基于PISA框架下的科学素养试题研究

夏旸

2014年4月，PISA2015国家中心严格按照国际规范实施了PISA2015试测，并于5月组织开展了试测的阅卷编码工作。笔者有幸参与了科学素养阅卷编码工作，并受PISA2015国家中心委托，命制了两道科学素养测评模拟培训试题，试题已经获得PISA2015国家中心认可，将作为有关培训资料进行使用。下面结合模拟试题的编制，探讨PISA2015科学素养试题的命制特点。

PISA科学素养测评的核心是考查科学能力，具体分为三个方面：1. 科学地解释现象;2. 评价和设计科学实验;3. 分析数据并作出科学结论。科学素养测评框架包含三个维度：科学基本观念、科学实践过程、科学情境。科学素养测试题目通常以单元形式组织，每个单元首先呈现一个问题情境（情境通常用文字、图表、模拟实验等形式出现），情境都是学生在现实生活中可能遇到的，如台风、海啸、地震、海洋生物、大气、阳光、温室效应、细菌、冰山等等。每个单元包含若干道试题，均是从真实情境中提炼得出，以较为开放的形式设问，综合多学科知识考查学生的科学素养。具体而言，PISA科学素养试题具有以下三个突出特点。

一、考查运用科学知识识别问题、获取新知的能力

PISA试题从生活实际情况入手，素材往往来自于身边的事与物，既贴近人类生活，又往往能从新颖角度设计，考出新意。在引导学生分析、研究、判断、解释的过程中，不仅考查学生是否具备相应的科学知识，而且也考查出学生获取新知识的能力。

【案例1-1】无损探伤（笔者原创）

科学情境：无损探伤是在不损坏工件或原材料工作状态的前提下，利用物质的声、光、磁和电等特性，对被检验部件的表面和内部质量进行检查的一种测试手段。常用的无损探伤有：X光射线探伤、超声波探伤、磁粉探伤、渗透探伤、涡流探伤、γ射线探伤、萤光探伤、着色探伤等方法。有些无损探伤方法由于利用具有辐射作用的射线进行探测，如果使用不当会造成辐射事故，对人体安全造成威胁。

问题1：你认为对产品内部缺陷进行检测，利用“无损探伤”希望解决的问题是（答案可能不止一项）：

A. 改进制造工艺

B. 降低制造成本

C. 提高产品的可靠性

D. 保证设备的安全运行

问题2：你认为文章中提到的无损探伤方法有可能探测到某个零件的哪些问题，请说明两种具体的可能表现。

案例1-1命题思路：通过此问题的考查，能够检测学生通过题干内容获取新知后，利用已有科学知识或者经验，对另一角度的问题进行分析研究，重点考查了学生的演绎、推断能力。问题1的满分答案为：A、B、C、D;部分得分答案为：选择了A、B、C、D中的一部分;其它作答或未作答均为零分。问题2的满分答案为：零件中是否存在缺陷或不均匀性，给出缺陷大小、位置、性质和数量等信息，只要列举出其中2种均可;部分得分答案：只说出一项合理的表现;其它作答或未作答均为零分。

二、考查科学解释现象、根据证据得出结论的能力

PISA科学素养重点考查15岁学生运用科学知识解释现象、根据实验获得证据、根据证据得出结论的能力，采用的考查方式形式多样，并且在PISA2015试测中得到优化。

在PISA2015试测中，科学素养试题的命制方式非常灵活多样，有的需要进行科学试验，有的通过已有实验数据进行分析，有的要求设计实验方案，还有的利用计算机模拟实验采集数据，等等。试题能够从多个角度、多个层面考查学生的科学探究能力，更加全面地反映学生的科学素养状况。

【案例1-2】无损探伤（续）

问题3：根据文章中的信息，下列哪一样可以在实验室里通过科学探究来解决，请就每项圈出“是”或“否”。

案例1-2命题思路：通过此问题的考查，能够检测学生在学习科学知识的过程中，对于出现的研究课题是否能够利用实验（或者是否有必要实验）进行解决，重点考查了学生理解科学的本质的能力。问题3的满分答案为：否、是、是;其它作答或未作答均为零分。

【案例1-3】无损探伤（续）

问题5：超声波探伤是利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的一种方法，示意图见下，当超声波探伤仪发出脉冲信号，自零件表面由探头通至金属内部，遇到缺陷与零件底面时就分别发生反射波来，在萤光屏上形成脉冲波形，根据这些脉冲波形来判断缺陷位置和大小。

下图表示某次检测的示意图，根据图中信息，你能判断此次检测的方向吗？请给出能够支持你的选择的理由。

问题6：超声波探伤不仅能够检测缺陷的深度和位置，而且还可以根据图像检测出缺陷的面积。根据下图，你能够得到有关检测缺陷面积大小的什么结论？

案例1-3命题思路：通过此问题的考查，能够检测学生通过题干内容获取新知后，利用自身的识图、判断、分析、对比等能力，科学地解释现象，重点考查了学生的科学研究能力。问题5的满分答案为：说出正确判断和理由或说出正确理由，可以（能够）判断此次检测的方向，即从右到左检测，缺陷波比底波出现的时间早;部分得分答案为：进行了正确判断，但无理由;其它作答或未作答均为零分。问题6的满分答案为：说出正确判断和理由或说出正确理由，即缺陷深度位置相同，缺陷面积越大，缺陷波幅度越高;部分得分答案为：结论不完整;其它作答或未作答均为零分。

【案例2-1】吊车（笔者原创）

科学情境：吊车（见下图）是能够在一定范围内垂直提升和水平搬运重物的起重机械中的一种，被广泛用于港口、车间、工地等，但其工作受地面（如平整或者倾斜）等情形的限制。

起重量是指吊车能够起升重物的最大质量（单位为千克kg或吨t），是吊车的主要性能参数指标。超过起重量，吊车可能发生倾覆事故。每台吊车的起重量是可以随吊臂倾角和吊臂长度的变化而变化的。

问题1：如果想要研究起重量如何随吊臂长度的变化而变化，应该选用下图中图A、图B、图C中的哪些实验来进行？请给出能够支持你的选择的解释或理由。

案例2-1命题思路：通过此问题的考查，能够检测学生通过题干内容要求，进行实验的方案设计，重点考查学生的科学研究方法中“控制变量法”的应用能力。问题1的满分答案为：同时满足正确选择（图A和图C）和解释（如果要研究吊臂长度与起重量的关系，应该保持吊臂倾角不变）;部分得分答案为：正确选择（图A和图C）但无解释，或者没有进行选择但解释正确;其它作答或未作答均为零分。

【案例2-2】吊车（续）

问题2：科学家们在实验室进行了某种型号吊车起重量的模拟测试。实验记录如下表所示，其中吊臂倾角可以调整为30°、45°或60°;吊臂长度可以调整为10米、15米或20米。请先做模拟实验，再解决问题。

你认为吊臂倾角为30°时，使用该吊车能否吊起5000 kg的物体而使吊车不发生文章中提到的倾覆事故。

判断1：                                         。

从模拟实验的数据中选择能够支持你结论的数据。

数据2：                                        。

问题3：通过模拟实验，你认为增加起重量可能包括下列说法中的哪些方法？（答案可能不止一项）

A. 增大吊臂倾角 B.  减小吊臂长度

C. 减小吊臂倾角 D. 增大吊臂长度

案例2-2命题思路：此问题是PISA2015的最新改进和重点考查项目。通过此问题的考查，能够检测学生通过题干内容要求，选择合适的方案，模拟进行多次实验，重点考查学生的实验操作以及利用正确的证据得出结论的能力。问题2的满分答案为：判断1是“能吊起”，数据2是“选择下表数据中的实验1或实验2，或者两者均选”;部分得分答案包括2种情形：一是判断1填“能吊起”，但无数据，二是无判断，但数据选择正确;其它作答或未作答均为零分（下面附表为学生通过模拟实验可能获得的数据）。问题3的满分答案为：A、B;部分得分答案为：选择了A、B中的一个;其它作答或未作答均为零分。

三、考查理解科学的社会作用、参与科学决策的能力

这类试题对于学生来说相对陌生，能够从轻知识、重能力的角度进行考查，从思维过程、逻辑分析、解决策略方面入手，促使学生能够形成良好的学习、生活习惯。考查角度独特，弘扬终身学习理念。

【案例1-4】无损探伤（续）

问题4：你认为造成辐射事故的原因可能包括下列说法中的哪些原因？（答案可能不止一项）

A. 检测设备故障

B. 工作人员不按规章操作

C. 被检测零件有缺陷

D. 超过检测设备的使用标准

【案例2-3】吊车（续）

问题4：根据文章中的信息，下列哪一样还有可能影响起重量的大小，请就每项圈出“是”或“否”。

问题5：你认为增加吊臂长度可以影响起重量的大小之外，还可以产生哪些方面的影响？请说出你认为可能的两项影响。

案例1-4、案例2-3命题思路：通过此问题的考查，能够激励学生进行更加深层次的思考和拓展，将科学知识应用到生活中的其他方面。案例1-4中的问题4的满分答案为：A、B、D;部分得分答案为：选择了A、B、D中的一部分;其它作答或未作答均为零分。案例2-3中问题4的满分答案为：是、是、否;其它作答或未作答均为零分。案例2-3中问题5的满分答案为：可以起吊更远的物体，可以将物体起吊得更高，可以起吊体积更大的物体，等等，只要列举出其中之二即可;部分得分答案为：只说出一项合理的影响;其它作答或未作答均为零分。

PISA是目前世界上最具影响力、涉及范围最广的国际学生学习评估项目之一，其测试的先进理念、评估结果对多国的教育改革产生了深远的影响。在学习PISA并尝试根据PISA测评框架命制科学素养试题的过程中，我深切认识到要处理好科学教学与生活应用的关系。科学来源于生活，并用于生活。对于自然科学，学生早已在学习以前，就通过与其身处的自然环境以及无所不在的信息来源的相互作用，形成了自己对许多自然现象朴素的理解，他们都带着自己特殊的生活经历、体验、感受和情感。科学教学就是要将这些简单朴素的理解进行归纳、分析、拓展、应用、提升，有时还要进行纠偏。PISA测评中每道题目都是学生在现实生活中可能遇到的问题，我们的科学教育也应该还原科学的本来面目，在综合运用多学科知识解决科学问题中培养学生的科学素养。

参考文献：

[1] 国家教育考试评价研究院。考试评价：PISA测试表现优异地区教育改革对美国的启示——以上海和香港为例http：//niea.neea.edu.cn/infor.jsp？infoid=44831&class_id=40_03

注：本栏目文章系国家教育体制改革领导小组研究项目“研提OECD组织PISA测试项目经验启示”的研究成果之一。

本栏责任编辑    潘孟良