关于考查科学本质的试题编制策略之思考

徐祝林

摘   要：对于科学本质的理解，在最近几年的学业考试中逐步体现，由此引发笔者的思考。文章从科学本质的要义、科学本质考查的内容、考查科学本质的试题编制策略和相关建议等方面阐述科学本质试题的编制。

关键词：科学本质;科学知识;科学探究;科学事业;编制策略

中图分类号：G633.7 文獻标识码：A     文章编号：1003-6148（2019）6-0037-4

科学课程改革以来，关于科学本质的教学和研究引起科学教育界的高度重视。培养科学本质观，可以提升学生的科学素养，已成为当今世界各国科学教育的共识。而科学本质观到底落实得怎样，需要进行考查测试。

1    科学本质的要义

美国科学促进会1985年制定的“2061计划”《面向所有美国人的科学》和1993年制定的《科学素养基准》，以及1996年美国国家科学院颁布的《美国国家课程标准》都明确地指出，理解科学的本质是科学素养的重要组成部分。那么，科学的本质到底是什么呢？不同学者观点不尽相同，但总体认识基本类似，形成了目前较为权威的科学本质观，即科学本质是多层面的，一般认为具有三个层面：

（1）科学知识的本质观。主要包括如下：累积性，即科学的知识经由时间累积而来;暂时性，即科学知识是可能改变的;可重复性，即在相同的条件下，科学知识可以被重复地验证;创造性，即科学知识是人类智力的创造，它运用了很多创造性的想象力，如同一位艺术家、一位诗人或是一位作曲家的工作;公开性，即科学家必须正确地发表他们所观察到的科学现象，科学知识必须公开发表;可预测性，即科学知识运用来做推论时，可推测一些事实并获得证实。

（2）科学探究的本质观。主要包括如下：质疑性，即科学探究的起始动机及延续的动力就是为了解决某些可能被质疑的部分，如此科学探究活动才能持续进行;经验性，即科学探究的过程是基于观察的经验基础;实证性，即形成科学理论的过程需要经过实验验证的阶段;科学方法的多元化，即科学方法与过程不具有独特性，只要是可以解决研究问题的科学方法就是好的科学方法，并没有所谓的一成不变的科学方法。

（3）科学事业的本质观。主要包括如下：伦理与道德原则，即从事科学研究必须考虑到伦理与道德原则;科学家的身份，即科学家兼具有科学专业及公民的身份，科学家可利用科学思考的特性来解决公众事务，无论如何，科学家在其专业领域之外，不具有专业上的可靠性;STS，即科学、技术与社会具有交互影响的关系。

2    科学本质考查的内容

由于科学本质的内容较为宽泛，至于哪些科学本质特征适合于作为教学内容以及作为学业考试的测试内容，存在一些争议。但目前也有一些共识，即应该教授或考查一些相对没有争议的科学本质的特征。

美国最新的国家科学教育标准《下一代科学教育标准》明确学生要理解以下有关科学本质的概念内涵：使用多种不同的方法进行科学研究;科学知识是基于实验证据得出来的;依据新的证据，科学知识存在修正的可能;科学模型、科学规律、科学机制和科学理论都是对自然现象的解释;科学是一种认识方式;科学是人类的努力成果。

《英国国家科学课程标准》对科学本质的教学内容主要包括：科学知识具有暂时性;科学依赖实验证据;科学是解释现象的一种尝试;新的知识必须被清楚、公开地报道;科学家需要可重复和诚实地报道;科学观点受社会和历史环境的影响等。

我国2011版《初中科学课程标准》将科学课程界定为：以对科学本质的认识为基础、以提高学生科学素养为宗旨的综合课程。并指出“自然界是有规律的，这种规律是可以被认识的……知识的形成是一个不断修正、不断深入、以逐步逼近客观存在的过程……科学是以多样统一的自然界为研究对象的探究活动……科学活动受到科学道德和社会一般道德的双重约束”。虽然《初中科学课程标准》吸收了当代国际科学教育对于科学本质的要求，但更多的是从科学知识的本质观和科学探究本质观来进行教学和测试，对于科学事业的本质观要求欠缺。

笔者近几年来参与了学业考试和市统测试题的编制，和相关命题专家一致认为，科学本质的考查要基于没有争议的科学本质的特征，当前考查科学本质的试题主要考查如下内容：

（1）科学知识的本质。即浙教版《科学》教材内容下的科学事实、科学概念、科学理论和科学模型等。在考查时，要体现知识的发展并不只是简单的积累，而是包含着复杂的思维加工过程，从科学事实的认识到科学概念的形成、科学理论的建立和科学模型的建构。因此，要运用相关科学思想、科学方法等解释和预测自然现象。

（2）科学探究的本质。即学业考试注重考查提出科学问题，进行猜想和假设，制定探究方案，获取事实与证据，解释、检验与评价，表达与交流等科学探究的能力;考查观察、比较、分类、应用数学、测量、推论、形成操作性定义、解释数据、控制变量、实验等科学探究的过程技能;以及初步的分析、综合归纳、演绎等思维能力。

（3）科学事业的本质。《初中科学课程标准》指出“……作为社会未来的公民，需要认识和把握日常生活中遇到的科学技术以及相关过程，需要了解与科学相关的社会问题、参与决策过程，需要理解科学是当代文化的一个重要组成部分，需要了解科学共同体的基本规则……”对于科学事业的本质的考查，笔者认为通过科学史的考查，让学生体会科学家的求实、严谨、怀疑、创新、坚持、合作等进行科学研究的态度。

3    考查科学本质的试题编制策略

作为初中阶段的学业考试，同时也是终结性考试。它要求试题必须满足导向性、科学性、适标性、有效性、原创性、公平性等。作为基于科学本质的试题的测试目标明确为考查学生对科学本质的理解。而为保证测试的公平性，笔者结合命题的思考，认为可以从如下策略入手。

3.1    聚焦当代科技成果，落实科学本质的知识观

生活在信息爆炸的时代，可以当代科技成果以及科技论文作为试题的背景。一方面引导学生要关注STSM，另一方面科技成果、科技论文等可以保证情境的真实性和科学性。通过聚焦当代科技成果，呈现必要的信息，紧扣科学知识和科学思维等，可以落实知識的本质观。

例1 （2018年绍兴卷第35题节选） 2018年2月《自然》杂志上发表了一项新研究，展示了一种全新的加工木材的方法（如图1），把天然木材放在NaOH和Na2SO3的混合液中煮沸以除去部分木质素，接着在100 ℃以上的高温中进行机械压缩制成致密木材。

（1）致密木材是由天然木材加工而成的，其密度为天然木材的3倍。充分压缩后木材的厚度减小到原天然木材的20%。若在压缩过程中底面积保持不变，则说明处理过程中木材的质量减少了            （用百分数表示）。

（2）致密木材的硬度、拉伸强度都很大，为天然木材的10倍左右，甚至超过了部分金属。致密木材的拉伸强度和纤维素有关，且拉伸强度 ，它用来表示材料的坚韧程度。拉伸强度与我们所学的科学量            的单位是相同的。

评析：第1小题考查对密度概念的理解以及对信息的处理应用能力;第2小题考查信息的提取能力以及对压强概念的理解。本题情境来自于科技论文，试题背景新颖。试题立足于基本知识和基本技能，考查识记的要求，但有了这一情境，设问显得灵活。同时通过该试题的考查，让学生感受到了科学知识不是简单的识记累积，而是要运用思维方法进行重构知识这一科学本质的知识观。

3.2    聚焦学生拓展性课程，落实科学本质的探究观

学生拓展性课程包括探究实验、家庭实验、科技实践活动、学生研究性课题等。由于这些拓展性课程符合学生的认知水平，通过选择学生的拓展性研究课题作为试题素材，改编成可以考查学生解决问题的思维过程、综合运用知识解决问题的能力，科学探究的能力，以及有利于提升学生高阶思维能力的测试。这有利于学生深度学习，从而引导、落实科学本质的探究观。

例2 （2018年温州卷24题） 飞机在空中飞行时都有一定的迎角（机翼轴线与水平气流的夹角）。飞机飞行时的升力除了与机翼形状有关外，是否还与迎角大小有关？为了研究这一问题，在老师的帮助下，小明利用电风扇、升力测力计、飞机模型，按图2方式进行如下实验。

①闭合电风扇的开关，调节档位使其风速最大，并使飞机模型的迎角为0°，记录测力计的示数。重复5次实验并计算升力的平均值。

②改变迎角大小，使其分别为5°、10°、15°、20°，重复步骤①。

③处理相关数据得到“升力与迎角的关系”，如图3。

（1）本实验得出的结论是：

（2）小明若要进一步研究“飞机的升力与其飞行速度的关系”。利用现有器材，如何操作可以模拟飞机不同的飞行速度？

（3）资料显示：本实验结论与实际相符，且飞机迎角一定时，飞行速度越大升力也越大。若某飞机以500千米/小时做水平匀速直线飞行时的迎角为θ1，而以800千米/小时做水平匀速直线飞行时的迎角为θ2（θ1、θ2均小于15°）。请比较θ1、θ2的大小关系：

评析：本题通过学生的拓展性活动“影响飞机飞行时的升力的因素”这一背景，设置了三小题，第1小题考查对图表的分析和实验结果的获取能力;第2小题考查控制变量法中的变量条件的控制能力;第3小题考查对预测不一致现象作出合理的解释以及对实验数据的分析等科学探究能力。试题从学生的拓展性课题中挖掘素材，从提出问题、建立猜测与假设、设计实验方案、获取实验数据、得出结论等科学探究的过程进行探究，不仅有利于激发学生对拓展性课程的兴趣，还能有效落实科学本质的探究观。

3.3    聚焦科学史史料，落实科学本质的事业观

科学史（包括诺贝尔奖）展现的是科学家在进行科学研究中所采用的研究方式、思维方式等客观事实。科学史不仅可以揭露相关知识的发现历程，还蕴含着科学探究的方法、思维方式等。另外，在这些伟大的科学家获得重大发现或获诺贝尔奖的背后，都蕴含着一种共同的东西——科学本质的事业观：求实、严谨、怀疑、创新、坚持、合作等。

例3 （2018年衢州26题）

材料一：两千多年前，亚里士多德认为空气没有“重量”，真空是不存在的。

材料二：至少从1614年开始，伽利略却认为空气是有重量的。他的同事兼学生托里拆利在1643年做了如图4的实验：把一端封闭的长玻璃管装满水银倒置在一个敞口的水银槽里，水银从玻璃管的顶部下降了一段距离后，液面不再下降，高度总保持距槽中水银面30英寸（76厘米）左右。1646年帕斯卡重复了这一实验。

材料三：在17世纪中叶，对该实验的两个关键问题的回答都有代表性的支持者和反对者（如表1）。

（1）一些反对者认为，由于管内水银产生了蒸气，使水银减少，水银液面下降。为了反驳这一观点，帕斯卡同时拿出酒和水，询问反对者：用酒和水做托里拆利实验，酒柱与水柱哪个液面下降得更多？反对者们认为酒的液面下降得更多，原因是                。但是实验现象却是水柱液面下降得更多。

（2）另一些反对者认为，由于管内遗留了少量空气，才使水银液面下降。帕斯卡利用1米左右长、不同直径的玻璃管进行托里拆利实验，如果观察到的实验现象是             ，就可以反驳反对者们的观点。

（3）下列关于科学本质及科学发现过程的描述正确的有

A.公元1646年前，所有人都赞同亚里士多德提出的“真空不存在”观点

B.科学实验中要努力得到和前人一样的实验结论

C.科学发现是一个不断完善、不断修正的过程

D.实验是科学研究的重要方法

评析：本题通过三个非连续文本的科学史 “大气有无重量”为情境，分别设置3个小题，第1小题考查的是科学探究中的因果推理能力;第2小题考查的是实证意识，即“分析与论证”的实验能力，以及控制变量等核心科学方法能力;第3小题考查的是科学本质的理解水平，让学生领悟科学知识的形成是一个不断修正、不断深入，逐步逼近客观事实的过程。

4    几点建议

基于科学本质考查的试题命制过程中，需要综合考虑试题编制的基本要求以及上述三种策略，同时还要适当考虑如下要求：

（1）渗透“STEM”学科融合的理念，体现综合性。

STEM教育强调多学科的交叉融合，即在解决实际问题中，常需要综合运用科学、技术、工程和数学等四门学科的相关知识。学业考试试题编制可以结合基于STEM理念进行选材和编制考查学生的科学本质观，以便更好地培养学生的创新精神与实践能力。

（2）践行落实PISA命题思想。

PISA试题着重于应用及情境化。它强调受测学生必须灵活运用学科知识与认知技能，针对情境化的问题自行建构答案，能深入检测学生的科学素养。因此，在命题时适当体现PISA思想，可以考查学生基于研究结果进行科学推理的能力等科学本质观。

（3）适当体现SOLO评价思想。

SOLO评价思想是对不同思维层次的学生进行不同等级的评价，以体现试题的甄别功能。適当结合SOLO评价思想，可以考查学生信息获取、比较分析、原理迁移、科学推理和逻辑表达等多种能力相关的科学本质观。

参考文献：

[1]蔡铁权，陈丽华.体现科学本质的科学教学[J].全球教育展望，2012，41（10）：84-90.

[2]黄晓.体现科学本质的科学教学[D].上海：华东师范大学博士学位论文，2010.

[3]袁维新.科学教学通论 [M].北京：人民出版社，2013.

[4]胡扬洋，陈清梅，邢红军. 物理教材引入科学史的新观点[J].课程·教材·教法，2012（12）：29-34.

（栏目编辑    陈  洁）