王健

考查科學思維的理科考試命題策略探討

王健

培養(yǎng)學生的科學思維是科學教育的重要目標，運用科學思維的方式思考和解決問題也是對具有科學素養(yǎng)的人的基本要求。在理科的紙筆評價中，可以利用科技論文、科學史和故事線索等策略編制題目，考查學生的科學思維。

科學教育測評；科學思維；命題策略

在科學的發(fā)展歷程中，人們不斷通過觀察和實驗對各種自然現(xiàn)象進行研究。科學研究人員的思維范式將引導他們開展研究工作，其成果使科學得以發(fā)展和進步，這種思維范式就是常說的科學思維。在科學教育中，培養(yǎng)學生的科學思維最終指向于培養(yǎng)具有科學素養(yǎng)的公民，這是當今世界各國科學教育的共識。

1 科學思維的內(nèi)涵及構(gòu)成要素

科學思維是具有意識的人腦對自然界中事物（包括對象、過程、現(xiàn)象、事實等）的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及自然界中事物間的聯(lián)系和相互關(guān)系的間接的、概括的和能動的反映[1]。它是一套策略性和元策略性的認知活動過程，其目標最終指向于新知識的獲得[2]?？茖W思維主要包含三個要素：對實驗方法的理解，解釋數(shù)據(jù)的能力，以及對科學知識的理解[3]。

在已有研究中，通常將科學推理與科學思維二者等同起來。但從認知的角度來分析，二者有一定的區(qū)別?？茖W推理是一種特定類型的論證活動，并不是日常生活經(jīng)驗的組成部分[4]。具體來說，科學推理是協(xié)調(diào)理論或信念、假設(shè)和相應證據(jù)的過程[5]。其中，理論是指對特定情境的認知表征（cognitive rep?resentation）。如果信念經(jīng)檢核已經(jīng)具備了正確的可能性，那么就會成為假設(shè)。證據(jù)是指通過對某一情境和系統(tǒng)的實證觀察而收集到的信息[6]。一旦有了證據(jù)，就可以檢驗假設(shè)的真?zhèn)?。如果證據(jù)與個人頭腦中的理論或信念相悖，那么科學思維和推理也就變得尤為重要。在科學推理的過程中，涉及歸納、測量、實驗、推斷、預測、概括等能力[7-10]。正確的思維方式能夠引導認知系統(tǒng)的改變和適應，進而使個體形成科學的理解，這正是科學思維和推理的重要結(jié)果形式[11]。由此可以看出，科學推理在科學思維中占據(jù)核心的地位。

在新知識的產(chǎn)生過程中，涉及假設(shè)空間和實驗空間的雙重搜索，以及對證據(jù)的評估，接受、拒絕或修正當前假設(shè)，從而產(chǎn)生新知識。這些環(huán)節(jié)并不是單向進行的，而是具有復雜性和循環(huán)性[12]。

基于以上分析，可以用圖1展示科學思維各要素之間的邏輯關(guān)系，其中科學推理部分的圓形圖示表示復雜的循環(huán)往復過程。

圖1 指向獲得新知識的科學思維要素結(jié)構(gòu)示意圖

2 科學思維的地位和價值

2.1 培養(yǎng)學生的科學思維是理科課程的重要目標

基礎(chǔ)教育階段的理科課程都強調(diào)課程的理科屬性，將“倡導探究性學習”作為重要的課程理念，期望學生體驗科學探究過程，學習科學研究的基本方法，養(yǎng)成良好的思維習慣，并能運用相關(guān)的科學知識和科學探究方法解決一些問題[13-15]。特別是在科學探究能力的目標部分，強調(diào)學生要能夠作出假設(shè)和預期，設(shè)計可行的實驗方案，實施實驗方案，收集證據(jù)，利用恰當?shù)姆椒ń忉寯?shù)據(jù)，并根據(jù)證據(jù)作出合理的判斷，這些能力都是科學思維的重要組成部分。因此，科學思維始終貫穿于科學探究過程的各個環(huán)節(jié)，如果沒有科學思維的支撐，科學探究將失去方向，而沒有科學探究的過程，科學思維也將失去根據(jù)和實踐價值，二者密不可分。

此外，課程還要求學生學會運用觀察、實驗、查閱資料等多種手段獲取信息，并運用比較、分類、歸納、概括等方法對信息進行加工，其中，獲取的信息就是證據(jù)，而信息加工過程是科學推理和科學思維的重要形式。由此可以看出，基礎(chǔ)教育階段的理科課程都十分重視對學生科學思維的培養(yǎng)，將其作為課程目標的核心組成部分。

2.2 科學思維有助于學生理解科學的本質(zhì)

通過科學探究，學生可以體驗到科學是基于實證證據(jù)的，這些證據(jù)來自于觀察和實驗等多種不同的途徑；對證據(jù)的解讀，有助于提出關(guān)于自然現(xiàn)象的推論。此外，由于不同人員的背景知識和理論觀點不同，解讀證據(jù)的方式也不同，因此得出的推論也會有所差異，這個過程體現(xiàn)了科學的主觀性。在設(shè)計研究方案和解讀數(shù)據(jù)的過程中，還會涉及科學創(chuàng)造力和想象力。一旦科學研究有了足夠的證據(jù)，就能夠產(chǎn)生新知識，從而證實或證偽原有假設(shè)，特別是在否定原有假設(shè)時，可以使學生體會到科學知識是暫定的，會隨著新的研究證據(jù)而發(fā)生改變。以上這些方面都是科學本質(zhì)的重要體現(xiàn)[16]。由于科學知識是伴隨科學研究而產(chǎn)生和不斷發(fā)展的，科學思維又是科學研究的核心要素，因此在探究過程中，引導學生不斷反思科學研究的過程，有助于學生科學思維的發(fā)展，進而促進學生對科學本質(zhì)的理解。

2.3 科學思維是具備科學素養(yǎng)的人的重要特質(zhì)

科學思維不僅僅是學?？茖W教育的重要目標和內(nèi)容，同時也對一個人的工作和生活產(chǎn)生重要影響。例如在面對轉(zhuǎn)基因這一社會性科學議題時，需要運用科學思維的范式，提取個人頭腦中關(guān)于轉(zhuǎn)基因的相關(guān)科學知識（原理），搜集關(guān)于轉(zhuǎn)基因研究的信息（證據(jù)），對當前各種媒體中的觀點進行批判性分析（科學推理），從而形成個人觀點或作出個人決策。在這一過程中，科學思維起著至關(guān)重要的作用。但是，如果在面對這類問題時，沒有科學思維的習慣，通常只是憑感覺作出個人決策，而這種決策過程中理性思維的成分很少，自然也就無法體現(xiàn)出科學素養(yǎng)的特質(zhì)。因此，作為具有科學素養(yǎng)的公民，在工作和生活中都要養(yǎng)成運用科學思維的習慣，進行公眾和個人決策。

3 考查科學思維的理科考試命題策略

命制高質(zhì)量的試題是考試效度的重要保證。在命制考查學生科學思維的試題時，選擇什么材料作為命題素材？題干中包含哪些信息？這些信息通過何種方式來呈現(xiàn)？這些問題是命題者必須認真思考的核心問題，也是命題的核心技術(shù)所在。

國際大型測評項目NAEP（National Assessment of Educational Progress）研究發(fā)現(xiàn)，與回答不包含情境的題目相比，學生回答具有特定情境的題目時，不專注率和漏答率都明顯降低[17-18]。因此，題干中的真實情境能夠提升學生的動機和參與作答。

構(gòu)成題干的真實情境主要包括以下要素：情境中的事件應該是真實發(fā)生或者能夠發(fā)生的，基于該情境的設(shè)問也能夠在現(xiàn)實生活中找到，題干中提供的信息或數(shù)據(jù)應該能夠?qū)崿F(xiàn)[19]?；谶@一標準，結(jié)合科學思維的內(nèi)涵，可以選擇研究性的科研成果作為考查科學思維的命題素材。符合這一要求的素材來源包括正式發(fā)表的科技論文成果、科學史素材、尚未發(fā)表的實驗室研究數(shù)據(jù)等。

3.1 基于科技論文素材的命題策略

當前考查科學思維的高考試題中，大都選擇科技論文作為命題素材。一方面，正式發(fā)表的科技論文能夠保證情境的真實性和科學性，又能體現(xiàn)學科發(fā)展的前沿性[20]。另一方面，科技論文中的相關(guān)數(shù)據(jù)和圖表是基于真實研究而得到的，滿足上面提到的情境要素標準。

在利用科技論文作為素材命題時，應呈現(xiàn)必要的信息，緊扣考查科學思維這一核心任務(wù)，注重科學知識和科學思維的有機整合，從而達到評價目標。此外，在命題時，還應充分挖掘科技論文素材的教育價值，滲透情感態(tài)度價值觀教育，例如使學生關(guān)注科學、技術(shù)、社會之間的關(guān)系，理解數(shù)學模型對于科學研究的重要價值等。

例1（2015年北京高考理綜卷第3題）：

流式細胞儀可根據(jù)細胞中DNA含量的不同對細胞分別計數(shù)。研究者用某抗癌物處理體外培養(yǎng)的癌細胞。24小時后用流式細胞儀檢測，結(jié)果如圖2。

圖2

對檢測結(jié)果的分析不正確的是（ ）

A.b峰中細胞的DNA含量是a峰中的2倍

B.a峰和b峰之間的細胞正進行DNA復制

C.處于分裂期的細胞均被計數(shù)在a峰中

D.此抗癌藥物抑制了癌細胞DNA的復制

該題主要考查學生運用細胞有絲分裂的相關(guān)知識解讀數(shù)據(jù)的能力。首先要讀懂圖形所蘊含的原理，例如峰值及其個數(shù)的含義分別是什么，然后與所學的有絲分裂的知識進行匹配，從而形成個人的判斷，這就是解讀數(shù)據(jù)的過程，是科學思維的重要組成要素。

從題干的情境設(shè)計來看，癌癥是當今影響人類健康的主要疾病之一，是人們關(guān)注的話題，而抗癌藥物的研發(fā)也是科學家重點攻克的課題。情境選題來源于生活實際，能夠引起學生的興趣。

題干中所提供的數(shù)據(jù)是實際研究的結(jié)果，具有真實性，而不是理想化的模型。這可以幫助學生理解真實的實驗結(jié)果，有利于他們結(jié)合已有知識解讀這些數(shù)據(jù)，在基于真實的研究情境中展示科學思維過程。此外，題干的情境中還涉及流式細胞儀，反映了學科發(fā)展的前沿，有助于學生理解技術(shù)可以促進生物學研究的發(fā)展。

3.2 基于科學史素材的命題策略

科學史是指研究和理解自然界的結(jié)構(gòu)和功能的發(fā)展歷史，是真實發(fā)生的事件。在科學教育中融入科學史具有多重作用，例如幫助學生理解科學本質(zhì)，發(fā)展學生的科學思維，促進學生的概念轉(zhuǎn)變和知識建構(gòu)等[21]。鑒于科學史的真實情境及其教育價值，可以借鑒科學研究的歷程，作為命題素材考查學生的科學思維。

在運用科學史作為命題素材考查學生的科學思維時，與運用科技論文作為素材的命題技術(shù)具有相通之處，但要求又不完全相同?？萍颊撐闹饕獊碓从诳萍计诳?，通常不是科學發(fā)展過程中里程碑式的成果，對于中學生來講，這些素材相對陌生，具有新穎性的特點。而科學史素材大都屬于科學發(fā)展過程中里程碑式的成果，通常會出現(xiàn)在教科書中，學生較為熟悉，因此選用這些素材命題考查學生的科學思維時，應注重對素材的進一步加工，充分挖掘其科學研究過程中的科學思維路徑。

在這種考查方式中，學生閱讀題干時的第一感覺是對材料很熟悉，避免了陌生情境對分析材料和厘清分析路徑的干擾，能夠?qū)⒖茖W思維更真實地展示出來。當前高考試題中開始出現(xiàn)了利用科學史素材命制考查科學思維的題目。

例2（節(jié)選自2010年北京高考理綜卷第30題）：

科學家以大腸桿菌為實驗對象，運用同位素示蹤技術(shù)及密度梯度離心方法進行了DNA復制方式的探索實驗，實驗內(nèi)容及結(jié)果見表1。

（1）綜合分析DNA離心結(jié)果，第____組結(jié)果對得到結(jié)論起到了關(guān)鍵作用，但需把它與第___組和第____組的結(jié)果進行比較，才能確定DNA分子的復制方式。

表1

（2）若在同等條件下將子Ⅱ代繼續(xù)培養(yǎng)，子n代DNA離心的結(jié)果是：密度帶的數(shù)量和位置是____，放射性強度發(fā)生變化的是_____帶。

該題主要考查了學生運用DNA復制方式的知識。通過分析實驗方案和數(shù)據(jù)，進行科學推理和預測的能力，屬于考查科學思維的典型題目。學生首先要理解實驗方案，然后比較各組實驗的不同之處，通過綜合分析，結(jié)合關(guān)于DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)和復制方式的知識進行推理，并最終得出結(jié)論。

從題干的素材來看，與教科書中“1958年科學家以大腸桿菌為實驗材料研究DNA的半保留復制”科學史材料類似，但又不完全相同。題目的情境素材源于科學史材料，并進一步從解決問題的角度設(shè)計了四組實驗，將實驗設(shè)計思路有機地融入到情境之中。雖然科學史上并未開展這四組研究，但是實驗思路與科學家當初的研究思路基本一致。這類題目可以反映命題人員對科學史材料和科學思維的把握，以及運用科學思維改造科學史素材的命題技術(shù)，這對命題人員來說是一個很大的挑戰(zhàn)。

此外，從情境的真實性角度來看，這四組實驗的結(jié)果在科學史上都已得到證實，是能夠真實發(fā)生的實驗結(jié)果，符合情境真實性的選材原則。

3.3 基于“故事線索”的命題策略

在科學教育中，“故事線索”主要作為一種教學策略而出現(xiàn)的，它能激發(fā)學生的學習興趣，將課堂教學與現(xiàn)實生活聯(lián)系起來，故事情節(jié)能夠?qū)⒖茖W內(nèi)容有機地整合在一起，形成連貫、邏輯嚴密的概念結(jié)構(gòu)。但是，在實際教學中不能僅僅注重故事情節(jié)的編排，而忽略故事情節(jié)與科學概念有機的整合。研究顯示，利用“故事線索”教學策略能提高學生的科學學業(yè)成就水平[22]。

在考查科學思維的紙筆評價中，也可以利用“故事線索”策略呈現(xiàn)試題情境。在這里，故事的主旨不是講故事，而是通過類似講故事的方式展示一項完整的科學研究過程，有利于學生分析問題時科學思維的連貫性。在命題時，故事線索更多的是展示科學研究過程背后的科學思維，并不一定都要呈現(xiàn)研究結(jié)果。例如，在研究某個問題時，可以展示出研究人員關(guān)于該問題的幾種假設(shè)，然后通過實驗獲得部分數(shù)據(jù)，從而作為證據(jù)證實和證偽某一項或幾項假設(shè)。如果該階段尚不能證實某項假設(shè)是唯一正確的假設(shè)，則還需要進行更多的實驗，最終獲得問題的答案。由此可以看出，這樣的故事線索展示的正是科學思維的重要方式，能夠有效地考查學生的科學思維。

通過“故事線索”策略命題，通常有兩種思路。第一種是當前的各種大型考試中的主流命題思路，即提供實驗研究的目的和結(jié)果，讓學生基于科學概念或原理分析數(shù)據(jù)，主要考查數(shù)據(jù)解釋能力。這種命題策略注重考查學生單純地分析實驗數(shù)據(jù)和原理的能力，而忽略了通過科學研究解決問題的科學思維的考查。第二種命題思路則是按照科學研究的流程展示“故事情節(jié)”，重點要讓學生理解科學研究的方法和科學本質(zhì)，例如讓學生理解科學研究過程中通常涉及對研究問題作出多個可能的假設(shè)，然后通過多重實驗尋找證據(jù)，證實或證偽某項假設(shè)，最終解決問題，從而形成對自然界的新認識，即產(chǎn)生新的科學知識。這兩種命題策略對考查學生的科學思維各有側(cè)重，在實際的命題工作中，應根據(jù)評價目標選擇恰當?shù)拿}策略。

例3（改編自2015年北京西城區(qū)高三一模理綜卷第30題）：

出芽酵母的生活史如圖3所示，其野生型基因發(fā)生突變后，表現(xiàn)為突變型（圖4）。研究發(fā)現(xiàn)該突變型酵母（單倍體）中有少量又回復為野生型表現(xiàn)型。

圖3 酵母菌的生活史

圖4 A基因的突變

表2 部分密碼字表

科學家在研究突變型酵母回復為野生型表現(xiàn)型這一現(xiàn)象時，提出了兩種假設(shè)。

假設(shè)一：a基因又突變回A基因。

假設(shè)二：a基因未發(fā)生突變，編碼能攜帶谷氨酰胺的tRNA的基因B突變?yōu)閎基因（a、b基因位于非同源染色體上）。在a基因表達過程中，b基因的表達產(chǎn)物攜帶的氨基酸為谷氨酰胺，使a基因指導合成出完整的、有功能的蛋白質(zhì)。

為檢驗以上假設(shè)是否成立，研究者將回復后的單倍體野生型酵母與原始單倍體野生型酵母進行雜交，獲取二倍體個體（F1），培養(yǎng)F1，使其減數(shù)分裂產(chǎn)生大量單倍體后代，檢測并統(tǒng)計這些單倍體的表現(xiàn)型。

（1）若F1的單倍體子代表現(xiàn)型及其比例為_________，則假設(shè)一成立。

（2）若F1的單倍體子代表現(xiàn)型及其比例為_________，則假設(shè)二成立。

該題以出芽酵母的回復突變作為素材，用故事線索的方式呈現(xiàn)對這一現(xiàn)象的研究過程，提出了兩種假設(shè)，并通過實驗收集證據(jù)，驗證哪個假設(shè)成立。這個題目的命題思路屬于“故事線索”命題策略中的第二種，故事的主線非常突出，通過科學研究解決問題并獲得新知識的歷程。在“故事”的呈現(xiàn)方面，充分整合了關(guān)于遺傳中心法則、基因的分離與自由組合定律等重要科學概念。學生只有在掌握了這些重要概念的基礎(chǔ)上，才能通過科學推理過程，預測出相應的實驗結(jié)果，從而證實或證偽某項假設(shè)。這種題型一方面考查了學生的科學概念掌握情況和科學思維的水平，另一方面有助于學生理解科學的本質(zhì)。

4 啟示與建議

在科學教育中，對學生科學思維水平的評價是一項必要的工作。對于紙筆評價來講，需要綜合運用各種試題編寫的策略，同時結(jié)合上面談到的基于科技論文、科學史和“故事線索”等策略，根據(jù)評價的目的，命制高質(zhì)量的紙筆評價題目，從而更加有效地考查學生的科學思維水平。

在素材的選擇方面，當前較為流行的做法是搜集各種科技期刊中最新的研究論文，以此作為素材編制題目，考查學生的科學思維。素材的新穎與否只是影響試題質(zhì)量的一個方面，更重要的是要判斷素材能否為評價目標提供服務(wù)。在沒有最新研究論文作為命題素材時，還可以對已有素材進行再加工，從而挖掘其命題點，以更好地為達成評價目標提供支撐，在“基于科學史素材命題策略”部分的例題就是一個很好的例證。

對于命題工作者，應充分挖掘素材所涉及的科學原理和概念，更要深入挖掘相關(guān)素材中的科學研究方法和科學思維路徑，然后通過“故事線索”等策略來有效地組織和編排有關(guān)素材和設(shè)問，凸顯科學思維這一核心，其他方面都要為考查目標服務(wù)，從而更有效地考查學生的科學思維水平。

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Strategies on Test Item Writing to Assess Students’Scientific Thinking

WANG Jian

Enabling students think scientifically in their daily life and future work is one of the utmost essential purposes of science education，which aims to produce scientifically literate citizens.When assessing students’scientific thinking through paper-pencil test，natural science research articles，materials from history of science，and storyline strategy can be utilized to write high quality test items.

Science Education Assessment;Scientific Thinking;Test Item Writing Strategy

G405

A

1005-8427（2016）10-0044-7

（責任編輯：陳睿）

王健，男，北京師范大學生命科學學院，副教授（北京 100875）