皮亚杰认知发展理论指导下的物理可测试核心素养水平及研究

耿建

心理学界，不同学者对学习有不同的定义，如“学习是个体后天与环境接触，获得经验而产生的行为变化的过程。”[1]“学习是个体在一定情景下反复地经验而产生的行为或行为潜能比较持久地变化。”[2]这些定义是从心理学角度对学习过程的描述，反映了学习的心理历程的共性。这些定义有三个共同特点。首先，学习离不开具体的情景或环境。其次，学习是经验积累的过程。第三，学习结果对行为产生了影响。有意义的学习是学生经历一定的情景，对其心理及行为产生积极影响的过程。联合国教科文组织1996年在“学会生存”“终生学习”等观念的基础上，在《教育：财富蕴藏其中》报告中提出了“21 世纪社会公民必备的基本素质”的思想，把“学会求知、学会做事、学会共处及学会生存”作为人们在未来生存与发展的四大支柱[3]。在此基础上，“经济合作与发展组织（OECD）、欧盟、联合国教科文组织、国际文凭组织、世界银行、美国、芬兰、英国、德国、澳大利亚、新西兰及台湾地区等世界各国（地区）与国际组织相继在教育领域建立了学生核心素养结构及模型。”[4]核心素养这一概念的提出始于20 世纪90 年代，特别是经合组织1997-2005 年所开展的“素养的界定与遴选”（Definition and Selection of Competencies， 简 称DeSeDo）研究项目，将该词用于描述“所有社会成员都应具备的共同素养中的那些最关键、必要且居于核心地位的素养。”[5]培养学生哪些方面的核心素养及如何培养因此成为学校教育的核心问题。现在，我国的学生发展核心素养模型已经出台，各学科也相应地提出了学科核心素养。学科核心素养的落实过程中不可回避的问题是如何对其进行测量和评价。

一、物理学科核心素养测量与评价所面临的困难

学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力。价值观、品格、能力等属于心理学范畴。2017 版《普通高中物理课程标准》中明确提出，“高中物理学业质量根据问题情境的复杂程度、知识和技能的结构化程度、思维方式或价值观念的综合程度等划分不同水平。不同水平之间具有由低到高逐渐递进的关系。”[6]“高中物理学业质量分为五级水平，既是指导学生自主学习和评价、教师开展日常教学设计、命题和评价的重要依据，也是高中学业水平考试命题的重要依据。”[7]相应地，物理观念、科学思维、科学探究及科学态度与责任四个维度的核心素养，也分为五个水平。学业质量的水平和核心素养的水平相对应，即通过对不同水平核心素养的考查来反映学生学业质量的水平。

《课程标准》中对学业质量水平和核心素养水平进行了划分和说明，但这种划分和说明局限在一些行为动词描述的层面，例如水平1 的描述为“初步了解……，能将……联系起来”；水平2 的描述为“了解……，能解释简单的……，解决简单的……”；水平3的描述为“了解……，能解释……，解决……”；水平4 的描述为“理解……，能正确解释……，综合应用……”；水平5 的描述为“能清晰、系统地理解……，能正确解释……，能综合……灵活解决……。”很显然，依据这样的描述方式来划定测量各核心素养的试题水平，是有一定困难的。

这种困难体现在三个方面。首先，核心素养的这种水平划分，就意味着要实现对所有的核心素养按这样的水平划分来测量。目前，教学评价的主要方式仍然是纸笔测试，通过学生对具体试题的作答情况来给出相应的评价。 在四个维度的核心素养中，科学态度与责任是一种主观倾向，主要体现在学生对人、事等的价值判断上，很难在纸笔测试中加以体现。其次，要对核心素养水平进行界定，仅仅局限在物理问题本身和复杂程度角度，难以给出清晰的说明。何况《课程标准》中不同水平的描述界限不是很清楚。如“初步了解”和“了解”，“理解”和“清晰、 系统地理解”，“联系”、“解释”、“综合应用”和“灵活解决”等说法之间的区别，只是“程度”的差异，很难加以精确界定。因此，各核心素养的水平仅仅从行为动词描述的差异来划分缺乏客观依据，需要借助于第三方来进一步加以说明。第三，既然《课程标准》给出了学业质量和核心素养水平层级，教师在教学中应根据学生发展的需要实施相应水平的教学。如合格性考试，对应的是水平1、2 的层次，等级性考试，则需要达到水平3、4 的层次。不同水平目标的教学依据仅仅依靠《课程标准》的描述，不具有操作性。而且，不同的教师面对的学生群体及个体存在差异，即使同一个教学内容，在生源基础较好的学校，学生比较容易掌握，对于这些学生能“灵活应用”。在另一个生源基础比较薄弱的学校，学生可能难以“理解”。 因此，用学生学习各核心素养的行为动词来划分素养水平，是不客观的，也是不平等的。需要依据学生认知的一般规律和考查核心素养的试题本身的特点进行水平划分，从而体现对素养水平评价的客观性、公平性。

二、皮亚杰认知发展理论对物理学科水平层级划分的启示

心理学是研究心理现象的一门科学，主要研究个体心理，包括认知、情绪和动机、能力和人格等，也研究团体和社会心理。“认知指人们获得知识和应用知识的过程，或信息加工的过程，这是人最基本的心理过程。它包括感觉、知觉、记忆、想象、思维和语言等。”[8]学习是心理学研究的领域之一，心理学对人的认识学习过程进行了科学的剖析和说明。《课程标准》中关于学业质量水平和核心素养水平的描述用语中，“了解”、“理解”、“联系”、“解释”、“综合应用”和“灵活解决”等属于认知过程的具体体现。认知的对象是核心素养，因此，可以借助于心理学的研究方法来界定核心素养的水平。

奥苏伯尔根据学习方式，将学习分为接受学习和发现学习；根据学习材料和学习者原有知识结构的关系，将学习分为意义学习和机械学习。“加涅在1965 年的《学习的条件》一书中按照学习的水平把学习分为8 种类型：信号学习、刺激-反应学习、系列学习、言语联想学习、多种辨别学习、概念学习、原理学习、问题解决的学习等。在1977 年修订的《学习的条件》一书时，加涅指出这八类学习的划分对学生学习不合适，并在其八类学习基础上，按照学习的结果重新进行了分类，把学习具体划分为五类，即智慧技能的学习、言语信息的学习、认知策略的学习、动作技能的学习和态度学习。”[9]皮亚杰从认识发生和发展的角度对儿童心理进行了系统和深入的研究，他提出学习过程中的四个核心概念：格局（Schema）或图式、同化、顺应和平衡。儿童每遇到新的认知冲突，在认识过程中，总是试图用原有的“格局（或图式）”去“同化”，如果成功，就得到暂时的认识上的“平衡”。反之，儿童就做出“顺应”，调整原有“格局”，直至达到认识上新的“平衡”。学习是儿童的认知“格局（或图式）”从低级向高级发展的过程。根据儿童思维发展的阶段性标志，学习过程分为四个阶段：感知运动阶段、前运演阶段、具体运演阶段和形式运演阶段。

奥苏泊尔学习理论体现了学生学习的类型，根据学生学习的特点对“如何教”具有启发性。但这种学习类型的简单划分，有二元对立的特点，缺乏对认知过程细节环节的表述，没有层次性。“加涅根据学习结果划分的五种学习类型，并给出了有效学习的条件，包括内部条件和外部条件”[10]，“有助于教师的教学设计，如教学目标的设立及表述”[11]，“对于每一门课程或每一节课都可以建立一个详细的目标系列表，使教学过程得以精确化”[12]。结合新课程对核心素养的考查评价，特别是对学科核心素养水平的评价，奥苏泊尔和加涅的学习理论没有涉及学生学习的水平层次性。皮亚杰的认知发展理论以儿童作为研究对象，通过实验的手段总结归纳出来儿童认知发展的四个发展阶段。这四个阶段体现了思维的由简单到复杂，由外在表象到内在规律的认知过程。学生在学习的过程中，认知能力的发展也体现了从简单到复杂、从外在表象到内在规律的特点，从而可以以皮亚杰认知发展理论为指导，对学生学科核心素养掌握的水平进行评价。另外，“皮亚杰是认知领域中最主要的大师，而且他研究的是人类发展中非情感、非动机的方面”[13]。《课程标准》中的学科核心素养水平，主要是物理观念、科学思维和科学探究这三个可通过纸笔测试进行评价的核心素养，可以借鉴皮亚杰的认知发展理论的研究方法和内容，结合学生学科学习过程中认知发展的特点，对这三个维度的核心素养以一定的方式进行水平层级的界定。

“皮亚杰理论的基本点在于： 人是通过逻辑演算来建构关于世界的知识的。皮亚杰认为，思维，可以被描述为一个逻辑运算的系统化的集合，用以在这个世界本身与我们对于这个世界的认识之间进行调节。由于这个世界不能被直接认识而是只有通过这些逻辑运算的调节来完成，我们的知识就变成了一个建构过程，一个需要被这个世界将要发生的行为不断检验的建构过程。”[14]皮亚杰认知发展理论中思维发展的第一阶段是感知运动阶段。这一阶段皮亚杰认为是儿童从出生到两岁左右具备的认知水平，能开始协调感知和运作间的活动。第二阶段是前运演阶段。这一阶段皮亚杰皮亚杰认为是儿童从两岁左右到六、七岁左右具备的认知水平，开始以符合为中介来描述外部世界。第三阶段是具体运演阶段。这一阶段皮亚杰认为是儿童从约六、七岁到十一、十二岁左右具备的认知水平，能在同具体事物相联系的情况下，进行逻辑运演。第四阶段是形式运演阶段。这一阶段皮亚杰认为是儿童从十一、十二岁左右到十四、十五岁左右具备的认知水平，思维的特点是 “有能力处理假设而不只是单纯地处理客体”，“认识超越于现实本身”而“无需具体事物作为中介了”[15]。皮亚杰认知发展理论的四个阶段及其要点如表1 所示。

表1 皮亚杰认知发展理论的四个阶段及其要点

皮亚杰立足于对儿童思维整体的认知而给出了其发展的阶段性特征。学科各核心素养的水平划分，也可以参照皮亚杰的研究方法和各个阶段的特点，给出相应水平的质性描述。当然，学科核心素养的水平和皮亚杰儿童认知发展阶段不可能完全对应，而且学生的各核心素养发展也不是齐头并进的，同一水平的核心素养存在先天性的差异，不在同一认知层次上。例如：学生观察到汽车行驶、树叶飘落、小鸟飞行、行星运动等，能比较直接地建立机械运动的物理观念；在研究各种不同物体运动的规律时，需要抽象出运动的主体，忽略次要因素，如建立质点的模型、匀速运动模型、匀变速运动模型、圆周运动模型等，这属于科学思维。以上两个方面的素养都是水平1 的层次，显然，建立各种模型的科学思维要求要高于形成机械运动的物理观念。

核心素养是学生发展的必备品格和关键能力。“品格”和“能力”的说法具有泛化性，需要进一步清晰各素养的指向。即在“面对什么物体或事件”时表现出“怎样的品格和能力”。其次，因为《课程标准》中各核心素养水平层级描述的模糊性，界限不清，所以可以结合各素养的指向，进一步明确各素养水平的特点。如表2 所示，借鉴皮亚杰认知发展理论中认知的阶段性特点，对物理学科各核心素养的指向及水平层级进行如下描述。

表2 物理学科各核心素养指向及水平层级特点

考虑到科学态度与责任这一核心素养目前无法体现在直接的纸笔测试中，所以表二只对其他三个核心素养的5 个水平进行了表征。

三、对物理核心素养水平的测量及评价的思考

学业质量评价是一个测量的过程。桑代克有一段非常有名的论述，“如果有物质存在，就会以量的形式存在；如果有量的存在，就可以测量。 ”[16]物理观念、科学思维、科学探究及科学态度与责任是物理学科的核心素养，将这四个维度的核心素养和整个人相类比，物理观念相当于人的骨架，科学思维相当于人的血与肉， 科学探究相当于人的神经系统，科学态度与责任相当于人的精神和灵魂。学生的成长是这四个方面逐渐成熟、丰满的过程。前三项素养和人体的结构一样，具有量的存在的特征，可以进行是非判断，具有可测性。 科学态度与责任倾向于价值判断，在当下学业质量的测量评价中，缺乏可行的评价方法和手段。 参照表2，下面举例说明具体的试题如何体现对学生不同核心素养水平的测量及评价。

例1：自然界中存在许多物理现象，下列现象中属于静电学范畴的是

A.用丝绸摩擦过的玻璃棒能吸引轻小物体

B.月球绕地球做圆周运动

C.宇宙射线进入地球的南北极发生的极光现象

D.显微镜下悬浮在水中的小颗粒不停地做无规则运动

该题是对物理观念水平1 的测量。四个选择项对应的是四个物理现象， 旨在考查学生对物理现象的感知识别能力， 能否将这四个物理现象进行准确地归类。A 选项是摩擦起电；B 选项是万有引力作用下的圆周运动；C 选项的极光是由于带电粒子流进入地球磁场区域， 地磁场使高层大气分子或原子激发（或电离）而产生的物理现象；D 选项是布朗运动。

例2：真空中两个等量异种点电荷（电荷量均为q）连线的中点处电场强度为E，则两个点电荷之间的库仑力大小是

该题是对科学思维水平2 的测量。题中给定的物理情景是单一的，只是两个定量异种点电荷的模型。要求学生能在该情景中准确找出两电荷连线中点处的电场强度E 与电荷带电量q 及距离之间的定量关系，同时结合点电荷间作用力的模型，求出两者之间的库仑力大小。

例3：如图所示，虚线a、b、c 是静电场中的三个等势面，相邻等势面间的电势差相等，即Uab＝Ubc。实线为一个带负电的质点仅在电场力作用下的运动轨迹，P、Q 是轨迹上的两点。下列说法中正确的是

A.三个等势面中，等势面a 的电势最低

B.质点通过Q 点时的电势能比通过P 点时小

C.质点通过Q 点时的加速度比通过P 点时大

D.质点通过Q 点时的加速度的方向一定与等势面a 垂直

该题是对核心素养水平3 的测量。该题涉及到运动与力的物理观念，曲线运动的物体所受合力指向曲线的内侧。涉及到功与能的物理观念，电场力做功与电势能变化之间的关系。涉及到描述电场模型的科学思维，等差等势面密集的地方电场强度大，等势面与电场线垂直，沿着电场线的方向电势降低。要求学生能结合题中的情景，分析得到负电荷的受力特征、加速度变化、电场力方向、电场力做功及电场中各点电势高低等情况。

例4：“探究影响平行板电容器电容大小因素”的实验装置如图所示，忽略漏电产生的影响，下列判断正确的是

A.平板正对面积减小时，静电计指针偏角减小

B.静电计可以用电压表替代

C.静电计所带电量与平行板电容器电量不相等

D.静电计测量的是平行板电容器所带电量

该题是对核心素养水平4 的测量。该题涉及到守恒的物理观念，电容器和静电计所带的电荷总量不变。涉及到静电计和电容器模型的科学思维，静电计本质上是一个电容器，而且电容很小。图中的连接方式相当于两个电容器并联，电荷几乎都集中在平行板电容器上。平行板电容器的电压和静电计内外电压始终相等。静电计的张角反映了金属箔和金属外壳之间，即电容器两极板之间的电压大小。也涉及到电压表结构的科学思维，当有电流通过电压表内部的线圈时，在电压表内部磁场的作用下线圈才会发生偏转。如果用电压表替代静电计，不可能有持续的电流，电压表不会有示数。涉及到忽略微小量的问题探究方法，因为图中平行板电容器和静电计的电荷几乎集中在平行板电容器上，当改变平行板电容器极板的正对面积时，理论上两者所带的电荷要重新分布，但因为电荷几乎都集中在平行板电容器上，可以近似认为平行板电容器的带电量不变。该实验装置，从静电计的张角变化情况，判断平行板电容器的电压变化情况，分析得到平行板电容器电容的影响因素。

例5： 电荷量为Q1和Q2的两点电荷分别固定在x 轴上的O、C 两点，规定无穷远处电势为零，x 轴上各点电势φ 随x的变化关系如图所示。则

A.Q1的电荷量小于Q2的电荷量

B.G 点处电场强度的方向沿x 轴负方向

C.将一带负电的试探电荷自G 点静止释放，仅在电场力作用下一定能到达D 点

D.将一带负电的试探电荷从D 点沿x 轴正方向移到J 点，电场力先做正功后做负功

该题是对核心素养水平5 的测量。该题涉及图象背后物理模型的科学思维，根据O、C 两点间图线特征，从O 点到C 点电势降低，可知O、C 两点处的电荷Q1和Q2分别为正电荷和负电荷。涉及到图线特征分析、推理的科学思维，根据φ-x 图线的斜率表示该点的电场强度可知，H 点的电场强度为零。该点的电场强度是由O、C 两点处的电荷Q1和Q2分别引起的电场强度的叠加，因此Q1的电荷量大于Q2的电荷量，则G 点处电场强度的方向沿x 轴负方向。该题涉及到力与运动、功和能的物理观念。带负电的试探电荷放在G 点，受到电场力的方向向左，由静止释放，仅在电场力作用下一定能到达D 点。带负电的试探电荷从D 点沿x 轴正方向移到J 点，受到的电场力方向先向左、后向右，则电场力先做负功后做正功。

结合《课程标准》中关于各核心素养水平的描述，参照皮亚杰认知发展理论，考查核心素养各水平的试题具有如下特点。水平1 试题的特点是不涉及具体的概念、规律的定量关系，只要能在认知层面加以识别。水平2 试题的特点是情景单一，只涉及物理概念、规律单一的定量关系。对核心素养水平1、水平2 进行测试的试题，往往是对某个单一维度的核心素养进行考查，试题情景单一，问题没有结构性。水平3 以上的试题一般涉及到概念、规律之间的多组关系，要求学生能在不同的物理概念、规律、模型之间建立有意义的联系。试题往往不是对单一的核心素养进行考查。试题情景相对复杂，问题有一定的结构性。不同点在于，水平3 的试题涉及到的概念、规律、模型等是显性的，如例3 中的“等势面、曲线运动、受力等”是直观的，只需要正确建立这些概念、规律之间的关系。水平4 的试题涉及到的概念、规律、模型等是隐性的，需要通过分析判断进行一次性的转化、迁移，如例4 中的实验装置，需要转化为两个电容器并联的模型，然后进行分析判断。水平5 的试题则需要进行两次或两次以上的转化、迁移，如例5中根据φ-x 图象特征，第一次转化得到O、C 两点处分别为正电荷和负电荷的物理模型，第二次转化得到Q1的电荷量大于Q2的电荷量的定量关系。按照这样的方法对考查各核心素养的试题进行水平划分，具有一定的可比性和可操作性，相对于《课程标准》中的水平描述更具可行性。

借助于皮亚杰认知发展理论，可以初步对各核心素养水平进行划分。而教学中如何进一步引导学生的核心素养由低水平向高水平发展，还需要结合学生学习心理发展的特征做进一步思考和研究。