PISA测试与科学素养的提升

周兆富+赵跃飞

PISA试题往往是通过简单的情景入手，使问题逐渐深化，学生拥有很大的解答空间。但随着问题的深化，对学生考查力度不断加大，考试过程便成了学习和提升科学素养的过程。佛山市三水区龙坡中学初三（四）班叶子强同学在谈参加PISA测试的感想时写道：“当我打开试卷时，马上目瞪口呆，实在找不到与我脑中知识有关的问题，考查的大多是源于生活、贴近于生活的东西，幸好提供了充足的材料，这就考验了我的阅读分析能力。表面上看问题似乎稀奇古怪，其实问题就蕴藏在材料之上，只要认真阅读材料，结合实际情况加以思考，就不难找出问题的答案。”

一、PISA考查学生识别问题和科学解释现象的能力

根据PISA评价框架，科学素养主要包括：应用科学知识识别问题，获取新知识，科学地解释现象，并基于证据给予与科学有关的问题以相应的结论;理解科学作为人类知识和探究的一种形式的典型特征;意识到科学和技术如何塑造了物质、精神和文化环境;科学素养评估所涉及的主要是物理系统、生命系统、地球和空间系统的学科知识，考察学生识别科学问题、解释科学现象、使用科学证据进行科学探究等方面的能力。其中识别问题是我们教育中很少提及又默认学生没有问题的问题，实际上用科学知识识别问题也是学生科学素养程度的一种体现。在PISA考试过程中，以上内容通过在学生认识范围内的情景为媒介，通过设置各类相关的问题进行考查。

例1.   衣服（2006科学）

一组英国科学家正在研制“智能”衣服，以帮助残疾儿童“说话”。这些儿童穿上由特殊电子布料连接上语言合成器所制成的背心，只要轻拍接触感应器式的材料，就能让人明白他们的意思。

这种材料由普通布料和一种能导电的含碳纤维的灵巧网丝组成。当布料受压，通过导电物料的信号会被转化，电脑晶片能够找出导电来源，然后，启动相连的电子仪器。这个电子仪器只有两个火柴盒般大小。

其中一位科学家说：“这项发明的聪明之处，在于如何编织布料，并怎样通过它传递信号。而且这种导电网丝可以编织在现成的布料上，别人并不会看到它的存在。”

这种材料可以用水清洗而不会损坏，可以包裹东西，或者揉成一团。该科学家又说，这种材料可以大量生产，成本廉价。1

问题1：文章中所说的情况，哪一样可以在实验室里通过科学探究来测试？请就每项圈出“是”或者“否”。

答案：是，是，是，否。

问题2：若要测试布料是否导电，你需要用以下哪一种实验室仪器？

A. 伏特表                     B.光源箱

C.千分尺（螺旋测微器）  D.声强计

答案：A

点评：本单元问题1是按复合多选题的形式以特殊衣服为切入点，通过科学探究的方法考查学生识别科学问题的水平，让学生在众多信息中选择、收集、综合、推理和判断。问题2属于单项选择题，通过几个实验仪器考查学生科学解释水平，属枝术系统类知识内容。这两问在考查方式和方法及考查过程方面对科学教育有诸多启示。

二、PISA往往从简单情景入手并使问题不断深化

PISA试题注重提炼各学科课程的内在联系，充分发掘学科知识的内涵，在将学科知识作为思考材料和介质的同时，展示学科知识广泛应用的工具作用。2 命题者把科学素养分为较低或较高。较低的科学素养的学生能够回忆简单的科学事实知识，并且能使用广义的科学知识得出评价结论。较高素养的学生能创造并使用概念模型做预测并给予解释，分析科学调查，将数据作为论据对同一现象作不同解释和评价。龙坡中学一位学生写道：“PISA着重于应用及情景化问题，受测学生必须自己组织答案，试题能深入检测学生的基础素养。这次测试中发现自己社会生活知识和技能十分薄弱，遇到情景化问题不会解决。这次测试大部分与社会生活有关。我觉得应走出课堂，走向社会，积累一些社会各方面知识与技能，提高自己的科学素养，不要局限于课堂上的知识。我们要在社会中学习，要了解并掌握社会所需的知识与技能，并尽可能的灵活运用。”

例2.   苍蝇（2006科学）3

阅读下面的内容并回答问题：

一个农夫在农业试验场用牛耕作。牛棚中的苍蝇非常多，致使牛的健康受到影响。因此，农夫往牛棚里面喷洒了杀虫剂A，几乎将所有的苍蝇都杀死了。然而过了一段时间后，苍蝇的数量又多了起来，农夫就再次喷洒杀虫剂。这时，大部分苍蝇被杀死了。又过了较短的时间后，苍蝇的数量再次增加了，于是农夫还喷洒杀虫剂。这样重复了5次。很显然，杀虫剂A的灭蝇效果越来越差了。农夫注意到一大批杀虫剂溶液已经被制造出来，并用于所有的喷洒灭虫中。因此，他提出杀虫剂的药效可能会随时间而减弱。

问题1：简要论述如何证实农夫关于杀虫剂药效会随着时间而减弱的观点。

问题2：农夫认为杀虫剂的药效会随着时间而减弱。给出两个和农夫不同的解释，用来解释“杀虫剂A的灭蝇效果越来越差” 。

问题1部分答案：回答中可应用三个控制变量，即苍蝇的类型、杀虫剂使用时间、苍蝇是否接触过杀虫剂。例如，将新配制的杀虫剂和原来配制的杀虫剂，同时应用于两组类型相同且没有接触过这种杀虫剂的苍蝇，比较它们的效果。

问题2部分答案：其中一个解释是具有抗药性的苍蝇能够生存下来，并把抗药性遗传给下一代。另一个解释可以是：环境条件的变化，如温度或杀虫剂使用方法的改变等。

点评：本单元通过苍蝇这个社会普遍关注的问题和农夫在牛棚中用杀虫剂的情景引入问题。问题1所涉及的知识有生命科学领域（苍蝇生死）、化学领域（杀虫剂）、物理领域（杀虫剂溶液）的知识，要求学生用题目中所给的信息，使用科学证据（三个变量）进行解释，对证据的辩证使用对学生的要求较高。问题2   涉及到生命科学领域，如苍蝇的生理和理化环境的变化（温度或使用方法），对学生识别能力要求较高。本单元虽然只有两个问题，但问题逐渐深化，学生要根据题中所提供的信息重新组织语言进行分析和说明，这正是科学素养测试可引发学生思考的魅力所在。

三、PISA对同情景的多元设问渗透了哲学思想

爱因斯坦认为：“如果把哲学理解为在最普遍和最广泛的形式中对知识的追求，那么，哲学显然就可以被认为是全部科学之母。”4哲学思考要讲究逻辑性、系统性、清晰性等等，并且要能够对重要的哲学问题作出回答。在PISA测试的许多题目中都渗透了哲学思考的元素，试题往往通过一系列实事、图像、实验数据、虚拟实验现象，让学生对同一实事的不同结论（或相反结论）寻找支持的依据。这种辩证的批判性的思考方式对培养学生科学精神是一种有益的尝试。5

例3. 催化式排气净化器（2006科学）6

为了降低汽车排放的尾气对人类和环境的危害，现代的大部分汽车都安装了催化式排气净化器。大约90%的有害气体可以通过催化式排气净化器转化为危害较轻的气体而排出。图中列举的是净化器转化前后的几种气体。

问题1：根据上图所提供的信息，列举一个例子，说说催化式排气净化器是如何降低汽车尾气危害的。

参考答案：如，一氧化碳或者氮氧化合物被转化为其它化合物;一氧化碳被转化为二氧化碳;一氧化氮和二氧化氮被转化为氮气;它把有害气体转化为无害气体，如CO 转化为CO2（90%）; 二氧化碳、氮气比一氧化碳和氮氧化合物的危害性低;等等。

点评：本题考查应用科学知识识别问题、获取新知识、科学解释现象的能力。学生需从图中给定进出气体的实线与虚线中检索，确定问题的特点进行恰当的描述。可从图中寻找多元的答案，除参考答案，还有其他组合形式的答案能得满分。学生解答完此题对分析问题和解决问题的方法会有新的认识。

问题2：气体在催化式排气净化器里面发生了变化。请解释气体原子和分子在里面发生了哪些变化。

参考答案：能运用“分子发生分裂，原子重新组合形成新的分子”“原子重新排列形成新的分子”这两个内容，来表达气体原子发生重新排列而形成不同分子这一本质观点。

点评：本问需要考生确认图中结论所隐含的原因并做出假设。根据学生掌握科学知识的情况，答案是多元的，其中涉及到原子重新排列的得满分，有重新组合观点的部分得分。这种推测生活现象背后隐含的科学原理，是培养学生科学素养最常用的方法，只有善于思考才能真正达到提升科学素养的目的。

问题3：调查催化式排气净化器排出的气体。为了使汽车尾气的危害性更小，研究催化式排气净化器的工程师和科学家们还要注意哪个问题。

参考答案：以减少危害气体进入大气为目的的合理的回答。例如：并不是所有的一氧化碳都转化成了二氧化碳;氮氧化合物转化为氮气的反应不是很完全;提高一氧化碳转化为二氧化碳、氮氧化合物转化为氮气的比例;产生的二氧化碳气体应该收集起来，而不是直接排到大气中，等等。

以下答案不得分：应该使更多的有毒气体转化为危害性小的气体（注：至少要提到一种有毒汽车尾气）;他们应该尝试使更少的气体排出;他们应该寻找一种使有毒的汽车尾气得到重新使用的方法;他们应该尝试制造一种使用其它液体燃料的交通工具。

点评：本问题是在确认净化器的作用，并能科学的解释所发生的现象后，在运用假设和推理的方法说明净化器内部可能发生的问题的基础上，让学生反思差异化技术可能带来的影响，考察学生识别科学问题、解释科学现象、使用证据进行探究等方面的能力。本题的正确答案多元多层，思维发散，但也不是只要作答就有分。上面列出的不得分答案就是我国学生在作答时经常出现的用语，给出这类不得分答案的学生往往忽略了“研究净化器”这个关键词，答案显得海阔天空、漫无边际，看似合理，实则与本题无关或涉及不到具体的问题。这反映出学生缺乏解决开放性问题的经验。因此，学生需要在科学素养和科学方法上加强训练，养成尊重科学、热爱科学、善于使用科学方法解决问题的习惯。

四、PISA机考测试有利于学生科学素养的提升

基于计算机的测试中需要考虑到硬件的配备、软件环境和运行情况、学生对计算机操控能力等因素。测试可以有很多互动性的题目，如虚拟实验、情景的再现、电子文本的跳转、关键词的搜索等。涉及到的一些解题条件也需要学生自己去创造、自己去寻找。7通过计算机对PISA进行测试，其问题的情景测试有时会聚焦于现实生活中学生不熟悉的问题或跨课程领域的认知技巧。

PISA机考中对问题情景的设置和实验问题的处理有着纸质考试不可替代的特殊地位。如在考查某种动物与环境关系类的问题时，命题者通过软件设计某种动物在几个时间段数量的变化情况与各类植物变化关系的虚拟实验。学生通过鼠标或键盘操作，调控相关的变量，可得出实验的数据和变化情况。这些数据可在计算机设置的表格中自动生成。然后学生在表中寻找有利于题设结论的问题，寻找相关的数据进行推断并得出结论，根据分析生成折线图、柱状图。学生还可根据题设条件进行控制变量的实验，列出新的表格、重新进行数据分析或进行逻辑推断，然后通过语言进行表达。以下为机考有关实验流程图：

总之，PISA作为世界上对教育有较大影响的评价系统，其评价理念和做法代表了世界发展的潮流。在参加相关评价工作同时，更应当深挖蕴涵可能影响教育发展动态的新思维、新方法和新动态。PISA科学素养测试给基础教育带来的影响应当是深远的。特别是在新高考制度改革即将出台，中国基础教育又走到了一个新的起点之际，如何提升学生的科学素养？在对15岁学生参加测评后，如何跟踪并指导其未来走向？怎样在高考改革后时代使学生科学素养和创新能力全面提升？这是基础教育改革与评价必须思考的问题。

参考文献：

1. 王蕾.PISA科学素养评价工具建构[M].教育评价探新，西安：西安交通大学出版社，2007：（109-110）.

2. 王蕾.PISA科学素养评价工具的建构[J].中国教育学刊，2007（9）.

3. http：//www.jxteacher.com/3611270

04001110024/column29829/699416ae-263d-4ddc-a083-791f971d58e0.html

4. http：//www.docin.com/p-5974776

91.html

5. 王蕾.PISA科学素养评价工具建构[M].教育评价探新，西安：西安交通大学出版社，2007（75）.

6. 中国兴华科学教育网：http：//se.risechina.org/kspj/ShowArticle.asp？ArticleID=1487

7. http：//sh.xinhuanet.com/2014-04/02/c_133231561.htm