基于认知过程的科学探究诊断性测试框架

孔祥艳 公衍录 张玉峰

摘 要：精准的学习诊断是促进教师教学改进和学生科学探究能力发展的重要前提.从科学探究的特征、高中物理课程标准对科学探究要素的描述以及学业质量标准的要求出发，解构科学探究的二级评价指标，构建科学探究诊断性测试的内容框架，举例说明科学探究诊断性测试工具的开发.

关键词：科学探究;诊断;框架;认知过程

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）09-0017-05

基金项目：北京市教育科学“十三五”规划2018年度一般课题“基于课前学习诊断的教学整合模式研究”（项目编号：CDDB8155）.

作者简介：孔祥艳（1978-），女，江苏徐州人，硕士，中学高级教师，研究方向：物理教学;

公衍录（1963-），男，山东临沂人，本科，中学高级教师，物理特级教师，研究方向：物理教学;

张玉峰（1973-），男，山东泰安人，博士，中学高级教师，研究方向：物理课程与教学论.

纵观世界各国的课程改革，科学探究是当代科学课程的核心内容之一.我国各类科学课程颁布的课程标准都把科学探究视为科学教育的重点内容和课程目标，提出了科学探究的基本要素和程序.《普通高中物理课程标准（2017年版）》（下面简称“2017年版物理课标”）指出，物理课程的根本任务是立德树人，提升学生的物理学科的核心素养.“科学探究”是物理学科核心素养之一.物理教学的一个重要方面就是要引导学生经历科学探究的过程，培养学生的科学探究能力.利用精准的诊断性评价，能有效促进教师的教学和学生学习的改进，真正做到因材施教，发展学生的学科核心素养.因此，对科学探究能力进行科学、准确的测量和评价，是当前科学教育需要解决的一个重要问题.

借鉴诸多学者的经典理论，国际上许多国家都已建立了较为成熟的科学探究能力评价体系，例如国际测试项目TIMSS、PISA、英国的APU、美国的PADI等.在我国多年的新课程改革中，关于科学探究的主要特征和基本要素的认识已经达成共识，但是与之相适应的评价体系却一直没有跟进，这导致实际教学中教师缺乏有效诊断和评价学生科学探究素养的测试工具，制约了学生科学探究核心素养的发展.张玉峰老师带领的物理教研团队构建了物理核心素养学习诊断内容的（3+2）×3框架，“科学探究”为物理学科核心素养诊断测试的五个一级指标之一.本文从科学探究的特征、高中物理课程标准中对科学探究要素的描述，以及学业质量标准的要求等出发，解构科学探究的二级评价指标，构建科学探究诊断性测试的内容框架，并举例说明科学探究诊断工具的研发.

1 科学探究的内涵和要素

2003年出版的《普通高中物理课程标准（实验）》（下面简称“2003年版物理课标”）把“科学探究”作为课程目标提出，指出学生要经历科学探究的过程，了解科学探究的意义，尝试用科学探究的方法研究物理问题和验证物理规律.2003年版物理课标提出科学探究包含的七个要素为：提出问题、猜想与假设、制定计划与设计实验、进行实验与收集证据、分析与论证、评估、交流与合作，并描述了科学探究和物理实验能力的基本要求[1].近年来我国关于科学探究的研究大多数集中在如何更好地培养学生某一学科的探究能力，并且大都采用七要素分析法.

为了便于测量和评价学生科学探究能力的发展水平和规律，2004年北京师范大学李春密教授等构建了科学探究能力的结构模型，提出科学探究能力的主要指标.该模型由科学探究内容、科学探究的过程、科学探究能力的品质三个维度构成，其中科学探究的过程由六个因子组成：提出问题、猜想与假设、制定计划和设计实验、进行实验和收集证据、分析与论证、评估交流与合作[2].该研究把2003年版物理课标中的科学探究七要素中的“评估、交流与合作”两个要素合并为“评估交流合作”因子.

2017年版物理课标把“科学探究”作为物理学科核心素养之一提出，科学探究既是学习内容，也是学生的学习方式之一.课标中给出的“科学探究”的界定为：“科学探究”指能够基于观察和实验提出物理问题，进行猜想和假设，设计实验和制定计划，收集和处理信息，根据证据得出结论并作出解释，对科学探究的过程和结果进行交流、评估、反思的能力[3].2017年版物理课标将原2003年版物理课标中科学探究七要素归纳为四个要素：问题、证据、解释、交流等，对应关系见表1.

与2003年版物理课标相比，2017年版物理课标的一个重大变化是明确提出了高中物理学业质量的标准和学业质量水平描述.依据问题情境的复杂性、知识技能的结构化程度和思维方式（或价值观念）的综合程度，高中物理学业质量由低到高分为逐渐递进的五级水平，课标中分层级、分内容描述了物理学科核心素养的四个方面在不同复杂程度的情境中应用物理观念、思维和方法等解决物理问题的关键特征.

高中物理学业质量的五级水平是进行学习诊断的重要依据.设计诊断框架时，应结合诊断的目的、内容和学业质量不同水平的描述，提炼科学探究学习诊断测试的二级指标.2017年版物理课标基于物理学科核心素养设置的课程目标和学业质量标准是构建科学探究诊断性测试框架的重要依据.

科学探究是人们探索客观世界的认识方式.物理学的认识方式指的是从物理学的视角认识客观事物的本质属性、内在规律和相互关系的过程中使用的思维方法或信息处理对策.基于物理学科内容特征和认知过程特点，从指标可测量、教学实践可操作的角度，将科学探究定义为：学生基于观察和实验应用已获得的知识解决问题，从物理學视角认识事物的过程中所使用的认识方式[4].

2 科学探究诊断性测试框架

在实际教学中，强调探究过程要素和表面探究活动的教学较多，不能明确和清楚地体现探究的过程与方法，也不够重视学生的思维过程.造成这些问题的主要原因是缺乏对科学探究指标的具体界定.为了实现精准的命题测试和诊断，需要对科学探究要素进行细致的划分和准确的描述，提高其可操作性，才能避免测试题目考查的随意性，提高评价的信度.

2.1 科学探究诊断指标的解构和描述

科学探究是一种复杂的认知活动，对科学探究进行诊断需要先把科学探究解构成各种要素以便测量，解构的科学探究要素应该能够反映科学探究的整个过程，能够用来指导科学探究能力的测量和培养.

科学探究具有内隐性特征，因此学生所具有的科学探究能力，需要借助他们在具体探究任务中的表现加以推断.科学探究活动是体现和发展学生科学探究能力的载体，通过对具有外显特征的科学探究活动进行观察和测量能够判断学生科学探究能力所处的水平.基于此，通过解构科学探究活动的认识过程，可以形成指向更加明确的、具体的科学探究指标体系.

2017年版物理课标仅有对科学探究一级构成要素的简单界定，即问题、证据、解释、交流四个要素，而没有对这些要素相应的二级指标进行系统的解构和描述，这使得课程标准对科学探究的指导作用有限.

本研究通过对科学探究的过程要素、2017年版高中物理课程标准中学业质量水平和必修、选择性必修六个模块的学业要求中关于科学探究学业要求的描述提取认知过程中的关键点，将课标中的四个要素“问题、证据、解释、交流”解构为“问题与猜想、设计与操作、解释与评估、交流与反思”四个指向更明确、更具有操作性的二级指标，并对二级指标中可能设计的元素进行细化说明，见表2.

科学探究的二级指标和学业质量水平是构建科学探究诊断框架的两个维度，将科学探究的4个二级指标和学业质量的5个水平相结合，可以得出科学探究在不同学业质量水平下二级指标的描述，从而构建不同水平的科学探究诊断性测试框架（如图1）.学习中学生的科学探究能力水平逐步提高，因此实际研究中要根据学生的实际情况、诊断或评价目的，按照物理学科学业质量水平的要求，清晰地描述二级指标，使之能相对准确地评判学生的科学探究能力所处的水平.

2.2 物理学科核心素养学习诊断内容（3+2）×3框架下的科学探究诊断性测试框架

物理学科核心素养学习诊断的测试面向完成高中物理全部必修和选择性必修的高三学生，测试框架[4]中对二级指标的描述指向学业质量水平4的要求，基于此构建的科学探究诊断性测试框架见表3.本次测试的方式是纸笔测试，由于“交流与反思”指标不容易通过纸笔测量，因此诊断框架中没有涉及“交流与反思”指标.

3 基于科学探究诊断框架的测评工具开发说明与案例分析

3.1 试题命制说明

本研究采用诊断性测试卷的方式进行学习诊断.在这种诊断方式中，学生无法亲自动手操作，是在非实验的情况下用纸笔回答问题，因此试题的命制与选择是否有效很关键.

科学探究活动不能离开科学知识和学习情境而单独存在，科学探究能力的测量和评价应考查学生运用所学的知识和科学探究技能在具体的问题情境中解决问题的能力，因此在命制试题时要兼顾问题情境、知识与技能、思维方式这三个角度.命制试题时要明确学生在什么样的问题情境中，运用哪些物理知识和技能、思想和方法，其行为应达到什么样的水平.

3.1.1 问题情境

科学探究诊断测试需要让学生在具体情境中应用知识和技能解决问题，而并非是识别知识和技能，因此情境的设计不能搬用教材中的探究实验，这样的试题只需要记忆即可作答.问题情境可以与已有的模型有一定的相似程度，但在复杂程度、思维的深度上应有所区分;或取材于现实生活中真实、新颖的物理现象或事实.情境的设计可以考查科学探究的某一指标，也可以考查一系列的探究指标.

3.1.2 知识与技能

科学探究诊断依赖具体的知识和技能，试题的命制不要在知识上为难学生，要关注到学生对具体知识内容的掌握程度，要创设有利于学生的知识和探究技能迁移的真实问题情境，以提高诊断结果的可靠性和真实性.

3.1.3 思维方式

科学探究的过程是学生科学思维发展的过程，科学探究的诊断结果与学生的认知水平相关，因此试题考查的思维方式、综合程度应与诊断框架要求的学业质量水平相适应.

标准化比较高的纸笔测试，试题命题的内容、范围和难度均应严格依据诊断框架执行.此外，诊断试题的命制也要注重规范性、科学性、简洁性等原则，也可以通过增强试题的主观性和开放性来达到考查学生科学探究能力的目的.

3.2 诊断试题举例说明

下面以北京教育科学研究院物理教研团队命制的高中学生核心素养测试中考查“科学探究”这个一级指标下的问题与猜想、设计与操作、解释与评估3个二级指标的题目为例，说明如何命制科学探究的诊断试题.

题目 学习过单摆的周期公式后，小明和小亮偶然发现悬挂的匀质细棒小角度振动同样具有等时性.于是他们就近取材，选用米尺进行探究实验，如图2所示，使其在竖直平面内绕O点做小角度摆动，C点为米尺的重心，米尺长为L，周期用T表示.

（1）长为L的米尺可以看作是由许多质点组成，其振动周期摆长为L的单摆周期（选填“大于”“小于”或“等于”），并说明理由.

（2）小亮猜测米尺振动的周期与其质量无关，请设计实验方案检验小亮的猜想是否正确.

（3）小明猜想长为L的米尺的振动周期可能与摆长为L/2的单摆的周期相等.他进一步进行了实验探索：用T0表示摆长为L/2的单摆的周期，用T表示长为L的米尺摆动的实际周期测量值.小明利用描点作图法对实验数据进行处理，在坐标纸上做出了T与T0的关系图像（如图3所示）.请根据图3中的信息，判斷小明的猜想是否正确.若他的猜想正确，请说明理由;若他的猜想不正确，请计算长为L的米尺的等效摆长L等.

分析：本题创设了米尺振动的真实物理情境，这个情境与学生熟悉的单摆模型有相似之处，但复杂度高于单摆.本题涉及的物理知识为单摆的周期公式，根据单摆的周期公式可以定性分析米尺振动周期的大小;学生已经完成了“探究单摆的运动”等相关实验，可以把其中的探究技能迁移过来设计实验研究米尺振动的周期.

第（1）问主要考查学生科学探究中的“问题与猜想”指标，让学生根据问题情境猜想米尺振动的周期与等长的单摆的周期的大小关系，并说明猜想的理由.为了降低思维的难度，题目中提示学生“长为L的米尺可以看作由许多质点组成”.学生仅凭记忆无法作出正确判断，需要学生根据材料抽象关键信息，建立米尺振动中各质点的摆长与单摆摆长的联系，经过推理，才有可能作出正确的判断.

第（2）问要求学生设计实验方案说明米尺振动的周期与其质量是否有关，主要考查科学探究中的“设计与操作”指标.这对学生来说是一个新的任务，需要学生把以前科学探究学习中相关的技能、方法迁移过来解决问题.考查技能的综合性很强，包括区分探究问题的自变量和因变量、控制无关变量、选择合适的器材、记录数据并根据数据归纳结论等.

第（3）问主要考查科学探究中的“解释与评估”指标，要求学生分析图示中的数据，正确表述米尺振动的周期和单摆周期的关系.题设的猜想“长为L的米尺的振动周期可能与摆长为L/2的单摆的周期相等”，事实上也是很多学生内心的猜想，源于物理學习中“取平均”的思想，因此有的学生会据此得到小明猜想正确的结论，而不再依据数据做更深入的分析.利用线性关系归纳结论是处理实验数据常用的方法.由于学生的思维不严谨，学生会忽略只有当线性关系的比例系数是1的时候两个变量才相等，从而作出错误的判断.

本题对学生的思维能力要求较高，与学业质量水平4的要求相适应.

3.3 试题评分标准的制定

诊断性测试评分标准的制定要根据学业质量水平的要求界定考查的知识、技能、思维方法等，使其能够相对准确地评价学生的科学探究能力;应舍弃单一的、以知识为主的表述方式，制定基于学科核心素养水平的等级性评分标准[3].

为了减小随意性，提高评分信度，本研究依据SOLO分类理论制订了详细的等级评分标准.

3.3.1 SOLO分类理论

SOLO分类理论是基于问题解决层级描述的评价方法[5]，将具有一定开放度的任务呈现给学生，根据学生回答问题的表现来决定学生思维发展的水平.它认为学生对特定问题的反应可分为“前结构”“单一结构”“多元结构”“关联结构”“拓展抽象结构”五个递进的层次，各层次具体表现描述见表4.

表4中的五个层次描述了学生对具体问题不同水平的反应，依据上述标准，能够判断学生掌握该问题的具体水平.如果将学生解决问题时的质量分为五个水平进行等级赋分，就可以得到量化的分数作为评价的依据.SOLO分类理论的优点在于体现了等级描述的质性区别，这种评价方法能获得较好效度，用在学习诊断上是可行而且有效的.

3.3.2 评分标准的制定

依据SOLO分类理论分析判断学生在科学探究任务中反映的能力层次，将学生的学习结果分为四个水平赋予不同的分值（由于核心素养诊断试题是针对学业质量水平4命制的，本研究中不区分关联结构层次和拓展抽象层次），以描述不同学生在同一个科学探究任务中呈现出的水平差异.下面以题目中“问题与猜想”指标的赋分方法为例进行说明（见表5）.

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（实验）[M].北京：人民教育出版社，2003.

[2]李春密，梁洁，蔡美洁.中学生科学探究能力结构模型初探[J].课程·教材·教法，2004（06）：86-90.

[3]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.

[4]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.

[5]张玉峰.基于课前学习诊断的高中物理教学整合研究[M].北京：北京师范大学出版社，2018.

（收稿日期：2021-01-16）