文∣胡振歡 許桂清 余耿華

《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱《課程標準》)中提到：高中物理課程應在義務教育的基礎上，進一步促進學生物理學科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成和發(fā)展[1]，并且相應地制定學業(yè)質(zhì)量標準，如學生學習高中物理各模塊后，參加合格性考試應達到水平2的等級，參加選擇性考試則應達到水平4的等級。

目前大多教師可以明確知曉物理學科素養(yǎng)內(nèi)涵，也能初步判斷某道試題所考查的核心素養(yǎng)要素，但是對于試題如何體現(xiàn)核心素養(yǎng)水平還是處于摸索階段，也難以通過題目檢測出學生的核心素養(yǎng)發(fā)展情況。筆者曾經(jīng)探索根據(jù)學業(yè)質(zhì)量標準細化具體知識目標的命題模式，文中結合5個水平等級，以在豎直方向的運動知識為載體，分別命制了5個題目，呈現(xiàn)水平與題目一一對應的關系。[2]這樣的命題模式具有良好的示范性，但是每次命題對每個知識點都要進行細化，工作量巨大，操作性不強。因此筆者進一步思考和摸索，借助一些理論，從試題分析的角度建立起科學思維素養(yǎng)水平的評價框架，幫助教師進行科學合理的試題分析和試題命制。

一、科學思維評價框架的構建依據(jù)

(一)《課程標準》中的科學思維素養(yǎng)水平

《課程標準》凝聚了物理學科的核心素養(yǎng)，并制定了從水平1到水平5的5個學業(yè)質(zhì)量標準。如科學思維素養(yǎng)的水平2描述如下：能在熟悉的問題情境中應用所學的常見的物理模型；能對比較簡單的物理現(xiàn)象進行分析和推理，獲得結論；能使用簡單和直接的證據(jù)表達自己的觀點；具有質(zhì)疑和創(chuàng)新的意識。水平4描述如下：能將實際問題中的對象和過程轉(zhuǎn)換成所學的物理模型，能對綜合性物理問題進行分析和推理，獲得結論并作出解釋；能恰當使用證據(jù)證明物理結論；能對已有結論提出有依據(jù)的質(zhì)疑，采用不同方式分析解決物理問題。[3]可以看出，水平4相對于水平2有了較多的要求和提升，從水平1到水平5實質(zhì)上對素養(yǎng)的掌握要求是層層遞進的。但是從試題分析和命制的角度看，一道試題如何體現(xiàn)科學思維中的具體水平，用以上學生表現(xiàn)為主的水平描述還是比較籠統(tǒng)的，因此應從試題角度把科學思維水平進一步細化，使得試題分析和命制更具科學性和操作性。

(二)SOLO理論

SOLO分類理論是由澳大利亞著名教育心理學教授彼格斯(John B.Biggs)在1982年首次提出的。該理論根據(jù)認知發(fā)展階段進行層級水平劃分的方式，對教育領域有著廣泛而深遠的影響。這些層級水平主要包括——前結構層次、單點結構層次、多點結構層次、關聯(lián)結構層次和抽象拓展層次，對于每一層級，彼格斯主要是通過能力、思維、一致性與收斂性以及回答結構四個維度來進行描述和界定的。[4]筆者借鑒SOLO理論，結合科學思維要素水平，從試題命制的角度對科學思維素養(yǎng)水平進行進一步細化、具體化，形成具體的評價框架。

二、科學思維評價框架的建立和試題開發(fā)流程

(一)構建科學思維評價框架

SOLO分類理論與學業(yè)質(zhì)量的分層評價具有內(nèi)涵一致性，用該理論指導學業(yè)質(zhì)量的分層評價具有積極的實踐意義。[5]但需要指出的是，SOLO理論提到的5個等級水平和核心素養(yǎng)的5個水平并不是一一對應的關系，如前結構水平認為“學生基本上無法理解問題和解決問題，只提供了一些邏輯混亂、沒有論據(jù)支撐的答案”，和科學思維素養(yǎng)中對水平1中針對科學推理要素所說的“能對常見的物理現(xiàn)象進行簡單分析”的要求是不一致的，水平1中的推理論證是要求學生已經(jīng)達到能簡單分析問題而非邏輯混亂的水平，因此在框架建立時，可把水平1和水平2都看作互相之間具有水平差異的單點結構層次，如水平2對應的是難度較高的單點結構水平。這樣處理后二者各個水平層級可以認為內(nèi)涵基本一致。

參考SOLO理論中對于不同思維水平具體明確的操作性鑒定，結合《課程標準》中對于科學思維不同水平的經(jīng)驗型抽象描述，可對試題中所包含的科學思維水平進行判別和斷定?？茖W思維具體包含了模型建構、科學推理、科學論證和質(zhì)疑創(chuàng)新四個方面，由于大多時候科學推理和科學論證可以結合在一起，如在新的物理學科關鍵能力中提到的推理論證能力，也相當于把兩要素結合，因此在構建科學思維評價框架時，可以按照模型建構、推理論證和質(zhì)疑創(chuàng)新三個要素進行構建。以模型建構這個要素為例，水平2的題目應當對應較為熟練的單點結構水平，結合要素里面描述“能在熟悉的問題情境中應用所學的常見的物理模型”，因此題目對學生的要求應該較低，只涉及單一知識點，而且題目涉及的是最為常見簡單的物理模型，而水平4為“能將實際問題中的對象和過程轉(zhuǎn)換成物理模型”，學生應該具有關聯(lián)結構水平，也就是達到這個水平的學生應當可以進行遷移整合，水平要求應該是可以做出涉及兩個或者兩個以上知識點的題目，并且需要仔細閱讀題目抽取關鍵信息才能建構相關的物理模型，以此類推，逐一對科學思維要素對應的水平描述進行重新解構，可以得出更具有操作性的科學思維評價框架，如表1所示。

表1 科學思維評價框架

根據(jù)表1，一道題可以通過評價框架判斷其各個要素分別屬于哪個水平，若一道題三個要素水平層次不一樣時，則最高的要素水平即對應該題的最終水平，比如一道題通過框架對比模型建構要素對應水平1，推理論證要素對應水平3，質(zhì)疑創(chuàng)新要素對應水平2，則應認為該題的考查科學思維評價水平層次對應水平3。

(二)基于科學思維評價框架的試題開發(fā)流程

基于科學思維評價框架的試題開發(fā)流程可以劃分為三個階段。第一階段主要是依據(jù)課程標準、題目中科學思維要素、SOLO理論進行框架構建。第二階段是結合考核目標、評價框架，選擇合適的素材進行題目命制，如要考查力的平衡知識點對應的科學思維水平3，首先選擇合適的素材，然后在模型建構、推理論證和質(zhì)疑創(chuàng)新方面考慮命題，三個要素均要求不能超越水平3，但是至少有一方面達到水平3。經(jīng)過磨題定稿后，第三階段實施考試，對考試結果進行分析，對題目質(zhì)量進行評定，可以反過來思考完善物理觀念的評價框架。本文所創(chuàng)建的物理觀念評價框架經(jīng)過了多次的反饋完善而形成，旨在提供命題的新思路。開發(fā)流程如圖1所示[6]：

圖1 基于科學思維水平的試題開發(fā)流程圖

三、基于科學思維水平的命題實例

【例1】2022年5月15日是負責執(zhí)行中國第一次自主火星探測任務的“天問一號”探測器成功登陸火星一周年，一年來探測器重點關注火星上的石坑、火山、峽谷、干涸河床等典型地貌和地質(zhì)單元，并成功獲取其高分辨率影像。下面有關“天問一號”描述正確的是( )

A．“天問一號”從地球發(fā)射升空的時候速度很小，加速度也很小

B．研究探測器在火星表面運動的姿態(tài)時，可以將其看成質(zhì)點

C．研究“天問一號”飛往火星的運行軌道時，可以將其看成質(zhì)點

D．探測器靜止在火星表面時，其相對于太陽也是靜止的

科學思維考核目標：本題主要考查物理學科核心素養(yǎng)“科學思維”中的模型構建，題目只涉及常見知識點速度、加速度和質(zhì)點，每個選項對應最為簡單的物理模型。該題考查目標為核心素養(yǎng)中“科學思維”的水平2等級。

評價方案：學生能夠正確選擇C，表明其知道質(zhì)點這個模型，理解能看成質(zhì)點的條件，能夠從物理學的視角描述具體問題，其核心素養(yǎng)中“物理觀念”和“科學思維”達到水平2。

【例2】如圖2所示，兩個小孩提起一裝滿水的水桶并保持靜止，已知手臂對水桶拉力的方向均與豎直方向成30°，水和水桶總質(zhì)量為m，左邊小孩的質(zhì)量為M，重力加速度為g。求：

圖2

(1)小孩手臂受到水桶拉力的大?。?/p>

(2)左邊小孩所受地面支持力和摩擦力的大小。

科學思維考核目標：該題的情境是兩人共同提起一裝滿水的水桶，取材于新粵教版物理必修一的插圖，考查的是科學思維中的物理模型建構與科學推理。該題可采用整體法或者隔離法解題，具有一題多解的特點，但思路較容易聯(lián)想，難度達到了核心素養(yǎng)中“科學思維”的水平3等級。

評價方案：第(1)問主要考查學生能否構建出正確的物理模型進行受力分析，然后用三力平衡知識進行求解，能夠正確求解出第(1)問的學生，核心素養(yǎng)中的“科學思維”水平達到了水平2等級；第(2)問需要合理選擇研究對象，靈活運用隔離法或整體法進行分析和求解，能夠正確求解出第(2)問的學生，核心素養(yǎng)中的“科學思維”達到水平3等級。

【例3】如圖3所示，某科學小組進行一風洞模擬實驗，一個質(zhì)量為m的圓環(huán)套在一根固定的傾斜直桿上，直桿足夠長且與水平方向的夾角為θ，環(huán)與桿的動摩擦因數(shù)為μ(μ

圖3

(1)釋放瞬間圓環(huán)的加速度大小；

(2)圓環(huán)最大加速度和該時刻對應的速度；

(3)圓環(huán)最大速度。

科學思維考核目標：該題以圓環(huán)套在固定的傾斜直桿上的運動為情境，在圓環(huán)受到變力、多過程的運動中，考查學生對“物理觀念”中的運動和相互作用觀的理解以及“科學思維”中的科學推理、科學論證。該題涉及變加速、力的平衡知識點，需要仔細閱讀題目抽取關鍵信息才能建構相關的物理模型，并且要推理出速度變化導致力度變化和加速度變化的具體關系，難度較大，達到了“科學思維”的水平4等級。

評價方案：能正確解答第(1)問的學生，能在常見的模型中，運用牛頓第二定律對比較簡單的狀態(tài)進行分析和求解，核心素養(yǎng)達到水平2等級；能正確解答第(2)、第(3)問的學生，具有清晰的運動和相互作用觀念，能綜合應用所學知識，對復雜的運動過程進行正確的分析和推理論證，核心素養(yǎng)達到水平4等級。

四、基于科學思維水平的試題開發(fā)注意事項

(一)應靈活變換試題組成要素達到考核目標

一道試題考查學生的科學思維等級水平，可以借助設問或者調(diào)整題目具體創(chuàng)設情境來提高等級或者降低等級，以達到需要的考核目標。以例3為例，如果要把題目水平降低，則可以設置為斜面，然后F力改為垂直斜面向下，題目考查水平等級就相應降為水平3；如果要把考核水平升高，則可以對要素進行變換，使圓環(huán)帶電，桿為絕緣桿，然后在垂直于紙面的勻強磁場中自由釋放，再加上平行于斜面的電場，不給電場大小和方向，引入討論內(nèi)容，則題目可以達到水平5的考核等級。

另外，一道試題不可能只考查科學思維水平，還會涉及物理觀念等其他素養(yǎng)，要使測試試題更為科學，應該制定雙向細目表，使得試題設置和組卷更為合理。

(二)考查學生的科學思維水平等級應該綜合科學判斷

為科學判斷學生的素養(yǎng)達成水平，應該引入學生素養(yǎng)達成度的概念。比如面對某知識點的科學思維水平4的題目，學生做出具體解答，但不能就妄斷學生達到科學思維水平4的學業(yè)質(zhì)量等級，因為同一個學生面對其他科學思維水平4的題目有可能解答不出，甚至面對同一個知識點別的科學思維水平4的題目，由于情境設置、信息設置不一樣，也有可能解答不出。所以對學生的整卷分析應該引入學生素養(yǎng)達成度的概念，采用百分比的形式呈現(xiàn)，就像我們說一個學生拿到70分，可以基本認為他掌握了70%的內(nèi)容，同理班級的得分也可以判斷該班級科學思維水平4的達成度，這樣會顯得比較科學合理。

(三)測評時盡量采用解答題

要考查學生的素養(yǎng)水平，具有過程呈現(xiàn)的解答題更具優(yōu)勢，選擇題看不到學生的具體作答過程，學生作答具有一定的偶然性，因此適當增加計算題或者問答題的比例，試卷效度更高。而且計算題可以設置梯度，素養(yǎng)等級可以通過從淺到深的問題進行考查，如本文中的例2和例3試題，學生做出第(1)問，可以認為達到科學思維水平2等級，能繼續(xù)順利作答后面的問題則對應達到水平3或者水平4的更高等級，這使得測試情況更為精準；具體作答情況也可以幫助教師更加準確地判斷學生做題的素養(yǎng)水平，比如例2第(2)問中學生可以靈活應用整體法、隔離法解答問題，列式表達也無誤，但是最后結果出現(xiàn)一點運算偏差，導致結果錯誤，也應該判斷該生應對本題時達到科學思維素養(yǎng)水平3的等級。