈现清晰的像,像成在视网膜的前方,从而本小问是近视眼,该眼镜是凹透镜,即近视眼镜．该小问的设计与PISA2015案例中的问题4、5较为相似,有所不同的是案例中根据计算机模拟,分析实验数据判断增加或减少液体,进而判断是近视眼镜或远视眼镜．反思教材中对模拟探究近视眼的缺陷的编排,发现教材的逻辑顺序如图8所示.

图8 教材编写逻辑顺序

由图8可知,教材从学生已有经验出发获取矫正方法,近视眼看不清近处的物体,通过戴上近视眼镜后能看清近处的物体,确定视网膜的位置,即此时光屏的位置,移去近视眼镜后,移动光屏找到清晰的像,即此时光屏的位置．该逻辑顺序是基于已有的解决方法,推理所出现的问题．参照文献[4]对初中物理科学思维水平划分可知,对学生的科学思维能力要求处于现象分析的高级要求,学生较难领会实验的设计要领．此外,学生对光屏的功能存在疑惑:将光屏看做视网膜,那为什么可以移动呢?缺乏相关经验的学生不知道近视眼为什么用凹透镜矫正呢?此外,在PISA2015案例问题4、5和2016年苏州中考物理试题第27题第4小问,对学生的科学思维能力要求处于现象分析的中级要求,基于问题的现象,分析判断解决方案．按照正常的逻辑,课堂教学的教学要求高于评价要求,学生应该灵活应对,但教学时较高的思维水平导致部分学生难以理解．通过生活中的现象,寻求问题的解决方案是学生常规的思维方法,笔者设计通过自制实验教具“双变水透镜”[5]实现眼球工作原理的可视化呈现,自然过渡到近视眼缺陷、成因及其矫正(见图9)．

图9 眼球的工作原理

如图9所示,将烛焰看成物体,水透镜1看做晶状体,光屏看做视网膜．(1) 按照图示组装器材,调整在光屏上成清晰的像．(2) 当物体靠近时,视网膜上的像不清晰,向水透镜1中注水,增加晶状体的厚度,视网膜上的像变清晰．(3) 当物体远离时,视网膜上的像不清晰,向水透镜1中抽水,减小晶状体的厚度,视网膜上的像变清晰．动态变化过程直观显示了眼球看清远近不同的物体的成像原理．(4) 当物体继续远离时,视网膜上的像又不清晰,提问学生此时像在视网膜的什么位置?但此时无法继续抽水,只能看清近处的物体,看不清远处的物体,即晶状体凸度较大,比正常眼球的晶状体的凸度大．(5) 使用另一水透镜2(双变水透镜)固定于蜡烛与水透镜1之间,提问:让眼球重新看清物体,应戴凸透镜还是凹透镜?要求学生说明理由,通过实验探究学生的猜想是否正确．该实验引导学生从模拟眼球的工作原理到探究近视眼的缺陷及其矫正,逻辑上符合初中学生的渐进性认知水平,从近视眼的现象、成因,再到解决方法,也引导学生从3个角度判断是否近视眼:(1) 能够看清近处的物体,不能看清远处的物体;(2) 晶状体比正常眼球更凸,会聚能力更强;(3) 佩戴凹透镜矫正．

4.3 渗透科学思想,培养学生的证据意识

PISA2015首次采用机测,案例中问题3-5均采用计算机模拟实验,要求学生收集实验数据和证据,客观地分析数据和证据,有效避免对实验结论的死记硬背,着重考查学生对“程序性知识”的掌握和提升“科学地解释数据和证据”的能力,问题4的模拟结果为前2个选项,要求学生具备实事求是的科学态度,也体现了定性半定量的科学思想,不仅了解矫正远视眼时使用凸透镜,而且知道不同凸度的凸透镜的矫正功能．

图10 探究动能大小的影响因素

如图10所示，在教学过程中渗透定性半定量的科学思想,能够培养学生严谨的思维方式,如在“探究动能大小与哪些因素有关”时,教师引导学生成比例增加小车下滑高度(成比例增加小车到水平面的速度),记录木块移动的距离;成比例增加小车的质量,记录木块移动的距离．分析实验数据,得到实验结论．提问:通过实验数据的分析,你能判断速度和质量哪个对动能的影响更大吗?该问题不需要学生定量计算动能的表达式,但通过定性半定量的比较:速度增大为原来的n倍,木块移动的距离为s1,质量增大为原来的n倍,木块移动的距离为s2,比较s1和s2即可得出结论．定性半定量思想是一种重要的思维方法,初中物理中常见的还有物理量的估算等．初中物理教学中通过科学思想的渗透,培养学生的证据意识,发展学生的高阶思维能力,提高学生的创新能力．

PISA科学素养测评项目创设具体的真实情境评价学生的科学知识、科学能力和科学态度等,突出评价体系的客观性、科学性和时代性,为我国核心素养的评价内涵的创建提供借鉴与参考． 此外,学生的核心素养的评价能够推动课堂教学的变革,准确定位学生的发展水平,发展学生的的关键能力,为学生的终身学习奠定基础．