基于认知过程的科学思维诊断性测试结果与分析

张宇　崔琰　张跃

摘 要：本文对北京市某示范性高中三年级346名学生的测试数据进行了整体性和个性化的诊断分析，结果显示，教师对于学生科学思维水平的判断与学生实际情况有一定的偏差;选“物化生”的学生科学思维能力水平优于其他选科组合的学生;个性化诊断的结果可以帮助教师因材施教、开展个性化指导.

关键词：科学思维;诊断性测试;个性化指导

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）05-0010-04

作者简介：张宇（1992-），女，北京人，硕士，中学二级教师，研究方向：物理课程与教学论;

崔琰（1982-），男，天津人，博士，中学一级教师，教研员，研究方向：物理教育;

张跃（1989-），女，北京人，硕士，中学一级教师，研究方向：物理课程与教学论.

《普通高中物理课程标准（2017年版）》指出，科学思维是物理学科核心素养之一，也是学生适应社会发展和终身发展的必备品格和关键能力[1].

2019年，中共中央和国务院办公厅颁发的《关于深化教育体制机制改革的意见》中明确提出“要注重培养支撑终身发展、适应时代要求的关键能力.在培养学生基础知识和基本技能的过程中，强化学生关键能力培养[2]”.因此，培养学生的科学思维能力已经成为当前物理教学的重要目标，要想有效落实这一核心素养的发展目标，就要对学生学习情况进行精准的诊断，只有在精确诊断的基础上，抓住每个学生素养发展的关键节点，才能避免重复训练或超出学生能力所及范围的训练，真正实现因材施教，提高教学效率.北京物理教育团队提出物理学科核心素养学习诊断内容框架[3]，该框架由五个方面的核心素养要素构成：概念理解、问题解决、新知建构、科学思维、科学探究，其中科学思维是指从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互作用关系进行认识的过程中所使用的认识方式，其二级指标包括模型建构、推理论证和质疑创新，具体表现见表1.本文针对测试中科学思维这一指标的测试结果进行分析，以期为“教和学”提供可参考的依据.

1 测试工具与样本说明

本次诊断性测试题目围绕高中物理学习的内容，依据核心素养学习诊断内容框架与具体情景进行命制、编排，共10道大题，33道小题，每道小题突出考查学生使用某种物理学认识方式（科学思维或科学探究）探索客观世界的某个物理学认识领域（概念理解、问题解决或新知建构），比如通过推理论证（科学思维的二级指标D2）完成概念的关联整合（概念理解的二级指标A2），33道题目中突出考查科学思维的题目共20道.为了提升测试卷的效度，课题组遴选了相关领域的专家，包括教育研究与评价专家、各级教研员、经验丰富的一线教师等20余人背对背出题、组卷，并召开研讨会对每一道试题及评分标准进行审定、评估与完善.

测试样本来源于北京市某示范性高中三年级4个层级、10个班级，共346名学生.所有被试在同一时间进行封闭式测试，由课题组成员进行监考，并在规定时间内答卷.

测试结果如图1所示，学生整体信度（PERSON Reliability=0.84，>0.70）、试题整体信度（ITEM Reliability=0.99，>0.70）均较高.项目分离度（Tap Separation=9.08，>2）显示试题能够对不同能力水平被试加以区分.

2 基于测试结果的整体性分析

对不同层次群体或同一层次的不同班级群体的学习情况进行诊断分析，有利于教师从整体上把握学生的素养水平，有针对性地调整教学内容，设计与学生能力相匹配的学习活动.

2.1 不同层次群体的测试结果与分析

测试结果如图2所示，实线为各层级学生的得分率折线图，虚线为各层级教师期待的得分率折线图.对比四条实线，可以发现四个层级学生的测试结果呈现了较好的层级关系，符合最初分层的设定.对比虚实8条折线，整体上所有层级的教师期待都超出了学生的实际能力水平，甚至有些层级的教师期待已经超过了上一层级的学生能力水平，比如三层教师在推理论证和质疑创新两个指标上对学生的期待值均高于二层学生的能力水平，四层教师在质疑创新方面的期待值已经接近二层学生的能力水平，四个层级中似乎一层教师期待与学生实际情况整体吻合较好，如图3所示，这说明跨层级教学的教师对于学生科学思维水平的判断与学生实际情况偏差较大.究其原因，一层任课教师只有一位，面对的学生群体比较单一，因此对学生的能力把握相对准确，而二三四层任课教师均面临着跨层级教学的现状，教授的学生多且不同层级学生能力水平迥异，如果教师长期以来对不同层级学生投放的教学内容和学习任务不做区分，则可能会使低层级学生的能力得不到有效发展，从而达不到教师的预期.除此之外，近几年生源的变化也可能是教师的教学经验与学生的能力水平出现偏差的原因.

2.2 同一层次不同班级的测试结果与分析

图4和图5分别为二层2班和3班学生得分率和教师期待对比图.两个班级处在同一层级，学生的能力水平与年级的平均值相差不多.但从测试结果来看，两个班级的任课教师对于学生能力的把握情况却很不同：2班教师对学生模型建构和推理论证两方面的能力预估比较准确，但对学生质疑创新能力的预估偏高，这反映出教师在教学中对于学生模型建构和推理论证能力的培养落实到位，而对于学生质疑创新能力的培养还有待加強;而3班教师对于学生科学思维各项二级指标的预估都有偏差，在模型建构指标上的预期偏低，在推理论证和质疑创新这两项指标上的预期偏高，这可能反映出教师对于学生物理模型建构能力的培养落实到位，而在推理论证和质疑创新这两项指标上投放的学习任务或许与学生实际能力水平并不匹配.

2.3 选科差异学生的对比分析

为了解因选科不同而对学生物理学习产生的影响，我们在有望冲击清华、北大的优等生中选取了在高三期中考试的成绩均为96分的50名同学的诊断性测试数据进行分析，结果如图6所示.这些优等生中25人至少选考1个文科，另外25人选考“物化生”.对比发现，选考“物化生”的学生在科学思维的各个指标上均高于选考文科的学生，这说明“物化生”三个学科对科学思维素养的培养目标应该具有一定的相似性，学生能够在一定程度上整合内化不同理科所蕴含的相同思维方式和研究方法.查阅化学、生物课程标准（见表2），发现化学学科中的科学思维强调证据推理与模型认知，生物学科中科学思维强调运用归纳与概括、演绎和推理、模型与建模、批判性思维、创造性思维等思维方法进行推理论证，二者都与物理学科中模型建构、推理论证、质疑创新等科学思维能力异曲同工.由此可以推断，跨学科的共通概念很有可能会促使学生将所学的学科知识和研究方法进行有效的迁移，这为实施跨学科概念深层理解的教学整合提供了重要依据.

3 基于测试结果的个性化分析

本次测试，我们既要对不同层级群体的学习情况进行诊断分析，同时也要针对个体学生进行个性化的诊断，从而提升教师对学生的个性化指导的精确程度.

3.1 优等生的测试结果与分析

以北京市某中学409个测试数据为标准按比例划分能力水平等级，形成如图7所示的能力等级堆积图.可以发现，A生在模型建构、推理论证和质疑创新三个指标的得分均处于优秀等级，远高于年级的平均水平，这为后续科学思维及其他学科素养的发展奠定了良好的基础.不过，相比质疑创新，推理论证的优势略显不足，原因可能在于該生在对综合性物理问题进行分析和推理的过程中没有反思每一步的依据是什么，推理过程的“跳步”导致了思维链条的不连贯，从而不能准确地得到结论.

3.2 中等生的测试结果与分析

图8为B生科学思维二级指标的得分情况，可以看出，B生在模型建构和推理论证两个指标的得分均处于优秀等级，高于年级的平均水平，而质疑创新能力则处于良好边缘，低于年级平均水平，说明该生日常学习中可能很少尝试对同一个问题从不同角度进行思考，用不同的方法来解决，同时解决问题后，也没有反思是如何解决的、为什么要这样解决、是否还有其他的解决方法、这样的方法还可以解决什么问题等，因此很难实现知识和方法在新情境中的迁移.

3.3 边缘学生的测试结果与分析

图9为C生科学思维二级指标的得分情况，可以看出，该生在模型建构、推理论证和质疑创新三个指标的得分均处于年级的平均水平之下，特别是模型建构能力处于不及格水平，说明该生对于高中典型物理模型及其研究方法的认识并不十分清晰，面对实际问题时，也不能准确把握主要矛盾和次要矛盾.除此之外，每个素养的二级指标能力要求是逐渐递进的，模型建构能力势必会对推理论证、质疑创新的发展带来制约.因此，从低阶能力入手提升边缘学生科学思维水平可能会是学生最容易获得提升的空间.

3.4 标准化考试中，成绩相同的学生对比分析

图10是同一次期中考试中成绩均为96分的两位学生的得分率柱状图.可以看出，D同学的科学思维各二级指标得分均高于E同学，且二者在推理论证方面的差异最大.可见，在对标准化成绩相同的学生进行个性化指导时也应该体现差异性.比如D同学模型建构和推理论证都远高于年级的平均水平，后期复习应该更加注重创新能力的提升，而E同学则更应该关注推理论证能力的发展.

4 结论与展望

对北京市某示范性高中三年级346名学生的测试数据，由整体到个体逐步展开诊断分析，得到如下结论：教师对于学生科学思维水平的判断与学生实际情况有一定的偏差;选考“物化生”的学生科学思维能力水平优于其他选科组合的学生;不同学生的诊断结果有所差异，因此个性化诊断的结果可以帮助教师因材施教、开展个性化指导.基于本文的诊断结果，结合以往的教学经验以及学生的个体特点，教师后续可以设计更加具有针对性的教学内容以及个性化指导的方案.只有在精确诊断的基础上，抓住素养发展的关键节点，才能有效落实核心素养的发展目标[6].

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]新华网.中共中央国务院关于深化教育教学改革全面提高义务教育质量的意见[EB/OL].http：//www.xinhuanet.com/politics/2019-07/08/c_1124725254.html.

[3]张玉峰.为了物理学科核心素养发展的学习诊断：概念、路径与内容框架[J].中学物理，2020，38（01）：2-6.

[4]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[5]中华人民共和国教育部.普通高中生物课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[6]张玉峰.基于课前学习诊断的教学整合研究[M].北京：北京师范大学出版社，2018.

（收稿日期：2020-11-11）