PISA、TIMSS科学素养测评项目及启示

陈信宇 柏毅

[摘   要]当前，培养学生的科学素养现已成为各国科学教育的核心目标。然而我国对于学生科学素养的测评，主要是基于科学学科的常规测试和教师的个人评价，与国际大型测评项目PISA和TIMSS相比，标准化和多样化程度不够。为此，解读PISA和TIMSS的目的和内容框架，以为我国实施科学教育、有效测评学生的科学素养提供参考。

[关键词]PISA;TIMSS;科学教育;科学素养

学生是一个国家发展的未来和希望，在科学技术快速发展、科学发现和技术创新不断涌现的时代，培养学生的科学素养已成为各国科学教育的核心目标。与各国对科学素养的关注相对应的，是对学生科学素养测评项目的开发和实施。目前，国外已有较多学者或组织致力于开发学生科学素养测评的工具，而在国际上两个影响较大、较为完善的学生科学素养测评项目分别是经济合作与发展组织（OECD）的国际学生评价项目（Program for International Student Assessment，以下简称PISA）和国际教育成就评价协会（IEA）组织的国际数学和科学成就趋势研究（The Trends in International Mathematics and Science Study，以下简称TIMSS）[1]。PISA主要采用传统纸笔测试的形式，对15岁学生的阅读、科学以及数学三大领域进行评估，每三年举行一次;TIMSS也采用传统纸笔测试的形式，分别对四、八年级学生的科学素养与数学素养进行评估，每四年举行一次。

我国2017年出台的《义务教育小学科学课程标准》指出，小学科学课程要按照立德树人的要求培养小学生的科学素养，为他们的继续学习和终身发展打好基础[2]。这充分体现了我国在立足本土化的同时，积极顺应国际科学教育发展趋势，将科学教育目标与国际趋势相融合，致力于培养学生的科学素养。但国内对学生科学素养测评的开发还在初步阶段。目前，有学者通过研究PISA等国际科学素养测评项目，开发了针对国内15岁青少年科学素养测评的工具，包括试题与问卷[3]。然而，我国现行针对学生的测评主要基于常规测试和教师的个人评价，而针对学生科学素养测评的研究还很少，且已有研究成果在我国的应用率较低。因此，分析国际科学素养测评项目，了解其测评目的及框架，对我国实施科学教育、基于国情构建科学素养测评等都具有重要启示意义。

一、PISA科学素养测评

1.测评目的

PISA的测评目的是衡量15岁学生是否准备好迎接未来的挑战，是否具有有效地分析、推理和交流自己的思想观点以及终身学习的能力[4]。PISA认为，学生不仅需要掌握知识与技能，更需要学会如何学习，适应未来社会发展。因此，PISA的评估是基于现实情境，而非特定的学校课程知识，旨在让学生将已掌握的知识和技能运用到现实生活中，考查学生在解决问题过程中的分析、交流与协作能力。

2.科学素养测评框架

科学素养是2006年、2015年PISA测评的核心领域。PISA主要围绕情境、知识、能力和态度四个相互关联的方面构建科学素养测评框架。

（1）情境。试题情境以学生感兴趣的、日常生活的真实情境为主，涉及“个人情境、地区或国家情境、全球情境”三类，应用的背景包括健康与疾病、自然资源、环境质量、危害、科学和技术前沿5个维度[5]。PISA通过基于真实情境的问题，考查学生基于直接经验综合运用知识和技术的科学能力，以及对未来生活的准备。

（2）能力。科學能力是PISA科学素养测评的核心。PISA对科学能力的要求包括：科学地解释现象，即认知、评估和解释自然科学现象的能力;设计和评价科学探究，即描述、评价并提出科学探究方法的能力;科学地阐释数据和证据，即综合证据并分析、评估数据得出结论的能力[6]。

（3）知识。知识是构筑能力的基础。上述三种科学能力的获得需要通过三种形式的知识，即内容性知识、程序性知识和认识性知识。其中，内容性知识指科学中已建立的关于自然界的事实、概念、观点和理论，挑选标准是要与情境密切相关、代表重要概念或理论、符合15岁学生的认知发展，涵盖物质科学、生命科学、地球与空间科学三大领域[7]。PISA用程序性知识和认识性知识更准确地界定了关于科学知识生产过程和逻辑本身的知识，体现了PISA对知识的考查更注重把握知识产生的逻辑和评价准则。

（4）态度。科学态度是科学素养的重要组成部分，能够影响个体对科学的兴趣、关注和参与科学问题解决的程度。PISA2015对科学态度的考查主要分为对科学的兴趣、评价科学探究方法的价值及环境意识三个维度。以对科学的兴趣维度为例，包括对科学及有关问题的好奇心，愿意使用各种资源、方法获取更多科学知识和技能，有持续兴趣愿意从事与科学有关的职业[8]。

二、TIMSS科学素养测评

1.测评目的

TIMSS测评基于课程内容，旨在考查学生对科学课程知识的复述、理解和分析能力，关注学生基于科学课程的科学认知能力的发展[9]。该测试结果显示了各参与国学生对科学知识的掌握程度，并分析了影响学术科学学业成就的因素，对各国的科学教育成效作出评价，为各国调整教育政策提供实证依据。

2.科学素养测评框架

TIMSS2015科学素养测评主要对学生的科学知识、科学认知和科学实践三个维度进行评估，对应的测评框架主要包括内容领域、认知领域和科学实践三个部分。其中，内容领域指向测评的主题;认知领域指向测评的思维过程;科学实践是对“科学探究”领域的修订，指向学生使用所学科学技能开展科学探索[10]。

（1）内容领域。四年级的科学测评包括生命科学、自然科学和地球科学三部分，八年级的科学测评包括生物、化学、物理和地球科学四部分。由于认知的宽度和广度不同，四年级和八年级科学测评的各部分比例也有所差异：四年级中生命科学占比为45%，自然科学为35%，地球科学为20%;八年级中生命科学占比为35%，自然科学为20%，物理为25%，地球科学为25%[11]。可见，四年级测评更侧重生命科学，八年级测评更侧重生物和物理。这一设置与学生的身心发展程度密不可分：四年级学生年龄较小、好奇心强，认识、感知世界的能力逐渐发展;八年级学生的推理、抽象思维得到较好的发展。

（2）认知维度。TIMSS对四、八年级学生认知维度的考查是一致的，都涉及知道、应用、推理三个层面。“知道”指学生奠定坚实的科学基础所需的回忆、认识和描述事实、概念和程序的能力;“应用”指学生使用知识进行解释并解决问题的能力;“推理”指学生在不熟悉和复杂的环境中，利用证据和科学认识分析、综合和归纳的能力。TIMSS2015在四、八年级认知领域各层面的比例也存在差异：四年级中知道占比为40%，应用为40%，推理为20%;八年级中知道占比为35%，应用为35%，推理为30%[12]。可见，对四年级学生的考查侧重知道和应用，而对八年级学生的考查还关注推理能力的发展。

（3）科学实践。科学实践是TIMSS2015提出的新概念，也是重要的测评内容。科学实践包括学生从日常生活和学校学习获得的能够进行科学探索的各种技能。测评框架中列出了科学实践的五个具体方法——根据观察提出问题、形成证据、处理数据、回答研究问题、就证据展开辩论，并对每一种方法都进行了细化描述[13]。加入“科学实践”后，测评项目的操作、解释和评估更加完善、更有价值。

三、国际科学素养测评项目

对我国科学教育的启示

1.明确科学教育的目的，注重细化能力内涵

在知识大爆炸的信息时代，科学教育的目的应该从强调记忆知识应对考试转变为运用和评估知识作出理性决策，应该注重培养学生的批判性思维、研究性思维和科学素养。明确科学教育的目的有助于教师理解科学教学的方向，也为科学素养的测评指明了目的和方向。例如，PISA选择即将结束义务教育的15岁学生为测评对象，将能力测评作为重要指标，跳出课程和教材，更注重考查学生在真实情境中解决问题的能力;而TIMSS选择四、八年级两个平稳过渡阶段的学生为测评对象，从各国课程的共同部分切入，更侧重对内容的考查。PISA和TIMSS都有一套从粗到细的测评框架，其命题和题目解析完全可以对照自身框架实施。例如，PISA测评明确界定了科学素养的内涵，它的题目只用回答一次，却可以从情境、知识、能力和态度层面结合认知需求架构评价。这种测评方法启示，在科学教学中要注重引导学生剖析问题，从不同角度探究学习;在评价时可以搭建针对学生年龄特点的科学素养内涵框架，注重多元化评价。

目前，我国科学学业测试对学生能力的考查趋势逐渐清晰，但尚未形成成熟的框架。究其原因，主要在于科学课、科学能力测评都未纳入重要的学业评估体系，而且科学教学仍未摆脱传统的教学模式。鉴于此，我国教育研究者应该明确科学教育的目的，深入理解和分析科学素养的内涵，制定合理的科学素养培养和测评方案。在教学中应注重细化“科学能力”，根据细化的能力框架进行教学设计，从而帮助教育者在教学中做到有的放矢;在评价中，更要重视从不同维度考查学生的科学知识及能力，做到综合评估、准确解释，以更好地指导教育教学。

2.科学教育要重视学生身心发展规律和认知发展水平

在科学素养测评框架的科学内容方面，PISA、TIMSS从学生的身心发展特点和认知能力出发制定相关的测评方案。如TIMSS2015的内容领域：四年级注重生命科学，八年级注重生物和物理;认知领域：四年级侧重知道和应用，而八年级在此基础上还侧重推理能力的发展。这都与学生的身心发展程度密不可分。教育工作者要清楚地认识到科学知识学习、科学认知发展、科学能力培养都不是一蹴而就的，而是個循序渐进的过程。虽然有很多科学知识和概念是相通的，但是不同年龄学生的脑发育程度不同，认知的难度等级也存在差别。有研究者认为，科学教育应该为学生提供好的、由浅入深的“棋谱”，要依据“大概念”进行实施[14]。这都启示教育工作者，不论是在科学内容开发、科学教学方法选择，还是在培养学生科学素养的过程中，都不要对学生过早施压，更要避免“满堂灌”式教学，而要充分考虑学生的身心发展状况和认知发展水平，遵循因材施教原则，采取启发式、渐进式或探究式教学模式。

3.科学教育要重视创设真实情境

知识学习的最大价值是最终转化为一种能力，并应用于实践中。PISA一直都注重设计贴近生活实际情境的问题，通过对实际问题的解决来考查学生具备的能力。TIMSS2015科学评估框架将“科学探究”修订为“科学实践”，更加重视测评学生系统地使用已获得的技能开展科学探索的能力，并强调结合情境进行评估。目前，我国科学课堂对情境的关注大多集中在课堂引入部分，例如运用小视频引出课程内容，而后讲授知识，渐渐脱离了情境;同时，由于课堂时间有限，学生往往缺乏动手操作、真实体验的机会。在我国最新发布的小学科学课程标准中，也忽视了对情境的关注。然而，学以致用才是教育和学习的目的，因此科学教师在教学和测评中要注重学习情境的创设，提高学生运用科学知识和技能进行实践和解决问题的能力。

4.科学教育要关注认知过程与深度思考

PISA和TIMSS的测评都十分重视认知过程。PISA2015将科学能力细化为一系列认知过程，例如通过科学地解释现象，考查学生在对科学现象和技术进行认识、评估和解释时的认知过程，这一过程又细化为回忆、识别、形成预测、提供假设、进行阐释并得出结论等;科学知识层面的认识性知识是关于建构的一类知识，用于判断科学知识的产生、结构和特征等。TIMSS的科学评估框架在认知领域也有很清晰的分层，同时对每个认知能力分层都进行了细致的描述。

国际测评项目对知识的细分及认知过程的重视，启示教育工作者在科学教育中不要只重结果而忽略过程。此外，综合在科学教育目的方面的启示，我国科学教育首先应该注重在科学知识和认知能力各层级的具体分类与细致描述，并梳理和完善课程与认知性目标的具体关系，以指导教育者的教学实践。同时，教育者在科学教学与评价中应关注学生的认知过程和深度思考，并通过设计一些高水平的认知活动来实现。例如，鼓励学生带着任务进行探究学习，通过“理解、判断问题—形成假设—分析、解释基于探究得出的数据和资料—得出结论并验证”等过程，逐渐提高学生独立思考、深度思考和解决问题的能力，发展学生的研究性思维，促进学生终身发展。

参考文献

[1]姚霞.国际科学素养测评对我国科学学科测评的启示[J].考试研究，2013，9（2）：53-63.

[2]中华人民共和国教育部.义务教育小学科学课程标准[M].北京：北京师范大学出版社，2017.

[3]徐燕.学生科学素养评测框架的国际比较研究[D].南京：东南大学，2015.

[4]Sadler T D，Zeidler D L. Scientific literacy，PISA，and socioscientific discourse：Assessment for progressive aims of science education[J]. Journal of Research in Science Teaching：The Official Journal of the National Association for Research in Science Teaching，2009，46（8）：909-921.

[5][6][7]OECD. Draft PISA 2015 Science Framework[EB/OL].[2019-03-30].http：//www.oecd.org/pisa/pisaproducts/Draft%20PISA%202015%20Science%20Framework%20.pdf.

[8]劉克文，李川.PISA2015科学素养测试内容及特点[J].比较教育研究，2015，37（7）：98-106.

[9]梁润婵. Timss、Pisa、Naep科学测试框架与测试题目的比较研究[D].桂林：广西师范大学，2009.

[10][11][12]Jones L R，Wheeler G，Centurino V A S. TIMSS 2015 Science Framework[EB/OL].[2019-03-30]. https：//timssandpirls.bc.edu/timss2015/downloads/T15_FW_Chap2.pdf.

[13]胡进.TIMSS 2015科学评估框架概况、发展及启示——兼与TIMSS2007、2011科学评估框架的比较[J].外国中小学教育，2014（10）：7-12.

[14]韦钰.以大概念的理念进行科学教育[J].人民教育，2016（1）：41-45.

（责任编辑   张慧籽）