史加祥 上海市金山區(qū)教育學院

《義務教育小學科學課程標準（2017 版）》指出，小學科學教育教學除了科學知識與概念的教授之外，還需要提升學生問題提出、收集與處理信息、分析與解決問題的能力等。學生能力的發(fā)展需要發(fā)揮課堂主陣地作用，同時需要改革評價指向。研究基于TIMSS針對小學科學測評的試題與數(shù)據(jù)，對區(qū)域小學四年級學生的“科學應用”能力進行了調查，結果顯示區(qū)域學生整體表現(xiàn)較好，但學校、學生之間的差異較大，在“科學應用”發(fā)展要求上的表現(xiàn)也存在一定差異。區(qū)域調查研究顯示，需要進一步加強科學課堂教學研究，激發(fā)深度學習發(fā)生，促進學生科學課程核心素養(yǎng)發(fā)展。

PISA（Program for International Student Assessment，國際學生評價項目）和TIMSS（The Trends in International Mathematics and Science Study，國際數(shù)學與科學教育趨勢研究）是目前比較成熟的國際測評項目。PISA 主要針對初中學生的科學、數(shù)學、閱讀等進行評價，中國部分省市參與測評并取得了優(yōu)異的成績。TIMSS 除了針對初中生之外還面對小學四年級學生，主要評價數(shù)學、科學。本研究主要利用TIMSS試題對區(qū)域小學四年級學生的科學表現(xiàn)進行測評，并在國際數(shù)據(jù)比較中啟發(fā)小學科學課程教學。

一、“科學應用”測評組成梳理與分析

PISA 對學生科學素養(yǎng)的測評由知識類型和能力標準組成，其中知識類型包括內容性知識、程序性知識和認知性知識，能力則由科學地解釋現(xiàn)象、評價和設計科學探究、科學地解釋數(shù)據(jù)和證據(jù)組成。能力評價要求針對15 歲學生能完成的科學實踐活動，整體要求較高，對小學“科學應用”評價有一定的啟示與借鑒。英國在新課程標準發(fā)布之后，建構了針對小學高年級KS2（Key stage 2）的測評框架，評價主要從內容與認知兩個維度展開，內容維度主要是生物、化學與物理三大模塊，認知維度包括知道與理解、應用與分析、綜合與評價，具體要求見表1。

表1 英國小學科學“認知維度”發(fā)展要求

TIMSS 與英國小學科學的測評有著相似之處，雖然TIMSS 對小學科學測評框架一直進行修正與調整，測評的內容維度包括生命、物質和地球科學三大領域，認知維度主要包括知道、應用與推理，占比分別為40%、40%、20%，具體要求見表2。

表2 TIMSS科學“認知維度”發(fā)展要求

“科學應用”作為“認知維度”的中間層級，主要是評價學生在熟悉的科學與問題情境中應用科學知識、事實、關系、過程、概念和方法解決科學問題的能力。在學生科學認知能力發(fā)展層級中，“科學應用”位于中間，起到了承上啟下的過渡作用，對區(qū)域學生“科學應用”水平的了解有利于整體把握學生科學學習的發(fā)展情況，并以此為基礎進行課堂教學的實踐。

二、“科學應用”領域調查對象與方法

研究對象選擇了四年級學生，采取抽樣10%的方式確定了最終參與調查的704名學生，在剔除0值之后，有效樣本692份。

調查采用試卷測評的方式進行，試題來自2011 年和2015 年TIMSS 科學題庫，對照四年級科學教材的內容分布，對題目進行了篩選，最終確定了18 道測評題，所屬要求內容領域和“科學應用”的具體要求見表3。

表3 區(qū)域小學生“科學應用”測評試題分布情況

從試題分布可以看出，生命科學內容試題占比較大，在認知維度中，“信息詮釋”和“解釋”的試題占比較大。試題全部為選擇題，測評采用集中到點上學校答題的方式進行，利用信息技術自動批閱與匯總，每道題目記1分，最高得分18分。

三、區(qū)域學生“科學應用”認知能力表現(xiàn)

研究利用SPSS 軟件對數(shù)據(jù)進行分析，從區(qū)域整體到學生具體表現(xiàn)進行總結與提煉。

（一）“科學應用”認知能力的整體表現(xiàn)

在對數(shù)據(jù)進行描述性分析之后可以看出，學生最低得分為3分，得分率為17%，最高得分為17分，得分率為94%，平均得分為11.169分，得分率為62%。

表4 “科學應用”整體表現(xiàn)描述性分析

在對得分進行分析之后可以看出，得分比較高的是10 分、11 分、12 分、13 分，總占比超過50%，絕大部分學生的“科學應用”認知能力水平接近平均值。研究對參與調查學校與學生總分表現(xiàn)進行方差分析，結果顯示不同學校在學生總體總分表現(xiàn)上呈現(xiàn)出顯著性（p<0.05）的差異。

表5 學校與學生總分表現(xiàn)的方差分析

對方差進行深入分析，使用偏Eta 方來表示差異的大小，學校與學生總分表現(xiàn)之間的偏Eta方為0.09，處于差異中等（0.06）與大（0.14）之間，意味著各學校學生在“科學應用”認知水平表現(xiàn)上差異比較大。方差分析顯示性別與學生總分表現(xiàn)之間不會表現(xiàn)出顯著性差異，兩者之間不存在相關關系。

學校的平均值與區(qū)域平均值分析比較，56%調研學?？偡志档陀趨^(qū)域均值，學校學生總分平均值最大為12.91（得分率72%），最小值為9.61（得分率53%）。從數(shù)據(jù)可以看出學生在“科學應用”的整體表現(xiàn)較好，但學校、學生之間的差異較大。

（二）“科學應用”認知能力的國際比較

在使用TIMSS試題進行翻譯、改編并進行調研的基礎上，研究還充分利用TIMSS 數(shù)據(jù)將18 道試題的區(qū)域與國際正確率進行比較。

18道試題中，區(qū)域學生正確率超過國際的有12題，部分試題正確率與國際相比差距較大，如第一題主要考查學生對動物分類知識的應用，國際平均正確率為40%，區(qū)域正確率為77%，超過國際70%的最高正確率。第十八題主要考查學生對磁性和對比實驗的理解應用，區(qū)域正確率為52%，超過26%的國際平均正確率，僅次于新加坡66%的正確率。從比較中可以看出，區(qū)域學生在對科學知識的簡單應用上表現(xiàn)較好，在需要對提供的信息進行解讀或者使用模型的試題上，區(qū)域學生在部分試題上的正確率低于國際平均正確率。

第七題考查學生能否應用所學對物體溫度變化進行分析，區(qū)域學生的正確率僅為19%，低于國際34%的平均正確率，與新加坡73%正確率差距更大。

第七題：把一個熱的煮熟的雞蛋放進一杯冷水里。水和雞蛋的溫度會怎樣變化？

A.水變冷了，蛋變熱了。

B.水變熱了，蛋變冷了。

C.水溫保持不變，雞蛋變冷了。

D.水和雞蛋都變熱了。

第十七題：下表顯示了兩種材料的特點：

關于材料1和材料2的陳述最有可能的是：（ ）

A.材料1是玻璃，材料2是粘土。

B.材料1是銅，材料2是木材。

C.材料1是鐵，材料2是糖。

D.材料1是軟木，材料2是黃金。

第十六和十七題主要考查學生對于提供信息的分析與解讀，區(qū)域學生的表現(xiàn)均低于國際平均正確率，需要在此方面進行更多關注與培養(yǎng)。在對不同試題所屬的具體應用維度進行分析，區(qū)域表現(xiàn)均高于國際平均水平，同時區(qū)域學生的正確率平均值均低于新加坡，尤其在“使用模型”“信息詮釋”和“解釋”上的差距較大。

在比較中可以發(fā)現(xiàn)區(qū)域“科學應用”的整體水平較高，但在具體應用水平上的發(fā)展不平衡，與其他國家之間還存在一定的差距。

（三）“科學應用”認知能力的具體分析

在整體分析和國際比較基礎上，對區(qū)域學生“科學應用”認知水平進行具體的分析。研究對五個具體發(fā)展要求與學校、性別之間的方差進行分析，結果顯示不同性別在五個具體發(fā)展要求的發(fā)展水平上不會表現(xiàn)出顯著性差異，而不同學校對于“信息詮釋”發(fā)展要求表現(xiàn)出一致性，對“比較分類”“聯(lián)系”“使用模型”“解釋”發(fā)展要求呈現(xiàn)出顯著性（p<0.05），有著差異性。差異最大的為“使用模型”，正確率最高的學校為64%，正確率最低的學校為37%。

在對五個具體發(fā)展要求進行描述性分析之后可以看出，區(qū)域學生在“比較分類”“聯(lián)系”發(fā)展要求表現(xiàn)較好，“使用模型”和“解釋”發(fā)展要求表現(xiàn)較弱。A 校在研究中整體表現(xiàn)較好，五個具體發(fā)展要求均高于區(qū)域平均值，相比B校的整體表現(xiàn)較弱，學校間的差異較為明顯。

在對區(qū)域學校梳理分析過程中發(fā)現(xiàn)，不同學校在五個具體要求中的發(fā)展是不平衡的，如C校在“使用模型”要求上的表現(xiàn)高于D 校和E 校，而在“比較分類”要求上的表現(xiàn)卻低于D校和E校。三所學校中，E校在“比較分類”要求上表現(xiàn)最好，在“解釋”要求上則表現(xiàn)最弱。

從具體的比較可以看出，不但學校間的發(fā)展存在差異，而且學校在不同發(fā)展要求上的發(fā)展也存在差異。

四、“科學應用”調查結果的啟示與思考

學生的能力現(xiàn)狀如何？基于現(xiàn)狀又如何改進課堂教學？調查與評價的主要目的是促進教學變革，為學生的發(fā)展提供可能。

（一）整體把握認知水平，激發(fā)深度學習的發(fā)生

“科學應用”能力的調查是了解學生認知水平的實踐活動，從調查中能夠對區(qū)域、學校和學生的認知水平整體把握，從而改進教學方式，激發(fā)深度學習的發(fā)生。課程改革促使小學科學課堂教學從“雙基”轉為“三維”目標，也逐漸關注學生科學課程核心素養(yǎng)的發(fā)展，課堂教學發(fā)生了較大的改變，然而只關注課內傳授，缺少知識的整體建構，缺少所學概念、知識在生活與情境中的應用。

要改變課堂教學中虛假學習和淺表學習的困境，科學教學需要向深度學習方向轉型，深度學習有著高興趣、高投入、持續(xù)深化與擴展延伸的特點，需要學生自主建構，不斷發(fā)展和應用元認知策略。

研究針對“科學應用”進行了調查，對于TIMSS測評中“知道”和“推理”的認知發(fā)展要求沒有涉及。學生真實學習過程具有緩慢復雜的特點，認識水平并不是線性發(fā)展，呈現(xiàn)出螺旋反復的動態(tài)變化，需要科學教學中整體把握和精心設計。對于教學目標和學生的認知水平劃分有著不同的觀點，布魯姆將學習目標分為知識、理解、應用、分析、綜合、評估，安德森在此基礎上將“知識”修改為“記憶”，原來的“評價”變?yōu)樾抻啺嬷械牡谖鍖哟?，第六層次修訂為“?chuàng)造”。六個層次都是從認知角度出發(fā)進行修訂并調整，與此同時將“知識”進行了更為詳細的劃分，包含事實性、概念性、程序性和元認知知識，將學習目標從單一維度轉變成雙維度，對教學與評價起到了借鑒與啟示。胡衛(wèi)平從科學課程核心素養(yǎng)角度將科學綜合能力理解為科學觀念與應用、科學思維與創(chuàng)新、科學探究與交流、科學態(tài)度與責任四個主要組成部分，四個部分在不同年級有著不同的發(fā)展要求，對學生科學學業(yè)水平的測評需要整體設計和綜合考量。

無論哪種理解觀點或層次劃分都可以看出學生認知水平具有多層次、復雜性的共同特征，不同的學生在科學課堂學習之后發(fā)展的能力和達到的水平也會存在較大的差別。在課堂教學中設計多種教學方式，提供豐富教學資源，給學生足夠探究體驗的時空，同時根據(jù)學生的年齡特征關注學生認知水平發(fā)展。區(qū)域有科學教師在科學教學中重點關注學生實驗設計能力的發(fā)展，從學生提出問題、作出假設，再到設計實驗方案、動手實驗、觀察記錄實驗現(xiàn)象、得出實驗結論，學生的科學思維能力得到不斷的訓練與提升，對科學實驗的認識與理解水平也會逐漸提升。有教師在高年級科學課堂教學中利用數(shù)字化實驗設備能快速得出較為準確與科學的數(shù)據(jù)，經(jīng)過持續(xù)的數(shù)據(jù)分析和提出問題，學生對數(shù)據(jù)的認知會逐步提升，認知水平也會得到發(fā)展。

（二）轉變課堂教學觀念，促進核心素養(yǎng)的落實

教師的“教”是為了學生的“學”，學生在科學課堂中除了獲得科學知識之外，還需要不斷提升科學認知能力，促進學生科學課程核心素養(yǎng)的發(fā)展。對于科學課程核心素養(yǎng)的理解，對教學和評價都有著非常重要的意義，科學課程核心素養(yǎng)是在不斷反思科學學科本質觀的基礎上，對科學學科育人價值進行反思與凝練，是在科學學習過程中學生逐漸形成的科學知識和觀念、科學思維方式和科學探究模式，是面對不確定、復雜現(xiàn)實生活情境時解決問題的綜合性能力。

教師教學觀念與課堂教學實踐對于科學課程核心素養(yǎng)的落實有著重要作用，絕大部分教師對于科學課程核心素養(yǎng)的認識與理解逐步提升，意識到科學課程獨特的價值和育人特點。然而，在教學實踐中高位理解和低位實施的現(xiàn)實依舊存在，教師對科學課程的認識和以此為基礎的教學實踐，在教師成長過程中持續(xù)積累與沉淀，逐漸形成了科學教師特有的性情傾向與行為方式。圍繞核心素養(yǎng)的教學需要教師走出已有的“舒適圈”，很多教師要么抵觸，要么迫于壓力做出一些表面的改變?？梢姡茖W課程核心素養(yǎng)的落實需要教師教學觀念的深度變革，在意識到核心素養(yǎng)的綜合性的同時改進教學方式，將教材文本和課程標準要求轉化為能促進學生深度理解的生活情境，讓學生將已有經(jīng)驗與科學知識進行聯(lián)系、應用與生成。

教師在觀念轉變的同時還需要改進課堂教學實踐、保證核心素養(yǎng)的落實，在教學設計時重視意義建構、情境化場域創(chuàng)設和學生綜合學習力發(fā)展，在課堂教學過程中讓學生成為課堂的主體。如科學教師在“熱空氣”一課的教學設計中融入了多種學習方式，如現(xiàn)象觀察、實驗探究、科學閱讀等，同時還提供了蠟燭、羽毛、保鮮袋、熱成像儀等多種活動材料，在教師的一步步引導下學生充分探究、積極思考，對“熱空氣”這一科學概念和特點有了充分的認識，同時學生動手實踐能力、觀察與總結歸納能力等也得到發(fā)展，還了解了人類對熱空氣研究的歷史過程。

科學課程核心素養(yǎng)的落實需要理解為先，更需要實踐為重，區(qū)域“科學應用”的調查為課堂教學中如何發(fā)展學生認知提供了借鑒與啟示。核心素養(yǎng)的落實可以采用“分”“合”“綜”等多種方式進行，教師需要同時轉變、改進教學觀念與課堂實踐，促進學生全面發(fā)展。

（三）加強影響因素研究，搭建全面發(fā)展的平臺

調查與研究獲得了學生的表現(xiàn)現(xiàn)實，對于影響學生認知能力發(fā)展的因素沒有深入探究，僅將性別作為因素進行了分析。學生學習過程會受到各種因素的影響，有研究發(fā)現(xiàn)，教師因素和教材因素對學生學習科學有著影響，科學興趣、自我效能、科學成績能產(chǎn)生積極影響。

科學測評的目的是“以評促建”“以評促教”“以評促發(fā)展”，結果的獲得是為了對影響因素的分析與把握，從而改進科學教學。對因素研究可以采用不同的方法，一是在測評的同時，通過問卷對其他因素進行調查并進行交叉分析，對課堂教學改進方向提供證據(jù)；二是選擇部分影響因素進行針對性研究，如學生提出問題與解決問題的能力，關注學生學習過程中的變化，結合各種評價方式，分析因素的影響程度和對教學的啟示。

無論是深度學習的發(fā)生，還是核心素養(yǎng)的落實都需要對學生學習過程和相關因素進行整體考量與研究，TIMSS 科學測評為形成具有區(qū)域特色的科學評價體系提供了借鑒，在此基礎上區(qū)域還將不斷探索其他方式評價，將過程性評價、綜合性評價和增值評價等方式結合，發(fā)揮評價的診斷性、動態(tài)性和綜合性特點，利用評價調控科學課堂教學，促進學生多樣、全面發(fā)展。

對“科學應用”的調查是區(qū)域構建科學評價體系的實踐嘗試，研究結果顯示了學生的認知表現(xiàn)，也對教學改進有一定的啟示意義，后續(xù)研究還會繼續(xù)借鑒TIMSS的評價框架、試題和相關數(shù)據(jù)開展評價變革研究，發(fā)揮評價導向與改進功能，真正促進學生科學課程核心素養(yǎng)的發(fā)展。