考查科学思维的理科考试命题策略探讨

ljalang

考查科学思维的理科考试命题策略探讨
摘要：培养学生的科学思维是科学教育的重要目标，运用科学思维的方式思考和解决问题也是对具有科学素养的人的基本要求。在理科的纸笔评价中，可以利用科技论文、科学史和故事线索等策略编制题目，考查学生的科学思维。
关键词：科学教育测评；科学思维；命题策略

　　在科学的发展历程中，人们不断通过观察和实验对各种自然现象进行研究。科学研究人员的思维范式将引导他们开展研究工作，其成果使科学得以发展和进步，这种思维范式就是常说的科学思维。在科学教育中，培养学生的科学思维最终指向于培养具有科学素养的公民，这是当今世界各国科学教育的共识。
1科学思维的内涵及构成要素
　　科学思维是具有意识的人脑对自然界中事物（包括对象、过程、现象、事实等）的本质属性、内在规律及自然界中事物间的联系和相互关系的间接的、概括的和能动的反映。它是一套策略性和元策略性的认知活动过程，其目标最终指向于新知识的获得。科学思维主要包含三个要素：对实验方法的理解，解释数据的能力，以及对科学知识的理解。
　　在已有研究中，通常将科学推理与科学思维二者等同起来。但从认知的角度来分析，二者有一定的区别。科学推理是一种特定类型的论证活动，并不是日常生活经验的组成部分。具体来说，科学推理是协调理论或信念、假设和相应证据的过程。其中，理论是指对特定情境的认知表征（cognitive representation）。如果信念经检核已经具备了正确的可能性，那么就会成为假设。证据是指通过对某一情境和系统的实证观察而收集到的信息[6]。一旦有了证据，就可以检验假设的真伪。如果证据与个人头脑中的理论或信念相悖，那么科学思维和推理也就变得尤为重要。在科学推理的过程中，涉及归纳、测量、实验、推断、预测、概括等能力。正确的思维方式能够引导认知系统的改变和适应，进而使个体形成科学的理解，这正是科学思维和推理的重要结果形式。由此可以看出，科学推理在科学思维中占据核心的地位。
　　在新知识的产生过程中，涉及假设空间和实验空间的双重搜索，以及对证据的评估，接受、拒绝或修正当前假设，从而产生新知识。这些环节并不是单向进行的，而是具有复杂性和循环性。
　　基于以上分析，可以用图1展示科学思维各要素之间的逻辑关系，其中科学推理部分的圆形图示表示复杂的循环往复过程。

２科学思维的地位和价值
2.1　培养学生的科学思维是理科课程的重要目标
　　基础教育阶段的理科课程都强调课程的理科属性，将“倡导探究性学习”作为重要的课程理念，期望学生体验科学探究过程，学习科学研究的基本方法，养成良好的思维习惯，并能运用相关的科学知识和科学探究方法解决一些问题。特别是在科学探究能力的目标部分，强调学生要能够作出假设和预期，设计可行的实验方案，实施实验方案，收集证据，利用恰当的方法解释数据，并根据证据作出合理的判断，这些能力都是科学思维的重要组成部分。因此，科学思维始终贯穿于科学探究过程的各个环节，如果没有科学思维的支撑，科学探究将失去方向，而没有科学探究的过程，科学思维也将失去根据和实践价值，二者密不可分。
　　此外，课程还要求学生学会运用观察、实验、查阅资料等多种手段获取信息，并运用比较、分类、归纳、概括等方法对信息进行加工，其中，获取的信息就是证据，而信息加工过程是科学推理和科学思维的重要形式。由此可以看出，基础教育阶段的理科课程都十分重视对学生科学思维的培养，将其作为课程目标的核心组成部分。

ljalang

2.2　科学思维有助于学生理解科学的本质
　　通过科学探究，学生可以体验到科学是基于实证证据的，这些证据来自于观察和实验等多种不同的途径；对证据的解读，有助于提出关于自然现象的推论。此外，由于不同人员的背景知识和理论观点不同，解读证据的方式也不同，因此得出的推论也会有所差异，这个过程体现了科学的主观性。在设计研究方案和解读数据的过程中，还会涉及科学创造力和想象力。一旦科学研究有了足够的证据，就能够产生新知识，从而证实或证伪原有假设，特别是在否定原有假设时，可以使学生体会到科学知识是暂定的，会随着新的研究证据而发生改变。以上这些方面都是科学本质的重要体现。由于科学知识是伴随科学研究而产生和不断发展的，科学思维又是科学研究的核心要素，因此在探究过程中，引导学生不断反思科学研究的过程，有助于学生科学思维的发展，进而促进学生对科学本质的理解。
2.3　科学思维是具备科学素养的人的重要特质
　　科学思维不仅仅是学校科学教育的重要目标和内容，同时也对一个人的工作和生活产生重要影响。例如在面对转基因这一社会性科学议题时，需要运用科学思维的范式，提取个人头脑中关于转基因的相关科学知识（原理），搜集关于转基因研究的信息（证据），对当前各种媒体中的观点进行批判性分析（科学推理），从而形成个人观点或作出个人决策。在这一过程中，科学思维起着至关重要的作用。但是，如果在面对这类问题时，没有科学思维的习惯，通常只是凭感觉作出个人决策，而这种决策过程中理性思维的成分很少，自然也就无法体现出科学素养的特质。因此，作为具有科学素养的公民，在工作和生活中都要养成运用科学思维的习惯，进行公众和个人决策。

３考查科学思维的理科考试命题策略
　　命制高质量的试题是考试效度的重要保证。在命制考查学生科学思维的试题时，选择什么材料作为命题素材？题干中包含哪些信息？这些信息通过何种方式来呈现？这些问题是命题者必须认真思考的核心问题，也是命题的核心技术所在。
　　国际大型测评项目NAEP（National Assessment of Educational Progress）研究发现，与回答不包含情境的题目相比，学生回答具有特定情境的题目时，不专注率和漏答率都明显降低。因此，题干中的真实情境能够提升学生的动机和参与作答。
　　构成题干的真实情境主要包括以下要素：情境中的事件应该是真实发生或者能够发生的，基于该情境的设问也能够在现实生活中找到，题干中提供的信息或数据应该能够实现。基于这一标准，结合科学思维的内涵，可以选择研究性的科研成果作为考查科学思维的命题素材。符合这一要求的素材来源包括正式发表的科技论文成果、科学史素材、尚未发表的实验室研究数据等。
3.1　基于科技论文素材的命题策略
　　当前考查科学思维的高考试题中，大都选择科技论文作为命题素材。一方面，正式发表的科技论文能够保证情境的真实性和科学性，又能体现学科发展的前沿性。另一方面，科技论文中的相关数据和图表是基于真实研究而得到的，满足上面提到的情境要素标准。
　　在利用科技论文作为素材命题时，应呈现必要的信息，紧扣考查科学思维这一核心任务，注重科学知识和科学思维的有机整合，从而达到评价目标。此外，在命题时，还应充分挖掘科技论文素材的教育价值，渗透情感态度价值观教育，例如使学生关注科学、技术、社会之间的关系，理解数学模型对于科学研究的重要价值等。
　　例1（2015年北京高考理综卷第3题）：
　　流式细胞仪可根据细胞中DNA含量的不同对细胞分别计数。研究者用某抗癌物处理体外培养的癌细胞。24小时后用流式细胞仪检测，结果如图2。

ljalang

　　对检测结果的分析不正确的是（ ）
　　A. b峰中细胞的DNA含量是a峰中的2倍
　　B. a峰和b峰之间的细胞正进行DNA复制
　　C. 处于分裂期的细胞均被计数在a峰中
　　D. 此抗癌药物抑制了癌细胞DNA的复制
　　该题主要考查学生运用细胞有丝分裂的相关知识解读数据的能力。首先要读懂图形所蕴含的原理，例如峰值及其个数的含义分别是什么，然后与所学的有丝分裂的知识进行匹配，从而形成个人的判断，这就是解读数据的过程，是科学思维的重要组成要素。
　　从题干的情境设计来看，癌症是当今影响人类健康的主要疾病之一，是人们关注的话题，而抗癌药物的研发也是科学家重点攻克的课题。情境选题来源于生活实际，能够引起学生的兴趣。
　　题干中所提供的数据是实际研究的结果，具有真实性，而不是理想化的模型。这可以帮助学生理解真实的实验结果，有利于他们结合已有知识解读这些数据，在基于真实的研究情境中展示科学思维过程。此外，题干的情境中还涉及流式细胞仪，反映了学科发展的前沿，有助于学生理解技术可以促进生物学研究的发展。
3.2　基于科学史素材的命题策略
　　科学史是指研究和理解自然界的结构和功能的发展历史，是真实发生的事件。在科学教育中融入科学史具有多重作用，例如帮助学生理解科学本质，发展学生的科学思维，促进学生的概念转变和知识建构等。鉴于科学史的真实情境及其教育价值，可以借鉴科学研究的历程，作为命题素材考查学生的科学思维。
　　在运用科学史作为命题素材考查学生的科学思维时，与运用科技论文作为素材的命题技术具有相通之处，但要求又不完全相同。科技论文主要来源于科技期刊，通常不是科学发展过程中里程碑式的成果，对于中学生来讲，这些素材相对陌生，具有新颖性的特点。而科学史素材大都属于科学发展过程中里程碑式的成果，通常会出现在教科书中，学生较为熟悉，因此选用这些素材命题考查学生的科学思维时，应注重对素材的进一步加工，充分挖掘其科学研究过程中的科学思维路径。
　　在这种考查方式中，学生阅读题干时的第一感觉是对材料很熟悉，避免了陌生情境对分析材料和厘清分析路径的干扰，能够将科学思维更真实地展示出来。当前高考试题中开始出现了利用科学史素材命制考查科学思维的题目。
　　例2（节选自2010年北京高考理综卷第30题）：
　　科学家以大肠杆菌为实验对象，运用同位素示踪技术及密度梯度离心方法进行了DNA复制方式的探索实验，实验内容及结果见表1。　　
（1）综合分析DNA离心结果，第___组结果对得到结论起到了关键作用，但需把它与第___组和第___组的结果进行比较，才能确定DNA分子的复制方式。
　　（2）若在同等条件下将子Ⅱ代继续培养，子n代DNA离心的结果是：密度带的数量和位置是___，放射性强度发生变化的是___带。　　
该题主要考查了学生运用DNA复制方式的知识。通过分析实验方案和数据，进行科学推理和预测的能力，属于考查科学思维的典型题目。学生首先要理解实验方案，然后比较各组实验的不同之处，通过综合分析，结合关于DNA双螺旋结构和复制方式的知识进行推理，并最终得出结论。

ljalang

　　从题干的素材来看，与教科书中“1958年科学家以大肠杆菌为实验材料研究DNA的半保留复制”科学史材料类似，但又不完全相同。题目的情境素材源于科学史材料，并进一步从解决问题的角度设计了四组实验，将实验设计思路有机地融入到情境之中。虽然科学史上并未开展这四组研究，但是实验思路与科学家当初的研究思路基本一致。这类题目可以反映命题人员对科学史材料和科学思维的把握，以及运用科学思维改造科学史素材的命题技术，这对命题人员来说是一个很大的挑战。
　　此外，从情境的真实性角度来看，这四组实验的结果在科学史上都已得到证实，是能够真实发生的实验结果，符合情境真实性的选材原则。
3.3　基于“故事线索”的命题策略
　　在科学教育中，“故事线索”主要作为一种教学策略而出现的，它能激发学生的学习兴趣，将课堂教学与现实生活联系起来，故事情节能够将科学内容有机地整合在一起，形成连贯、逻辑严密的概念结构。但是，在实际教学中不能仅仅注重故事情节的编排，而忽略故事情节与科学概念有机的整合。研究显示，利用“故事线索”教学策略能提高学生的科学学业成就水平。
　　在考查科学思维的纸笔评价中，也可以利用“故事线索”策略呈现试题情境。在这里，故事的主旨不是讲故事，而是通过类似讲故事的方式展示一项完整的科学研究过程，有利于学生分析问题时科学思维的连贯性。在命题时，故事线索更多的是展示科学研究过程背后的科学思维，并不一定都要呈现研究结果。例如，在研究某个问题时，可以展示出研究人员关于该问题的几种假设，然后通过实验获得部分数据，从而作为证据证实和证伪某一项或几项假设。如果该阶段尚不能证实某项假设是唯一正确的假设，则还需要进行更多的实验，最终获得问题的答案。由此可以看出，这样的故事线索展示的正是科学思维的重要方式，能够有效地考查学生的科学思维。
　　通过“故事线索”策略命题，通常有两种思路。第一种是当前的各种大型考试中的主流命题思路，即提供实验研究的目的和结果，让学生基于科学概念或原理分析数据，主要考查数据解释能力。这种命题策略注重考查学生单纯地分析实验数据和原理的能力，而忽略了通过科学研究解决问题的科学思维的考查。第二种命题思路则是按照科学研究的流程展示“故事情节”，重点要让学生理解科学研究的方法和科学本质，例如让学生理解科学研究过程中通常涉及对研究问题作出多个可能的假设，然后通过多重实验寻找证据，证实或证伪某项假设，最终解决问题，从而形成对自然界的新认识，即产生新的科学知识。这两种命题策略对考查学生的科学思维各有侧重，在实际的命题工作中，应根据评价目标选择恰当的命题策略。
　　例3（改编自2015年北京西城区高三一模理综卷第30题）：
　　出芽酵母的生活史如图3所示，其野生型基因发生突变后，表现为突变型（图4）。研究发现该突变型酵母（单倍体）中有少量又回复为野生型表现型。
　　科学家在研究突变型酵母回复为野生型表现型这一现象时，提出了两种假设。
　　假设一：a基因又突变回A基因。
　　假设二：a基因未发生突变，编码能携带谷氨酰胺的tRNA的基因B突变为b基因（a、b基因位于非同源染色体上）。在a基因表达过程中，b基因的表达产物携带的氨基酸为谷氨酰胺，使a基因指导合成出完整的、有功能的蛋白质。
　　为检验以上假设是否成立，研究者将回复后的单倍体野生型酵母与原始单倍体野生型酵母进行杂交，获取二倍体个体（F1），培养F1，使其减数分裂产生大量单倍体后代，检测并统计这些单倍体的表现型。　　（1）若F1 的单倍体子代表现型及其比例为___，则假设一成立。

ljalang

（2）若F1 的单倍体子代表现型及其比例为___，则假设二成立。
　　该题以出芽酵母的回复突变作为素材，用故事线索的方式呈现对这一现象的研究过程，提出了两种假设，并通过实验收集证据，验证哪个假设成立。这个题目的命题思路属于“故事线索”命题策略中的第二种，故事的主线非常突出，通过科学研究解决问题并获得新知识的历程。在“故事”的呈现方面，充分整合了关于遗传中心法则、基因的分离与自由组合定律等重要科学概念。学生只有在掌握了这些重要概念的基础上，才能通过科学推理过程，预测出相应的实验结果，从而证实或证伪某项假设。这种题型一方面考查了学生的科学概念掌握情况和科学思维的水平，另一方面有助于学生理解科学的本质。
４启示与建议
　　在科学教育中，对学生科学思维水平的评价是一项必要的工作。对于纸笔评价来讲，需要综合运用各种试题编写的策略，同时结合上面谈到的基于科技论文、科学史和“故事线索”等策略，根据评价的目的，命制高质量的纸笔评价题目，从而更加有效地考查学生的科学思维水平。
　　在素材的选择方面，当前较为流行的做法是搜集各种科技期刊中最新的研究论文，以此作为素材编制题目，考查学生的科学思维。素材的新颖与否只是影响试题质量的一个方面，更重要的是要判断素材能否为评价目标提供服务。在没有最新研究论文作为命题素材时，还可以对已有素材进行再加工，从而挖掘其命题点，以更好地为达成评价目标提供支撑，在“基于科学史素材命题策略”部分的例题就是一个很好的例证。
　　对于命题工作者，应充分挖掘素材所涉及的科学原理和概念，更要深入挖掘相关素材中的科学研究方法和科学思维路径，然后通过“故事线索”等策略来有效地组织和编排有关素材和设问，凸显科学思维这一核心，其他方面都要为考查目标服务，从而更有效地考查学生的科学思维水平。