PISA 2022科学问题解决样题对基础教育学生创新精神评价的启示

2022-04-29李玉峰孙梦月

新疆师范大学学报(自然科学版) 2022年1期

李玉峰，孙梦月

（聊城大学教育科学学院，山东聊城 252000）

为落实新时代党的教育方针，培养担当民族复兴大任的时代新人，实现“发展中国特色世界先进水平的优质教育”的战略任务，针对教育发展的薄弱环节，需要“强化实践动手能力、合作能力、创新能力的培养”［1］。

创新精神是基础教育阶段学生学业发展质量的重要指标。2021 年3 月教育部等六部门关于印发《义务教育质量评价指南》中的“创新精神”作为学生学业发展的关键指标之一［2］。即将在2021年底完成的义务教育课程标准修订强调“注重培养创新人格，引导教师变革教学方式，用评价引导创新”。2020年5月教育部颁布的《普通高中课程方案（2017 年版2020 年修订）》以“使学生成为有理想、有本领、有担当的时代新人”为培养目标，要求学生“具备一定的创新精神和实践能力”。

基础教育各学段的学校科学课程与课外科技活动是培养学生创新精神的重要途径。小学科学课程具有实践性、综合性的特点，能够引导学生参与科学探究与工程实践过程，善于从不同的角度提出问题，发展创新能力［3］。中学阶段分科，科学课程把创新列为学科核心素养的要素，例如，质疑创新，被列为物理学科核心素养—科学思维的要素［4］；勇于创新，是化学学科核心素养—科学探究与创新意识的要素［5］；创造性思维是生物学科核心素养—科学思维的要素，勇于创新是生物核心素养—科学探究的要素［6］。中小学课外科技活动可以有效拓展学有余力学生的发展空间，培养创新意识，例如，创客教育、STEAM教育，“双减”后学校课后服务中的科学创新第二课堂。

为了促进基础教育阶段学生通过科学教育课程培养创新精神，本研究将从评价环节入手，研读经济合作与发展组织（OCED）PISA 2022 创造性思维评价［7］中科学问题解决领域创造性思维评价、样题及评分等特点，以期为基础教育创新精神的评价提供参考。

1 PISA 2022创造性思维评价概述

由经济合作与发展组织发起的学生能力国际评价（The Programme for International Student Assessment，简称PISA），PISA 测试关注学生应用知识与技能适应未来生活的能力。PISA 测评在2000 年首次进行，此后每三年进行一次，每次PISA测评的重点都是在阅读素养、数学素养和科学素养这三个核心领域间轮换，并以测试年份命名。在即将到来的PISA 周期中，PISA 2022（由于新型冠状病毒肺炎的影响，PISA 参与国决定将PISA 2021评估推迟到2022年）将针对创造性思维进行评估。PISA 2022创造性思维评估通过计算机对15岁中学生的创造性思维进行认知能力测试，同时以问卷调查的方式收集学生、教师和学校等背景信息，从学生、教师、学校等层面来分析影响学生测试成绩的因素。

1.1 创造性思维定义

PISA 采用了与全世界15岁学生相关的创造性思维定义。在PISA 2022中，创造性思维被定义为有成效地参与想法的产生、评价和改进的能力，这些能力可以导致原创和有效的解决方案、知识的进步和富有影响力的想象力表达［7］。创造性思维强调所有学生都应该学习怎样产生富有成效的想法，通过评估想法的相关性和新颖性进行反思，不断改进想法，直到产生一个令人满意的结果。

创造性二分理论将创造力分为大C（Big Creativity）和小C（Little Creativity）。大C通常与技术突破或艺术杰作有关，要求个体具备卓越的创造性思维、深厚的专业知识和在特定领域的高度参与水平以及社会对产品价值的认可。小C主要是指用创造性的想法解决一些日常生活问题，例如，把剩菜剩饭做成一顿美味的饭菜等，几乎所有人都具备这种创造性的思维能力［8］。而PISA 关注的是15 周岁的学生，显然小C 更能体现15周岁学生的创造性思维，并且它可以通过教育来培育。因此，PISA 2022将创造性思维评价的重点放在与小C 有关的任务上，从而最大限度地降低遗传、已有知识经验等因素的影响，保证学生创造性思维评价结果的有效性。

1.2 创造性思维框架

创造性思维框架为评价能力模型和评价领域的选择、试题、评分标准的制定提供了学理基础。学生创造性思维的激发与运用受到各种要素的制约和作用，要想在课堂教学中更加有效地培养学生的创造性思维，需要了解有哪些课堂教学影响学生创造性思维的因素，及其如何表现。PISA 2022在2007年创新思维战略咨询专家组提出的五位模型基础上，提出了在课堂上观察创造性思维的一些关键点（图1）。

图1 课堂教学中创造性思维的影响因素和表现形式（来自OECD.PISA 2021 Creative Thinking Framework:Third Draft）

1.2.1 创造性思维表现形式

创造性思维表现形式包括创造性表达（即交流内心世界和通过写作、绘画、音乐或其他艺术进行想象）、问题解决（即在各领域找到创造性解决问题的方法）、知识创造（即产生对集体而言的新知识和在合作查询的过程中理解知识）。

1.2.2 创造性思维影响因素

个人层面的促成因子，包括：认知技能；相关领域知识准备（特定领域的知识和经验）；对新的想法和经验持开放态度；愿意与他人合作，并能在他人想法的基础上进行合作；面对困难时坚持实现自己目标的意愿和对自己创造性能力的信念（目标意向和信念）；任务动机。

社会层面的促成因子，包括：课堂文化、学校的教育方法和更广泛的教育系统，以及更广泛的文化环境，这些代表了学生的不同社会环境。它们都能影响学生在多大程度上重视和投资自己的创新能力，也能为创新思维的发挥提供动机或构成障碍。

PISA评估还通过背景问卷调查学生、教师、校长，了解个人层面的促成因素和社会层面的促成因素。

1.3 PISA创造性思维评价能力模型

PISA 2022 提供了创造性思维评价的能力模型（图2），该模型将创造性思维测试分解为三个维度：生成多样化想法、生成创造性想法、评估和改进想法。

图2 创造性思维评价能力模型（来自OECD.PISA 2021 Creative Thinking Framework：Third Draft）

1.3.1 生成多样化想法

该维度侧重考查学生产生不同想法的数量，即学生在不同领域灵活思考问题的能力。打破功能固着和思维定势的影响，敢于且善于提出多样化的方案。例如，为一个问题提供不同的解决方案。

1.3.2 生成创造性想法

该维度侧重于考查学生在不同领域中寻找合适的原创想法的能力，即要求学生提供一个恰当的、与任务相关的、其他人可能没有想到的想法。例如，一个社会或科学问题的原创解决方案等。

1.3.3 评估和改进想法

评估和改进是创造性思维过程的核心。识别他人观点中的优缺点并提供反馈的能力是任何知识创造集体努力的一个重要组成部分。该维度侧重于评估学生对给定想法的局限性进行评价并找到改进它们的原创性想法的能力。

2 科学问题解决领域创造性思维评价

PISA 2022聚焦创意表达和问题解决，进一步划分为文字表达、视觉表达、科学问题解决、社会问题解决等四个子领域，涵盖15 岁儿童通常参与的创造性思维活动的合理覆盖，并反映了现实世界和日常创造性思维的性质。文章将主要围绕“科学问题解决”这一领域进行探讨。

2.1 科学中的创造性思维表现形式

科学中的创造性思维可以通过多种形式表现出来，例如，促进科学知识发展的新观念；用实验来证明的假说；特定领域的科学知识应用和发明创造；制定科学研究计划或工程活动蓝图；开展探究活动等。科学探究中的许多活动都涉及学生的创造性工作。

2.2 科学问题解决评价的不同情境

不同科学情境的创意涵盖创造性思维的各个维度（表1）。（1）要求学生在科学情境下从事开放式问题的任务解决；在给定的情境下，提供自然科学问题的假设或问题解决的方案；针对给定情境中的问题解决方案或实验提出原创性改进。（2）向学生提供科学现象的观察，要求学生形成不同的研究问题或假设来解释科学现象。（3）要求学生在实验室环境下，利用不同的工具进行某种发明。（4）更加关注数学的模块，会要求学生用不同的方法展示给定的数据或几何图形的性质，或者要求学生从给定的数据中做出尽可能多的有效推断。（5）给学生一个开放的工程问题，提供一个创新的解决方案，或者一个使其更加有效的系统。

表1 “科学问题解决”领域创造性思维评价的可能方式

2.3 交互仿真与游戏有效评价方式

交互仿真和游戏是评估科学问题解决中创造性思维特别有效的方式，这种环境可以立即向学生提供他们行动或选择的反馈。观察学生对这种反馈的反应，可以提高科学创新发现或失败过程中的关键能力。

3 测试样题及评分方法

3.1 题型与测试平台

PISA 2022 创造性思维评价框架提供了三种题型，即建构题、交互式模拟任务和多项选择题。在科学问题的解决过程中，对建构题的设计可以采用短文本的形式要求学生作答，例如，对一个设计想法进行解释和说明；在交互式模拟任务上，可以让学生模拟真实的实验室环境，在实验中进行科学探究；而对于多项选择题的设计，各选项应具有一定的探索性，避免束缚学生的思维，阻碍创造性想法的产生。

PISA 2022 通过标准台式计算机进行。计算机无触屏功能，没有连接互联网。可以支持包括多项选择，文本输入，拖拽，热点（点击文本或图像内的区域），聊天界面，交互图表。

PISA 2022对进行创造性思维评价的测试时长作了明确的规定，为1小时，分别分配给四个不同的子领域，即每个子领域所用时长在15分钟左右。在创造性思维的各个方面中，各项目所占的百分比（表2）。

表2 按照能力模型期望的时间分配

3.2 样题与评分

科学问题解决领域样题，以学生被要求进行工程设计标准自行车的创新，以这一场景为中心，根据能力模型设计三个任务，提供关于创造性思维三个维度的信息。题目通过计算机进行建构-反应测试，为学生提供了发挥创造力的机会，这些开放性题目需要学生提供创意的解决方案，没有固定的答案。PISA 2022创造性思维评价不同的领域采用相同的编码过程，由于任务类型的多样化，对于科学问题解决中的开放性任务，必须采用人工评分的方法。

3.2.1 任务1：多种方案改进标准自行车

产生多样化想法维度的对应题目，要求产生2-3 个不同的想法。题目的形式可以多样化，比如针对题目、标志、社会问题解决方案和实验方案、产品设计等提出改进建议，科学问题解决任务1-多种方案改进标准自行车（图2）。

题目：

尝试想象一辆“未来的自行车”。想出3 个可以对标准自行车进行改进的实施方案，且每个想法之间尽可能不同。

要解释清楚每个想法该如何实施，并详细说明将要使用的工具或技术。

建议在这个问题上的时间不要超过5分钟。

图3 多种方案改进标准自行车

产生多样化想法题目，把想法的“合适性”和“不同性”作为评分要点。所谓合适，是指回答与具体的任务是相关的，而非答非所问。所谓不同，是要求学生提供不同类别的想法。

评分标准：

（1）合适性：如果建议的解决方案得到适当实施，仍然要保持自行车的本质（即单个个体的运输装置）。

（2）不同性：在建议中体现标准自行车的不同变化。例如，替换了自行车不同零件。

（3）学生的回答满足合适与不同这两个要求即可得到满分；若只合适，只能得到部分分数；其他情况不得分。

3.2.2 任务2：改良自行车防盗方法

评估与改进想法维度对应的题目要求学生以一定原创的方式改进给定方案，题目形式可能有所不同，例如，故事的另一种结尾、改进一种设计、社会事件更有趣的想法或一种更有用或创新的技术发明，科学问题解决任务2-改良自行车防盗方案（图4）。

图4 改良自行车防盗方案

题目：

你的一位朋友提到，未来的一辆高科技自行车可能很昂贵，所以它应该具备更好的防盗功能。因此，他提议用一个夹子在车把上安装有面部识别软件的摄像头。如果有其他人骑自行车，摄像头就会向车主的手机发送通知。

请提出一个改进方法，让你朋友的防止自行车被盗想法能更有效。描述要具体。

在下面的空白处描述你的改良方法。

评估与改进想法维度题目，把合适性与原创性作为评分要点。所谓合适性，是指不仅与具体的任务相关，而且反映了题目中改进的延续；回答不能仅与题目相关，而且也是一种改进，可见评价适当性的标准得到了加强。原创性是指相对不常规的改进，常规改进的例子，出现在评分标准中。

评分：

（1）合适性。学生应该能够评估朋友的想法至少是有缺陷的两个原因：小偷很容易把相机从自行车上移开，发送给个人手机的通知可能太晚了，无法阻止小偷。“适当”的想法必须代表一个与题目有关的建议，一个解决方案，如果适当地实施，改善防盗装置，解决朋友的建议中的弱点。

（2）原创性。根据所建议的改进是否常规来决定。

（3）如果学生的回答合适且为原创性改进，即可得到满分；若只合适，只能得到部分分数；其他情况不得分。

3.2.3 任务3：脚踏板创意再利用

生成创造性想法维度对应的题目要求学生提供一个原创方案，题目形式可能有所不同，例如，一个短篇小说的想法、一件T恤的设计、一个社会问题的解决方案或一个科学研究问题，科学问题解决任务3-脚踏板创意再利用（图5）。

图5 脚踏板创意再利用

题目：

未来的自行车是电动的，脚踏板就没有存在的必要。请提出一个原创方案，让自行车脚踏板可以重新使用或改变用途。这个想法应该是多数同学会思考的。

建议在这个问题上所用时间不要超过5分钟。

生成创造性想法维度题目，将合适性与原创性作为评分要点。所谓合适，是指回答与具体的任务是相关的，而非答非所问。所谓原创性，是在整个想法中是非常规的，常规的例子出现在评分标准中。

评分：

（1）合适性。“适当”想法是指如果实施得当，可能会产生踏板的新用途。

（2）原创性。通过两步可以判定想法的原创性。步骤1：提供的想法不是评分标准列表中给出的范例，这种想法就是原创的；步骤2：如果提供了范例中的想法，但是使用了原创的实现方式，也被认为具有原创性。这种两步法确保了观念创新和实现方式创新，在确立常规的案例和原创的实现方式时，需要根据学生的实际作答情况，进行确定。常规想法的案例包括：①使用踏板作为钩子（例如：贴在墙上，把外套挂下来）；②用踏板作为门把手；③使用两个踏板作为肢体伸展（例如：从较高的架子上拿东西或从地板上拿东西）。

（3）如果学生的回答合适且原创，即可得到满分；若只合适，只能得到部分分数；其他情况不得分。

3.4 评分者的信度

开放性题目和学生的不同作答会影响评分的信度。PISA测评的要进行国际比较，评分的可信性与可比较性，成为PISA测评的主要目标。因此，需要特别注意核查评分编码的有效性。在大规模测试之前，通过多种方式与核查以降低评分的任意性。

评分可信性主要依赖于评分量规的质量，并且避免跨文化偏见。首先，国家评分者就编码导言和评分量规的语言与内容提供反馈。其次，根据PISA 中已有的实践，让多个评分者编码一组随机选择的100 个作答，用以测量“国内评分者之间的信度”。

4 我国基础教育科学课程中创新精神评价策略探讨

PISA 2022科学问题解决测验题及影响因素调查，评估15岁学生在日常生活中科学情境中创意产生、评估、改进的能力，其评估目的、评估方式、评估题目设计与评分，都可以为基础教育科学课程中的学生创新精神的专项评估提供参考。

4.1 评估目的：学生创新精神的培养

PISA 2022 创造性思维测评测试聚焦15 岁学生的创造性思维，从生成多样化想法、生成创造性想法、评估和改进想法三个维度出发；从评分标准来看，既注重创意的产生，又注重创意的实现，比如“合适性”“原创性”。这与“21世纪核心素养5C模型”——创新素养的创新思维和创新实践要素非常契合，是对21世纪人才必备素养的考察［9］。

创新精神是基础教育学生发展质量的关键指标，是一个人具备从事创新活动、产生创新成果的综合素质，包括创新意识、创新情意、创新思维、创新个性、创新品德、创新美感和创新技法等因素。创新精神与创新素养有相同的含义。

因此，为了培养担当民族复兴大任的时代新人，基础教育中创新精神的评价关注创意的产生、实现，特别注意原创性。

4.2 评估内容：科学领域创新思维能力表现及影响景因素

PISA 2022 创造性思维评价包括创造性思维的认知领域测试和影响认知成就的背景因素问卷调查两部分：通过创造性思维评价能力模型的三个维度，关注学生在科学问题解决中的表现，简单而准确地描述科学领域中的创造性思维。通过对学生、学校、教师发放调查问卷，了解影响创造性思维的个人因素、社会因素。PISA 2022 创造性思维评价作为一项学业成就评价项目，比较接受义务教育后15 岁学生的创造性思维认知成就及影响因素，便于进行国际比较，为政府做出教育决策、指导教学提供指导。

因此，对于基础教育学生创新精神的评价，不仅要关注学生创新精神的具体表现，还要关注创新精神的影响因素，这些专业的数据为教育决策提供参考、教学实践提供指导。

4.3 评价情境：真实的科学情境

PISA 2022 创造性思维评价在标准台式机平台上，通过交互仿真和游戏的方式，评估在科学知识创造或科学问题解决的科学实践的仿真情景中创造性思维的认知表现，比如科学探究的假设、实验方案、工程设计等。

创新精神的考查要点包括了“学生积极参加学校社团活动，有小制作、小发明、小创造等科学兴趣特长”“有好奇心、想象力和求知欲，有信息收集整合、综合分析运用能力，有自主探究、独立思考、发现问题、解决问题的意识与能力”。这些考查要点如何落实值得思考，这种仿真情景中学生的创造性思维成就表现，值得创新精神指标监测参考。

4.4 评分方式：创新开放性问题评分

PISA 2022 创造性思维评价采用开放性问题对学生的认知成就进行评价，开放题目的评分量规，是PISA 2022 测评进行国际比较的基础。开放性题目的评价量规的关键点是合适性，学生的创意性想法经过实施后可以响应题目的要求；只需要学生的作答适合题目要求即可。由于是开放性题目，具有多个可能的解答，没有显著的最优答案。

开放问题解答的原创性可以进行评分。评价量规的第二个评分要点是原创性。当学生提供了对题目合适的响应后，就可以对创意的原创性，通过想法的非常规性、想法实现方式的非常规性两个方面进行评价。需要在评分量规中列出常规的想法，这些常规想法的列出需要试题制定者提前制定，并且根据学生实际作答的情况进行调整。

注重提高开放性题目评分的信度。由于作答的开放性，需要评分者完成适合性、原创性的人工确定，该种问题评分存在一定的主观性，需要多位评分者对同一题目评分，确定评分者的信度。