核心素养下科学探究试题的设计与教学导向

黄晔　李陈

[摘 要]分析近年浙江省中考科学探究试题，依托试题情境素材的设计来源，从课本实验、科学史实、生活情境、创新实验四个方面剖析核心素养下科学探究试题的设计方式，阐明科学实验教学的导向，为落实核心素养培养目标提出一点思路和看法。

[关键词]科学探究试题;教学导向;实验教学

[中图分类号]    G633.98        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2021）02-0082-04

一、问题的提出

课堂教学是发展学生核心素养的重要途径，评价学生核心素养的发展层次是教学评测的目标，而考试是评测学生素养水平的一种重要方式，其中试题设计是确保评测效果的有效途径，课堂教学与试题设计存在着必然的联系。无论是课堂教学还是试题设计，都围绕“立意”“情境”“设问”三个维度展开，但呈现方式、组织形式有所不同。课堂教学，是将学生置身于真实问题情境（情境）中，用问题（设问）启发学生科学思维，引导学生科学探究，运用所学知识解决实际问题。在解决真实问题的过程中，学生将已有的知识迁移到新的情境中，进而做出决策并解决问题，提高自身的综合素养（立意）。试题设计中，情境和设问是显性要素，而立意是隐性要素。素养立意下的试题设计，依托真实情境，通过各类设问，指向各维度素养内容，凸显立意。

科学学科核心素养是学生通过科学学习内化的带有科学学科特质的品质，主要包括科学观念与应用、科学思维与创新、科学探究与交流、科学态度与责任四方面[1]。科学探究试题，设置真实的、富含探究价值的科学问题，着重评测学生的“科学思维与创新”和“科学探究与交流”核心素养。在各地素养评测中，探究试题已成为重要的一类题型。那么，探究试题从哪些角度来评测学生的素养水平呢？从探究试题的设计看，如何有效组织课堂教学来发展学生的科学探究素养呢？本文依托试题情境素材的设计来源，从课本实验、科学史实、生活情境、创新实验四个方面分析近年浙江省中考科学探究试题，剖析核心素养下科学探究试题的设计方式，阐明科学实验教学的导向，为落实核心素养的培养目标提出一点思路和看法。

二、科学探究试题的设计及教学导向

科学探究试题离不开具体的探究情境，情境设置来源丰富，一般可从课本实验、科学史实、生活情境、创新实验几个方面创设试题的情境。试题情境是命制优质试题的基础，只有依托好的试题情境，才能更好地考查学生的核心素养。

1.以课本实验为素材，规范实验行为

课本实验是学生熟悉的情境。教师在设计试题时，可从实验装置、器材药品搭配、探究步骤、探究原理等方面深挖课本实验，基于课本实验重新创设试题情境，并配合采用改进实验装置、转换分析等命题技巧。这样的命题，引导教师回归课本，重视课本实验，有效落实了基本技能和基础知识，重视学生科学探究素养的培养，同时兼顾了考试的公平性。

[例1]2019年中考科学金丽卷第26题（如图1）。

命题设计：试题以学生熟悉的课本实验为背景，考查学生对实验原理、实验基本操作的熟悉程度和分析处理实验数据的能力。第（1）小题，着重考查课本实验的基本操作，引导学生重视课本实验，落实实验操作的基本技能。第（2）小题，着重考查实验设计原理——“控制变量”。操作④中调节滑动变阻器，是为了在接入不同电阻时能够保证电压不变，实现控制变量，即保持电压一定，探究电流与电阻的关系。第（3）小题，运用图像法表达实验获得的数据结果。实验数据的记录用表格呈现，而面对繁杂的数据，通过图像法进行处理，实现规律的探究。第（4）小题，着重考查器材选择，满足实验的设计必须保持待测电阻的电压为2 V，滑动变阻器必须承担适当的电压，再通过电流要求，实现电源电压的计算。通过欧姆定律的计算，让学生学会正确判断选择实验器材。

教学导向：试题渗透“做中学”的理念，关注实验过程和实验细节，重视实验操作，引导科学教师重视课本实验，对科学教学起着导向作用。试题情境源自课本，试题设问导向科学探究的步骤、实验的原理、数据的处理。这就要求，教师在日常教学中充分挖掘课本实验，从科学探究步骤、实验原理、数据分析的角度踏踏实实地进行实验教学，使学生经历科学探究的过程，习得基本的实验技能，提升数据处理的能力和科学思维。

2.以科学史实为素材，再现探究过程

科学史实是科学家在进行科学研究中所采用的研究方式、思维方式和智慧结晶的客观史实[2]。 科学史实中不仅说明相关的科学知识的发现过程，还蕴含着科学探究方法、科学思维方式等科学探究的重要元素，是提升学生科学素养的重要资源，也是命题素材和试题情境的丰富来源。

[例2]2019年中考科学绍兴卷第26题（如图2）。

命题设计：科学史素材作为科学发展历程中的关键性成果，既能呈现核心概念，又能体现高水平的科学思维过程。该题三段材料的呈现，引导学生代入科学家的角色，以实证为根据，陈述猜想的理由，对事实与证据的关系进行理性思辨。第（1）小题，着重考查学生的反证能力。学生毕竟已经知道质量守恒规律，立足质量守恒規律，对科学探究过程中的猜想进行例证，考查学生对质量守恒定律的理解和迁移能力。第（2）和第（3）小题，让学生经历科学探究历程，体会科学探究是一个逐步修正、进步的过程。通过对罗蒙索诺夫的实验操作分析，得出增加的质量并非来自燃素而是来自空气的假设。就探究环节而言，从结果倒推实验假设，考查学生的逆向思维能力。第（4）小题，让学生经历科学家的探究过程，体会科学探究不是一蹴而就的，而是一个积累的发展过程，是人们认识自然的一个由表及里、由浅入深的过程。

教学导向：教师应打破教材限制，引入一些科学史实，巧妙科学地设置问题，引导学生经历科学家的探究过程，去发现规律，品评经典实验，从而发展学生的批判性思维能力。例如，光合作用教学就可以打破教材限制，引入海尔蒙特、普利斯特利、英格豪斯、梅耶、卡尔文等科学家的一系列科学史实和经典实验;而质量守恒定律教学可以罗蒙诺索夫的实验为例进行教学设计。在这一系列的经典实验或引入实验中，教师都应该设置富有思考性的问题，引导学生思考探究，培养学生解决问题的能力和科学探究能力。

3.以生活情境为素材，体现学以致用

创设生活情境，不仅仅能激发学生对科学探究的兴趣，还能引导学生发现生活中的科学，锻炼他们的知识应用能力和解决问题的能力。生活情境既是渗透科学态度、情感价值观教育的重要途径，也是发展学生“善于生活”“乐于生活”素养的重要载体。

[例3]2019年中考科学宁波卷第23题（如图3）。

命题设计：试题利用生活中吃新鲜菠萝会引起口腔麻木刺痛感这一学生司空见惯的情境进行命题。第（1）小题，着重考查科学探究实验的设计原则——控制变量。第（2）小题，着重考查学生获得证据的能力。学生必须分析表格数据，经历转化的思维，将蛋白酶相对活性与NaCl溶液的抑制作用建立关联，突出了对转换思维的考查。第（3）小题，对接课内所学“影响酶活性的相关因素”。这样的试题设计，源于教材，立足生活，着眼思维，对学生转换思维、迁移能力有较全面的考查。

教学导向：梅里尔强调要将学习置于真实的、联系生活的任务序列之中 [3]。具体的教学任务应置于真实、循序渐进的任务序列中，在实际问题情境中解决完成。教师在教学中，可以引入生活素材，将学生置身于真实的生活情境中，并通过一系列的问题设置，将生活情境转换为适合探究的实验情境，进而引导学生进行科学探究。这样的教学，融合科学知识、探究技能、社会环境等多方面的因素，可有效培养学生的迁移能力和解决问题能力。

4.以创新实验为情境，提升迁移能力

创新实验往往源于拓展性实验、家庭实验、科技活动等。创新实验，富含创新与探究价值，以创新实验为情境创编科学探究试题，将科学知识和实验设计置于试题设计中，可充分考查学生的创新能力、思维能力和迁移能力。

[例4]2019年中考科学杭州卷第29题（如图4）。

命题设计：试题以一个创新实验装置为载体，注重对实验原理、基本实验操作、实验证据的获取、产物处理等方面的考查。第（1）小题，着重考查实验原理的掌握程度和证据分析能力，通过题干的描述，分析出NaCuO2跟H2反应的产物。第（2）小题，着重考查实验操作。但是该实验的操作步骤，必须建立在学生理解实验原理和实验装置的基础上。让学生必须将科学知识置于具体情境中去解决问题，实现了思维训练。学生通过分析各个装置的搭配，了解产物的化学性质以及实验的操作步骤，解决了问题。本题表面是考查实验操作，实则考查实验分析设计能力。第（3）小题，着重考查获取事实与证据的能力。在科学试题中考查“获取事实与证据”的能力，我们不可能通过实验观察现象，只能通过逻辑分析，题干要求判断氢气发生化学变化，利用逆向思维判断：如果氢气发生反应将会生成什么，生成的产物是什么，有什么性质，自然能解决问题。我们发现，试题中考查“获取事实与证据”的能力，与科学探究中“获取事实与证据”的能力并不同，前者往往通过逻辑分析、原理分析、现象分析得出结论，而后者往往通过观察实验现象获得结论，提升能力。第（4）小题，考查迁移能力。題设为判断洗涤干净的操作方法，实则通过产物判断化学反应是否反应完全，如果反应完全，在洗涤时将会出现什么现象，进而判断出洗涤干净的方法。题目对于科学知识的综合运用考查要求非常高，注重高阶思维的考查。

教学导向：创新实验着重考查学生在新情境中应用知识解决问题时的迁移能力和分析能力;考查学生的思维能力和思维品质，包含思维的严密性、灵活性、发散性、深刻性等。在教学中，教师应允许学生自主探究，自主设计实验，在学生多样的实验设计训练过程中，发展学生的思维能力和实验设计能力。例如，学完盐酸的性质后，可设计以下几个思考问题，引发学生思考，提高学生的思维品质。思考1：盐酸与氢氧化钠反应了吗？如何设计实验予以证明？思考2：取一枚生锈的铁钉（铁锈的主要成分是Fe2O3 ），观察它的颜色。小心地让生锈的铁钉沿着试管壁滑到试管底部，向试管中滴加足量的稀盐酸，反应足够长的时间，预测可能出现的现象并解释。思考3：打开装有浓盐酸的瓶子后，瓶口会有“白雾”出现。已知盐酸中含有H2O、H+、Cl-，请用已学过的知识设计两个实验证明“白雾”中含有H+。在不断的思维碰撞和评价交流中，学生置身于新的实验环境中进行思维训练，发展了思维能力，提高了思维品质。

三、核心素养下科学探究试题设计引发的思考

通过上述分析可知，科学探究试题情境设计追求真实、贴近生活，问题设置导向核心素养，注重考查学生的迁移能力、思维能力、探究能力、实验设计能力。在教学中，教师应注重实验探究情境的创设，提升学生的迁移能力;切实让学生动脑进行实验方案设计，真正让学生经历探究的过程，发展学生的实验设计能力和基本实验技能;通过开放的评价与交流，发展学生的批判性思维，提高学生的思维品质。在开展基于核心素养的科学教学时应做好以下几点。

1.挖掘探究素材，创设探究情境

初中科学探究试题的情境常来源于课本实验、科学史实、生活情境、创新实验。在日常教学中，教师应挖掘课本实验和科学史实，创设生活情境，精研创新实验。各式各样的情境都可以作为教学素材，让学生熟悉不同的实验素材，提高他们的迁移能力和解决问题的能力，发展他们的转化与分析能力。

2.夯实实验教学，培养探究技能

学生实验设计能力和基本的实验技能，必定习得于日常实验的教学。科学探究试题对这方面提出了较高的要求，考查方式多样化。这就要求教师在日常实验教学中有效安排实验设计活动和仪器选择训练活动，积极引导学生动手动脑参与实验。只有夯实了实验教学，才能有效落实学生探究技能的培养。

3.引发多元评价，提升思维品质

课堂中教师应多给学生机会进行展示与评价，让学生在展示与评价的过程中进行分析、思考。这样，对学生应对以科学史实、创新实验为情境的探究性试题非常有帮助。评价过程中，学生将科学知识置于具体情境中去解决问题，实现了对思维的训练。

4.设置问题导引，发展高阶思维

组织实验教学时，应充分发挥学生的主体性以及教师的主导作用。实验教学中，设置一系列有效的、有梯度的问题，引发学生深入思考;设置一些开放的探究环节，让学生自主探究，发展学生的高阶思维，提升学生的探究能力。

总之，探究试题要求学生能多角度地看待探究问题，辩证地分析问题，用科学的思维方式解决问题，这也是落实核心素养的基本要求。在初中科学教学中，只要我们为学生创设真实的探究情境，设计探究性问题引发学生思考，踏踏实实地进行实验设计与探究，开放多元地进行评价与交流，必定能引导学生不断探究，在解决问题的过程中提高学生的科学学科核心素养。

[参考文献]

[1]  胡卫平.基于核心素养的科学学业质量测评[J].中国考试，2016（8）：23-25.

[2]  王耀村.科学命题技术研究[M].杭州：浙江教育出版社，2016.

[3]  戴维·梅里尔.首要教学原理[M].福州：福建教育出版社，2016.

（责任编辑 黄春香）