PISA科学评价对编制化学科学探究题的启迪

夏建华

摘要：PISA科学评价的理念对高考化学科学探究题的编制有着积极的启迪作用。本文简介了PISA命题的相关理念，以2014年安徽省高考理综28题为例，从试题情境设置、试题建构框架与分析（框架、题干和设问分析）、答案与赋分等方面分析了科学探究题的编制理念和方法，以期更好地促进高中化学试题命制的研究，提升高考命题对中学化学教学的引领和反拨功能。

关键词：PISA科学评价；科学探究题；析氢腐蚀；吸氧腐蚀

文章编号：1005–6629（2014）9–0065–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

科学探究是高中化学课程改革的核心内容，让学生通过探究学习化学是化学教学改革一道亮丽的风景线。考试与评价过程中以突出考查学生科学探究能力的试题称为科学探究题。安徽高考理综化学第28题是一道具有代表性的科学探究试题，也是试卷的亮点和压轴题，每年的难度都在0.4左右，区分度为0.5～0.6，试题的甄别功能显著。从高中化学课程标准和高考化学考试大纲角度来看，这道题的立意在于重现课堂中科学探究的实景，体现科学探究的基本过程和核心要素。试题融合了科学探究过程中发现问题、提出假设、设计实验、解释现象和结论、对结论或方案进行评价等要素，主要考查考生利用所学电化学知识获取信息的能力、分析问题解决问题的能力以及化学实验和探究能力。该题的设置主要借鉴了PISA科学评价的相关理念，着重考查学生的科学能力素养，其中以考查解释科学现象能力素养和科学举证能力素养为主要目标，考查的难度相似于PISA科学评价“等级6”的目标。该题对高中化学有效实施科学探究、改变学习方式有着积极的引领和反拨作用。

1 PISA科学评价的相关理念

PISA测试是由经济合作与发展组织1997年创立的国际学生评价项目，被视为检验各国教育体制和未来人才竞争能力的重要指标。PISA科学评价命题的以下相关理念[1]对我国高考命题有一定的借鉴和启迪作用。

1.1 重视情境设计

PISA科学评价的每道试题都有一个鲜活的情境，每个情境都是由应用领域和应用背景的二维坐标构成，其中应用领域主要涵盖健康、自然资源、环境、危险和先进科技等方面；应用背景主要涉及个人的、社会的和全球的等方面。这些源于生活的情境为学生运用知识、发挥能力提供了舞台，也体现了科学在促进人类社会进步和发展过程中的价值。

1.2 关注能力考查

PISA测试对科学能力素养的认识有独到的内涵，其界定如下：

1.2.1 形成科学问题的能力素养

透过科学研究辨识可能的问题；在科学信息当中发现研究的关键；在科学研究当中辨识主要特征。

1.2.2 解释科学现象的能力素养

在主题情境当中应用科学知识；科学地描述或解释现象并且预测改变；给予恰当的描述、解释与预测。

1.2.3 科学举证的能力素养

佐以科学证据建立与延伸出结论；发现在结论背后的假设、证据与论述；将科学应用于社会与技术的发展。

1.3 编制评价层级

PISA科学评价试题的答案多样化、开放性和分类给分借鉴了SOLO分类理论。这种“双位编码”设计，可以更好地给教师与学生反馈最佳的教学信息，体现了对不同思维水平学生的能力甄别。SOLO分类理论可用表1表示：

2 科学探究题示例——以安徽2014年高考第28题为例

某研究小组为探究弱酸性条件下铁发生电化学腐蚀类型的影响因素，将混合均匀的新制铁粉和碳粉置于锥形瓶底部，塞上瓶塞（如图1）。从胶头滴管中滴入几滴醋酸溶液，同时测量容器中的压强变化。

（2）编号①实验测得容器中压强随时间变化如图2。t2时，容器中压强明显小于起始压强，其原因是铁发生了 腐蚀，请在图3中用箭头标出发生该腐蚀时电子流动方向；此时，炭粉表面发生了 （填“氧化”或“还原”）反应，其电极反应式是 。

（3）该小组对图2中0～t1时压强变大的原因提出了如下假设，请你完成假设二：

假设一：发生析氢腐蚀产生了气体；

假设二： ；

……

（4）为验证假设一，某同学设计了检验收集的气体中是否含有H2的方案。请你再设计一个实验方案验证假设一，写出实验步骤和结论。

3 科学探究题分析——以安徽2014年高考第28题为例

3.1 创设有意义情境

试题的情境设置借鉴了PISA试题编制的理念，以金属的腐蚀为情境，围绕中学化学学习中遇到的实验开展一系列的科学探究。金属的腐蚀造成的损失超过了地球上各种灾害造成的损失总和，了解金属腐蚀的原因和寻求防止金属腐蚀的方法具有重要意义。以金属的腐蚀这个全球性关注的背景设置试题显示较高的试题立意。在学习金属腐蚀的过程中，教材把金属的腐蚀分为化学腐蚀（非电解质条件下）和电化学腐蚀（电解质条件下）两类，电化学腐蚀又分为吸氧腐蚀和析氢腐蚀。其中在酸性条件下主要发生析氢腐蚀，在水膜酸性很弱或者中性时主要发生吸氧腐蚀。但是在弱酸性条件下，是仅发生某类腐蚀，还是两类腐蚀同时发生，是一个值得深入探究的问题。试题的情境从某版本教材上铁发生电化学腐蚀探究实验入手，引导学生围绕情境设计对比实验，及时发现问题，对实验现象进行科学解释和科学举证。

3.2 参考PISA能力培养建构试题框架

试题建构框架如图4，其流程为：从一组对比实验设计到获取实验证据——压强随时间的变化曲线，从曲线分析引发出两个问题，分别让学生进行科学解释和科学举证。试题考查的知识目标和能力目标较全面，从高考考试大纲界定的能力角度来看，能力目标主要考查学生信息的接收和整合的能力、分析和解决化学问题能力、化学实验和探究能力。知识目标主要考查原电池和金属的电化学腐蚀知识。从PISA科学评价理念分析，试题考查的能力素养主要有：形成科学问题的能力素养（在科学信息当中发现研究的关键，在科学研究当中辨识主要特征）；解释科学现象的能力素养（在主题情境当中应用科学知识，科学地描述或解释现象并且预测改变）；科学举证的能力素养（发现在结论背后的假设，佐以科学证据建立结论）以及控制变量的科学方法。知识目标主要考查原电池和金属的电化学腐蚀知识及科学本质（科学探究和科学解释）。

3.2.1 形成科学问题的能力素养考查

第（1）小题主要考查学生运用控制变量思想设计实验的能力，试题给出了一个“为以下实验作参照”的实验，要求学生根据实验目的选择铁粉的用量、根据实验的数据逆推实验目的。从PISA科学评价理念来看，主要涉及形成科学问题的能力素养，要求学生在题给信息当中发现研究的关键（如实验目的和对照组的试剂用量），在科学研究当中辨识主要特征（控制变量）。

3.2.2 运用知识解释现象能力的考查

第（2）小题主要考查考生运用化学知识解释科学现象（压强随时间的变化曲线）的能力素养。试题包括四个递进式的问题，第1小问首先给出了实验测出的压强随时间的变化曲线，提出了问题：t2时，容器中压强明显小于起始压强，让考生分析其中的原因。考生运用学过的电化学知识可以判断：因为这里的化学变化均为放热反应，则压强减小不可能是反应热效应的结果，只能是容器内的气体发生了化学反应而减少，从而推断出一定发生了吸氧腐蚀。第2小问是确定了吸氧腐蚀后再要求考生画出电子流动方向，主要是考查考生在新情境下灵活运用学过的原电池知识分析问题、解决问题的能力。原电池形成条件是：有两个电极（铁粉和碳粉）、电解质溶液和闭合电路。铁作为负极失去电子，氧气在碳粉表面得到电子，电子在外电路的流向是从铁粉到碳粉，金属本身就是电子导体。考生在图3中画出电子从Fe流向C就可以。此问对考生思维的变通性要求较高，解题时思维要突破常规，将细细的导线拓展为整块金属导体。第3、4小问考查的是碳粉表面发生的电极反应，考生可以从原电池知识判断出碳粉作为正极，氧气在碳电极上得到电子，发生还原反应，其电极反应式为：2H2O+O2+4e-=4OH-（或4H++O2+4e-= 2H2O）。

3.2.3 科学举证能力的考查

第（3）小题主要考查考生针对曲线变化提出假设的科学举证能力。为探究0～t1时压强变大的原因。试题给出了假设一：发生析氢腐蚀产生了气体。要求考生写出假设二。此问题对考生的思维品质要求较高，提出假设的过程中要根据已有的知识进行推理，即恒容的密闭体系中，压强增大只可能有两个原因：一是增加了气体，如析氢腐蚀产生了氢气；二是温度升高，气体膨胀导致压强增大。而析氢和吸氧腐蚀都是放热反应，其中析氢腐蚀产生的氢气和放出的热量都能使压强增大；而吸氧腐蚀放出的热量和氧气的减少对压强的贡献取决于两者的相对强弱。考生可能给出的答案有：温度升高压强增大；发生析氢腐蚀放出热量；发生吸氧腐蚀放出热量；醋酸挥发；醋酸中的水挥发等。

辩证地认识吸氧腐蚀的发生与体系压强的变化关系对考生思维的要求较高。考生已经从第（2）题曲线上获取了信息：吸氧腐蚀的发生是导致容器内压强小于起始压强的唯一原因，但并不表明发生吸氧腐蚀时压强一定会减小。因为吸氧腐蚀是放热反应，而吸氧腐蚀过程中放出热量和减少氧气对压强的贡献一方面取决于两者的相对强弱，另一方面体系不是绝热体系，体系与环境的热交换也影响压强的大小。反应开始时，由于氧气浓度较大，吸氧腐蚀速率快，在短时间放出热量较多，导致体系温度升高较快，对压强增大的贡献相对较强。但随着反应的进行，吸氧腐蚀的速率变缓，且体系和外界环境进行热量交换导致体系的温度呈现下降，最后恢复至室温，故最终压强会减小。因此，吸氧腐蚀的开始阶段，放出的热量会导致体系的压强增大；随着反应的进行，氧气减少和温度降低使得体系压强明显小于起始压强。用数字实验测得的相关数据（如图5）也提供了相关证据。

第（4）小题主要考查考生设计实验验证假设的科学举证能力素养。试题给出信息：为验证假设一，某同学设计了检验收集的气体中是否含有H2的方案。该环节的目的是引导考生在此方案外设计出更多的创新方案，因为析氢腐蚀速率较慢，放出的H2少，通常很难用检验H2可燃性的方法验证（除H2传感器外）。但考生不具备这些知识和经验，可能会用检验反应产物的存在来验证反应的发生，从而首选这个方案。

要求考生设计实验方案验证假设一，主要考查考生信息的接收和整合的能力、运用已有知识和科学方法设计实验验证假设的能力。考生可能的解题思路如图6，解题时考生需要从试题中提取以下信息：这是一个已发生吸氧腐蚀、可能发生析氢腐蚀的混合体系。在该体系中，发生吸氧腐蚀时呈现的现象有：O2减少、放热、生成Fe2+和pH的增大。如果同时发生了析氢腐蚀，则必定伴随着放出H2、放热、生成Fe2+以及pH的增大。据此，要验证同时发生析氢腐蚀，只有生成H2是其独有的，而检验Fe2+等方案都不可行。此时，考生只能选择控制变量的方法将体系控制在无氧状况下，控制了吸氧腐蚀后只要在体系中检验到有H2产生、压强增大、温度升高、生成Fe2+或者pH增大都能证明发生了析氢腐蚀。

3.3 借鉴SOLO理论的赋分设计

笔者参考了PISA赋分和SOLO分类理论，对第（4）小题开放性设问提出了如下的赋分建议，以便让不同思维水平的学生都能得到合理的成绩，为学生创造性解决问题提供了舞台。部分开放性答案和评分建议如下。

第（4）小题：设计实验方案验证假设一。该设问可借鉴SOLO分类理论进行赋分（其中拓展抽象结构层次思维水平在这里没有发生），让不同思维水平的学生都能得到合理的分数。

零分（第一层次）：学生的思维处于前结构水平，解题时被无关信息和已有经验误导，无法理解和解决问题。设计的方案存在科学性问题或者无答。

部分得分（第二层次）：学生的思维处于单一结构水平，只能通过一个与问题相关的线索来建立问题和答案之间的联系。如根据实验目的，能根据发生析氢腐蚀时生成的物质（氢气、生成Fe2+）和产生的现象（温度升高、压强增大）来确定因变量，如选择检验Fe2+、测量pH的改变或测量温度变化等，但未能考虑到体系中同时伴随着吸氧腐蚀，两者的这些产物和现象是相同的。

部分得分（第三层次）：学生思维处于多元结构水平，能利用多个相互独立的线索和信息来连接问题与答案。该水平的学生在解题时能根据实验原理，考虑对照组，根据控制变量的思想确定自变量（影响因素），选择实验观测点获取因变量信息等。该层次考生解答如下：

解答1：选择醋酸的浓度作为自变量，用不同浓度的醋酸和编号①实验作对比实验（根据对照组设计试剂用量和实验装置），根据压强的变化判断假设一是否成立。

解答2：用NaCl溶液代替醋酸作对比实验，根据压强的变化判断假设一是否成立。

解答1和2方案存在的主要问题是没有将系统中同时发生的吸氧腐蚀关联起来考虑，虽然控制了自变量（醋酸的浓度），因变量会有不同的变化（析氢腐蚀发生的程度不同），但系统中存在的吸氧腐蚀也受酸的浓度的影响，导致这种一个自变量引发两种因变量改变的实验体系不能得出正确的结论。

解答3：将碳作为自变量，设计了用同浓度的醋酸和铁粉反应，根据是否有气泡产生判断假设一是否成立。

该方案也不完整，如果有气泡表明假设一成立；但如果短时间内没观察到气泡，不表示在有碳粉条件下也不会产生气泡，不能证明假设一不成立。

满分（第四层次）：学生思维水平处于关联水平，学生能够将问题情境下各个线索之间建立本质联系，使其成为一个有机整体；具体分析如图6及相关论述。除了题给的“控制在无氧条件下按编号①方案进行实验，测量压强变化”的设计方案外，以下两种方案也有创意[2]：

解答1：按图7所示装置，把铁粉、碳粉参照编号①实验用量混合均匀后放进注满90%醋酸溶液的试管中，静置观察，如果有液体从玻璃管上口溢出，试管口聚集少量气体，则发生了析氢腐蚀，假设一成立，否则假设一不成立。

解答2：将铁和碳放入90%的醋酸溶液中（控制在无氧状态下）组成原电池，若有电流产生，则假设一成立，否则不成立。

由此可见，关于这种以等级描述为特征的质性分类评价方法，较之传统的采点计分方法有着明显的优势。一是SOLO评价力求从学生的回答中分析出他能够达到哪一思维层次并赋予相应的分数，以提高试题的区分度；二是具有较强的操作性，很多化学问题都可以根据该方法进行思维层次划分，对编制化学试题，尤其是科学探究题有很强的借鉴作用；三是为检测学生的高级思维能力提供了一个切实可行的思路；四是对化学教学有一定的反拨功能，教师可以根据教学计划预先确定学生学习某一化学知识时要达到哪一思维层次，并按照循序渐进的方法逐步提高学生的思维水平。

参考文献：

[1] OECD.PISA2006 Science Competence for Tomorrows World Volumel-Analysis，2007：20～22，35～40，82～85，104～107.

[2]刘怀乐.对一道实验试题的再思考[J].化学教学，2011，（9）：76～77.

解答1：选择醋酸的浓度作为自变量，用不同浓度的醋酸和编号①实验作对比实验（根据对照组设计试剂用量和实验装置），根据压强的变化判断假设一是否成立。

解答2：用NaCl溶液代替醋酸作对比实验，根据压强的变化判断假设一是否成立。

解答1和2方案存在的主要问题是没有将系统中同时发生的吸氧腐蚀关联起来考虑，虽然控制了自变量（醋酸的浓度），因变量会有不同的变化（析氢腐蚀发生的程度不同），但系统中存在的吸氧腐蚀也受酸的浓度的影响，导致这种一个自变量引发两种因变量改变的实验体系不能得出正确的结论。

解答3：将碳作为自变量，设计了用同浓度的醋酸和铁粉反应，根据是否有气泡产生判断假设一是否成立。

该方案也不完整，如果有气泡表明假设一成立；但如果短时间内没观察到气泡，不表示在有碳粉条件下也不会产生气泡，不能证明假设一不成立。

满分（第四层次）：学生思维水平处于关联水平，学生能够将问题情境下各个线索之间建立本质联系，使其成为一个有机整体；具体分析如图6及相关论述。除了题给的“控制在无氧条件下按编号①方案进行实验，测量压强变化”的设计方案外，以下两种方案也有创意[2]：

解答1：按图7所示装置，把铁粉、碳粉参照编号①实验用量混合均匀后放进注满90%醋酸溶液的试管中，静置观察，如果有液体从玻璃管上口溢出，试管口聚集少量气体，则发生了析氢腐蚀，假设一成立，否则假设一不成立。

解答2：将铁和碳放入90%的醋酸溶液中（控制在无氧状态下）组成原电池，若有电流产生，则假设一成立，否则不成立。

由此可见，关于这种以等级描述为特征的质性分类评价方法，较之传统的采点计分方法有着明显的优势。一是SOLO评价力求从学生的回答中分析出他能够达到哪一思维层次并赋予相应的分数，以提高试题的区分度；二是具有较强的操作性，很多化学问题都可以根据该方法进行思维层次划分，对编制化学试题，尤其是科学探究题有很强的借鉴作用；三是为检测学生的高级思维能力提供了一个切实可行的思路；四是对化学教学有一定的反拨功能，教师可以根据教学计划预先确定学生学习某一化学知识时要达到哪一思维层次，并按照循序渐进的方法逐步提高学生的思维水平。

参考文献：

[1] OECD.PISA2006 Science Competence for Tomorrows World Volumel-Analysis，2007：20～22，35～40，82～85，104～107.

[2]刘怀乐.对一道实验试题的再思考[J].化学教学，2011，（9）：76～77.

解答1：选择醋酸的浓度作为自变量，用不同浓度的醋酸和编号①实验作对比实验（根据对照组设计试剂用量和实验装置），根据压强的变化判断假设一是否成立。

解答2：用NaCl溶液代替醋酸作对比实验，根据压强的变化判断假设一是否成立。

解答1和2方案存在的主要问题是没有将系统中同时发生的吸氧腐蚀关联起来考虑，虽然控制了自变量（醋酸的浓度），因变量会有不同的变化（析氢腐蚀发生的程度不同），但系统中存在的吸氧腐蚀也受酸的浓度的影响，导致这种一个自变量引发两种因变量改变的实验体系不能得出正确的结论。

解答3：将碳作为自变量，设计了用同浓度的醋酸和铁粉反应，根据是否有气泡产生判断假设一是否成立。

该方案也不完整，如果有气泡表明假设一成立；但如果短时间内没观察到气泡，不表示在有碳粉条件下也不会产生气泡，不能证明假设一不成立。

满分（第四层次）：学生思维水平处于关联水平，学生能够将问题情境下各个线索之间建立本质联系，使其成为一个有机整体；具体分析如图6及相关论述。除了题给的“控制在无氧条件下按编号①方案进行实验，测量压强变化”的设计方案外，以下两种方案也有创意[2]：

解答1：按图7所示装置，把铁粉、碳粉参照编号①实验用量混合均匀后放进注满90%醋酸溶液的试管中，静置观察，如果有液体从玻璃管上口溢出，试管口聚集少量气体，则发生了析氢腐蚀，假设一成立，否则假设一不成立。

解答2：将铁和碳放入90%的醋酸溶液中（控制在无氧状态下）组成原电池，若有电流产生，则假设一成立，否则不成立。

由此可见，关于这种以等级描述为特征的质性分类评价方法，较之传统的采点计分方法有着明显的优势。一是SOLO评价力求从学生的回答中分析出他能够达到哪一思维层次并赋予相应的分数，以提高试题的区分度；二是具有较强的操作性，很多化学问题都可以根据该方法进行思维层次划分，对编制化学试题，尤其是科学探究题有很强的借鉴作用；三是为检测学生的高级思维能力提供了一个切实可行的思路；四是对化学教学有一定的反拨功能，教师可以根据教学计划预先确定学生学习某一化学知识时要达到哪一思维层次，并按照循序渐进的方法逐步提高学生的思维水平。

参考文献：

[1] OECD.PISA2006 Science Competence for Tomorrows World Volumel-Analysis，2007：20～22，35～40，82～85，104～107.

[2]刘怀乐.对一道实验试题的再思考[J].化学教学，2011，（9）：76～77.