許春良

摘要：科學探究既是科學教學的目標和結(jié)果，又是科學教學的主要方式?？茖W探究活動的設計直接決定著科學教學的有效性。PISA對科學素養(yǎng)的內(nèi)涵和評價有其獨特的理解和做法。分析PISA科學素養(yǎng)試題的編制特點，對于當前小學科學課堂中科學探究活動的設計具有獨特的啟示作用和積極的實踐意義：引入STE（A）M理念，體現(xiàn)科學探究活動的學科整合性;采用生活化問題，體現(xiàn)科學探究活動的任務情境性;采集數(shù)據(jù)化現(xiàn)象，體現(xiàn)科學探究活動的證據(jù)有效性。

關(guān)鍵詞：PISA科學素養(yǎng)科學探究活動設計策略

科學一方面表現(xiàn)為人類對自然世界的一種認知結(jié)果，其主要形式為科學知識、科學規(guī)律和科學解釋等;另一方面還可認為是人類對自然世界的一種認知活動，其主要形式如科學探究、科學應用和科學想象等?？茖W探究既是科學教學的目標和結(jié)果，又是科學教學的主要方式?？茖W探究活動的設計直接決定著科學教學的有效性。

PISA作為一個全球化的科學教育國際比較研究項目，不僅從評價的角度提出了科學素養(yǎng)的完整內(nèi)涵，而且以此為框架編制了科學素養(yǎng)試題并進行了全球范圍內(nèi)的測評實踐。PISA對科學素養(yǎng)的內(nèi)涵和評價有其獨特的理解和做法。分析PISA科學素養(yǎng)試題的編制特點，對于當前小學科學課堂中科學探究活動的設計具有獨特的啟示作用和積極的實踐意義。

一、PISA科學素養(yǎng)測評分析

（一）PISA科學素養(yǎng)的內(nèi)涵分析

我國對小學科學課程的定位是培育人最基本的科學素養(yǎng);從課程實施的角度而言，它需要教師在教學中引導學生親歷和體驗科學探究過程，培養(yǎng)他們對科學的興趣，幫助他們初步理解科學的本質(zhì)，基本掌握科學探究的方法，最終形成科學的思維能力。而PISA對科學素養(yǎng)的界定則主要是從測評的視角切入的，它認為科學素養(yǎng)是指個人在以下這些方面的具體表現(xiàn)：

（1）掌握科學知識;運用科學知識來指出問題，獲取新知識，解釋科學現(xiàn)象，并對科學相關(guān)的問題做出以證據(jù)為基礎的結(jié)論。

（2）理解科學作為人類知識和探究的特點。

（3）意識到科學和技術(shù)如何塑造我們所在的物質(zhì)環(huán)境、智力環(huán)境和文化環(huán)境。

（4）作為一名積極思考的公民，樂于運用科學的觀念并參與科學有關(guān)的問題。

為了便于進一步實施測評，PISA2015將科學素養(yǎng)強調(diào)為一種核心能力，并將大部分測評使用的科學問題設定在廣泛多樣的現(xiàn)實生活情境（如轉(zhuǎn)基因食品）中，以此檢驗學生對“科學地解釋現(xiàn)象”“設計和評價科學探究”“科學地闡釋數(shù)據(jù)和證據(jù)”這三種能力的實際應用水平。測試中，三種能力所占的比例也有所側(cè)重：“科學地解釋現(xiàn)象”約占40%～50%，“設計和評價科學探究”約占20%～30%，“科學地闡釋數(shù)據(jù)和證據(jù)”約占30%～40%。

由此可以窺見，PISA在編制科學素養(yǎng)試題時，更多地是想評估學生對未來生活所做的準備狀態(tài)，即是否具備了足夠的應付未來生活的潛在能力，而不是像常規(guī)考試那樣側(cè)重檢測學生掌握了多少具體的科學知識。

（二）PISA科學素養(yǎng)試題的特點分析

1.采用單元編排，打破學科和試題之間的分隔限制。

PISA科學素養(yǎng)試題一般圍繞單元主題組織編排，每個單元包含若干小問題，各個小問題之間在知識、能力和態(tài)度上存在關(guān)聯(lián)，在形式上大多采用開放性設問。從主題內(nèi)容上看，這些問題又往往與生活中的物理、化學、生物、地理等學科多層面地相互融合，即要求學生能夠綜合運用多種學科知識來解決問題。

需要特別指出的是，單元編排的方式因為減少了測評情境的數(shù)量，故而在保證所選用試題情境的代表性和適當性方面要求極高，以免因情境的減少而造成測評的片面性和無效性。PISA最終所采用的試題需要滿足（經(jīng)過）一系列嚴格的命題要求（評審環(huán)節(jié)），如：命題必須符合科學素養(yǎng)框架的要求;對一般水平的學生而言，每個小問題的答題時間不超過2分鐘，整個單元測試的完成時間不超過10分鐘;試題引導文本和題目符合15歲學生的生活經(jīng)驗等。

2.創(chuàng)設真實情境，引入模擬和互動的科學實驗。

PISA十分注重試題設計的生活情境化。情境一般都是學生在現(xiàn)實生活中可能遇到的，如臺風、海嘯、地震、海洋生物、大氣、陽光、溫室效應、細菌、冰山等。采用基于情境的科學素養(yǎng)測評方法，能夠有效引發(fā)學生科學能力真實、成功地發(fā)揮，有效體現(xiàn)學生對有關(guān)自然世界和科學本身的知識的應用，有效衡量學生對科學事物的態(tài)度。

尤其是在PISA2015中，情境的豐富性和真實性進一步呈現(xiàn)靈活多樣的趨勢——有的需要進行科學實驗，有的需要對已有實驗數(shù)據(jù)進行分析，還有的則需要利用計算機模擬實驗采集數(shù)據(jù)等。

3.分析圖表數(shù)據(jù)，強調(diào)利用證據(jù)來解釋科學現(xiàn)象。

PISA自一開始就特別注重讓學生尋找并利用試題中定性和定量的證據(jù)來展開科學論證，運用圖表等方式來表達數(shù)據(jù)，掌握轉(zhuǎn)換不同形式數(shù)據(jù)的表達方式，并闡釋數(shù)據(jù)背后所隱藏的有價值的可能性。以下為PISA中的一道關(guān)于“溫室效應”的試題。

溫室效應

溫室效應在20世紀越來越顯著。事實表明，地球大氣層的平均溫度不斷上升。有研究說，二氧化碳排放量增加是 20 世紀氣溫上升的主要原因。

小德對研究地球大氣層的平均溫度和地球上二氧化碳排放量之間的關(guān)系很有興趣，他在圖書館找到了兩幅曲線圖（如圖1、圖2）。

小德從曲線圖中得出結(jié)論，認為地球大氣層平均溫度的上升顯然是由二氧化碳排放量的增加而引起的。

問題1：曲線圖中有什么資料支持小德的結(jié)論？

問題2：小德的同學小妮卻不同意他的結(jié)論。她比較了兩幅曲線圖，指出其中有些數(shù)據(jù)并不符合小德的結(jié)論。請從曲線圖中舉出一項不符合小德結(jié)論的數(shù)據(jù)，并解釋答案。

問題3：小德堅持自己的結(jié)論，但小妮則認為他的結(jié)論太草率。她說：“在接受這個結(jié)論之前，你必須確定在大氣層內(nèi)其他會影響溫室效應的因素維持不變?！闭垖懗鲂∧菟傅钠渲幸粋€因素。

這道題由淺到深地測評了學生的證據(jù)意識和能力。問題1測評學生能否基于證據(jù)得出結(jié)論，需要學生同時利用兩張曲線圖所呈現(xiàn)的信息;問題2測評學生能否找到與結(jié)論相矛盾的數(shù)據(jù)，需要學生識別出曲線圖中不利于結(jié)論的那部分證據(jù);問題3測評學生“科學地解釋現(xiàn)象”的能力，需要學生分析得出影響溫室效應的其他因素。同時，本題試圖向?qū)W生傳遞這樣一種信息：基于證據(jù)得出的結(jié)論有可能是錯誤的;只選擇支持自己結(jié)論的證據(jù)，而忽略那些看上去不利于自己結(jié)論或者偏差較大的證據(jù)，不應該是一個具備科學素養(yǎng)的人的做法。

二、對小學科學探究活動設計的啟示

（一）引入STE（A）M理念，體現(xiàn)科學探究活動的學科整合性

科學探究天生就具有多學科整合的特征。比如美國的科學教育與數(shù)學、技術(shù)等學科歷來是緊密相連的，從最早的STS課程到當下的STE（A）M課程，多學科整合始終占據(jù)著美國科學教育改革的最前沿。在具體實踐過程中，STE（A）M也被理解為一種課程實施理念、策略，其實質(zhì)是為學生提供一種動手做的課程體驗，讓他們用所學到的科學、數(shù)學知識來應對具體的現(xiàn)實問題。

STE（A）M學習從“明確的結(jié)果”和“模糊的任務”兩個維度對科學探究活動進行了頂層設計。所謂“明確的結(jié)果”，是指指向一個可測量的、有明確定義的結(jié)果，確保學生能夠?qū)δ繕擞写_定的展望，如用指定的材料搭建符合特定技術(shù)參數(shù)要求的塔臺。所謂“模糊的任務”，是指對任務的定義比較模糊，學生可以采用多種方法來解決所遇到的問題，如在建造前可以廣泛搜集各種世界知名建筑物的資料，來決定塔臺采用何種外形、部件之間如何連接、怎樣檢測它的牢固度等等?！澳：娜蝿铡辈⒉槐硎窘處煙o所作為，缺乏設計;恰恰相反，它要求教師能夠通過設計，引領(lǐng)學生掌握高階思維技能、問題解決能力以及更多的學習內(nèi)容。

基于這樣的理念，教師在設計科學探究活動時，既要充分考慮探究問題的難易程度和學生對相關(guān)知識的掌握程度，也要充分考慮教學輔助材料的豐富程度以及探究時間的充分程度等多方面因素。

（二）采用生活化問題，體現(xiàn)科學探究活動的任務情境性

目前，大一統(tǒng)的教材與教材本身知識結(jié)構(gòu)的邏輯性特點、因顧及知識的準確性和反復可驗證性而不得不滯后的特點，導致我們的教材很難呈現(xiàn)時效性較強的，與學生個人生活、家庭生活、社會生活密切相關(guān)的學習內(nèi)容。這種狀況直接導致基于科學問題的科學探究活動占據(jù)了科學課堂的大部分時間，教師只關(guān)注讓學生獲得最終的科學結(jié)論，而不會讓他們在結(jié)合自己原有生活經(jīng)歷和情境體驗的基礎上思考這些科學結(jié)論，或者說不會讓他們在現(xiàn)實生活中嘗試應用這些科學結(jié)論。

基于生活化問題的科學探究活動則有所不同，它倡導讓學生和生活進行親密的接觸——一方面學習現(xiàn)實生活中的科學，另一方面在現(xiàn)實情境中應用科學。其實，小學科學是一門與社會生活聯(lián)系非常密切的自然學科。在設計科學探究活動時，教師很容易找到與社會生活以及學生已有經(jīng)驗的交集?？梢越Y(jié)合具體的活動主題選取學生身邊的各種常見物體和材料做實驗器材，如氣球、皮筋、磁鐵、光盤等;也可以提取生活中與科學有關(guān)的現(xiàn)象、事件、新聞和電影等做活動主題;還可以設置與社會、環(huán)境相關(guān)的科學內(nèi)容，如火山噴發(fā)、污水凈化、溫室效應等。

值得一提的是，科學探究活動的任務情境化也有利于活動的順利開展。比如在研究影響降落傘下降快慢的因素時，就可以創(chuàng)設一個為神舟飛船設計緩降裝置的情境性任務，用雞蛋落地來模擬飛船著陸。

（三）采集數(shù)據(jù)化現(xiàn)象，體現(xiàn)科學探究活動的證據(jù)有效性

傳統(tǒng)的科學實驗往往需要學生具備一定的儀器操作技能，需要教師花費大量的時間和精力進行講解和訓練。若器材有缺損或?qū)W生操作技術(shù)不完善，則容易造成實驗數(shù)據(jù)失真和不完整，進而直接影響實驗數(shù)據(jù)的分析和實驗結(jié)論的得出，學生的探究熱情與嚴謹?shù)臄?shù)據(jù)意識也會大受挫折。在這種情形下，如何精確地獲取實驗數(shù)據(jù)往往決定了一次科學探究活動的成敗。

可以引入傳感器。借助一些數(shù)據(jù)采集器、傳感器和配套的電腦軟、硬件，一些傳統(tǒng)方法難以完成或無法完成的探究活動能夠順利進行。比如，對一個自然水域進行考察研究時，可以用 pH 傳感器研究水體的酸堿度，使水質(zhì)的研究能有實質(zhì)性深入，進而還可以研究酸雨的影響，甚至擴展到研究土壤酸堿度對植物生長的影響。實時的現(xiàn)象得到量化，長時間的數(shù)據(jù)采集變得更加準確和智能。

還可以借助虛擬技術(shù)。如“虛擬星空”技術(shù)能讓學生不受天氣、時間和地理環(huán)境的影響，隨時隨地對宇宙中的星座進行觀察;“虛擬物理實驗室”可以讓學生在安全、快捷的條件下進行電學、力學、機械等主題的研究性學習。

參考文獻：

[1] 陸璟.PISA測評的理論和實踐[M].上海：華東師范大學出版社，2013.

[2] 劉克文，李川.PISA2015科學素養(yǎng)測試內(nèi)容及特點[J].比較教育研究，2015（7）.

[3] 〔美〕羅伯特·M.卡普拉羅，等.基于項目的STEM學習：一種整合科學、技術(shù)、工程、數(shù)學的學習方式[M].王雪華，屈梅，譯.上海：上?？萍冀逃霭嫔?，2016.

[4] 仇麗君.PISA科學素養(yǎng)測評對小學科學教與學的啟示[J].中小學教材教學，2015（12）.