PISA视角下物理学业考试的认知需求分析与启示

顾 健 陆建隆

(1. 苏州工业园区第十中学,江苏 苏州 215021; 2. 南京师范大学教师教育学院，江苏 南京 210097)

PISA视角下物理学业考试的认知需求分析与启示

顾 健1陆建隆2*

(1. 苏州工业园区第十中学,江苏 苏州 215021; 2. 南京师范大学教师教育学院，江苏 南京 210097)

本文从科学素养的角度,基于PISA2015科学素养测试的认知需求水平,分析与统计江苏省3个代表性区域的中考物理试题中科学情境、科学知识与科学能力的考查,得到对物理教育的3点启示:重视物理情境教学,凸显时代性;关注学生认知特点,重视深度思考;培养学生证据意识,细化能力内涵．

PISA;物理学业考试;认知需求;启示

1 问题的提出

国内在学业考试的命题过程中,对于试题的最终修改甚至取舍意见的确定,全部依赖于命题人员和审题人员的经验判断以及相互间充分的讨论来获得,包括试题难度的预估得到也是如此．可以说命题人员和审题人员的业务素养的高低直接决定了试题的质量．[1]为了保障学业水平考试的科学性,公平、公正的选拔人才,试卷命制的可靠程度越来越受到社会各界的关注．

国际学生评估项目(Programme for International Student Assessment,简称PISA)是一项由经济合作与发展组织统筹的学生能力国际评估计划,主要是对接近完成基础教育的15岁学生进行评估,测试学生们能否掌握参与社会所需要的知识与技能,是近10多年来国际上参与国家和地区最多、影响力最大的评估项目．

因此,本研究从科学素养的角度,基于PISA2015科学素养测试的认知需求水平,分析江苏省3个大市的中考物理试题,以期对我国学业水平考试的试题编写与课堂教学等提供相应的建议．

2 研究设计

2.1 研究对象

根据地域分布和经济发展规划,江苏省大致可以划分为苏南、苏中和苏北．笔者随机选取3个区域中的苏州、南通和盐城2014—2016年初中毕业统一学业考试物理试卷(以下简称“中考卷”)为研究对象．

2.2 研究工具

“认知需求”是PISA2015科学素养测试框架提出的新概念,也有研究者译为“认知难度”,[2]它贯穿于知识与能力的考查过程．PISA2015科学素养测试框架[3]包括“情境”、“能力”、“知识”、“态度”4部分,在不同情境下学生问题解决要求学生具备不同的能力,而学生的能力水平受制于学生的知识与科学态度．“情境”、“知识”与“能力”的具体分类细则可参考刘克文、李川的研究成果,[4]此处不再赘述．

PISA2015科学素养测试改变纸笔测试为主要形式,将计算机测试变成默认的测试形式,测量学生在不同情境下的知识与能力的掌握程度,以问卷的形式测量学生的科学态度．国内学业水平考试主要是纸笔测试,不能有效测量学生的科学态度．PISA2015构建能力标准和知识类型的三维认知需求框架,如表1所示,将认知需求层次分为高、中、低,具体的要求如下.

表1 PISA2015科学测试认知需求框架

(1) 高水平: 分析复杂的信息或数据,整合或评估证据,判断理由的不同来源,制定一个计划或一系列步骤来解决问题．

(2) 中水平: 使用和应用概念性知识来描述或解释现象,选择涉及两个或多个步骤相应的程序,组织/呈现数据,或用简单的数据集或图形进行阐释．

(3) 低水平: 经历一步到位的过程,应用一个事实术语原则或概念,或从图表表格当中定位单点信息．

基于以上分析,参考经济合作与发展组织(2016)[5]和陈志辉等(2015)[6]的研究成果,分析物理学业水平考试的认知需求包括宏观维度的“情境”要素和微观维度的“知识”、“能力”的考查要求,同时将“无情境”也纳入“情境”要素．

为了保证分析框架的科学性与可靠性,对某份中考试题进行试判和赋值,比较个人的分析结果,相互交流．在样本分析时,采用小组多人讨论编码统计,针对有异议的试题进行讨论得到一致的分析结果．

借鉴PISA2015科学素养测试框架对试题认知需求的分析案例,[5]引用一道2016年南通市中考物理试题进行说明:

今年5月,南通人乘动车出行的梦想成为现实.动车设计成流线型,是为了减小运行中受到的 .乘客在高速行驶的列车上看到车外景物飞驰而过,这是以 为参照物的;他们用手机通过微信发送沿途美景,手机是利用 传递信息的.列车进站前关闭动力,由于 ,仍能继续行驶一段距离.

按照以上分析框架,经过小组分析讨论后,各小问如表2所示．

表2 认知需求分析

3 研究结果

根据以上分析内容,对2014—2016年苏州、南通和盐城的中考物理试卷进行赋值和统计,得到如下研究结果．

3.1 物理试题认知需求的宏观维度比较

由试卷分析,得到2016年苏州、南通和盐城中考试题情境类型的统计结果,如表3．南通卷的情境总量明显低于苏州卷和盐城卷,中考方案不同是造成该现象的重要原因之一,苏州卷和盐城卷的物理满分均为100分,南通卷满分为90分．在情境类型上,苏州卷的“无情境”明显高于另两份试卷,比重接近一半．3份试卷的“全球”情境占据的比例几乎为0,南通卷的“全球”情境的频数为零．此外,3份试卷的 “个人”情境都占据全卷的较大比例,约占50%．

表3 2016年苏州、南通和盐城中考试题情境类型统计

为了防止数据样本的局限性造成的偶然性,更好地得到中考试卷的情境类型特点,得到2014—2016年苏州、南通和盐城试卷的情境类型分布如图1．

图1 2014—2016年苏州、南通和盐城中考试题情境类型分布

从横向角度分析,3市的情境类型分布比例存在较大差异,但主要集中在“个人”情境,命题人员创设初中生熟悉的“个人”情境,具有一定的生活体验,引起学生的情感共鸣．“全球”情境在所有情境类型中比例最小．特别地,苏州卷“无情境”的比例明显高于另外两市．

纵向来看,除了苏州卷,南通卷和盐城卷的“无情境”的比例在逐年下降,但南通卷的“全球”情境比例在减少,“全球”情境在试卷上主要以“宇宙探秘”和“诺贝尔奖”等素材创设的．从3年试卷情境比例变化看,苏州卷和盐城卷的情境类型比例几乎稳定,南通卷的“地区/国家”情境在增大,“无情境”比例在逐年下降．

3.2 物理试题认知需求的微观维度比较

3.2.1 基于认知需求维度层次的比重分析

由图2可知,PISA2015试题高、中、低的认知需求分布分别为62%、30%和8%,而中考卷认知需求比例呈现几乎相反的比例分布．高认知需求的比例均为10%左右;在中认知需求比例上,盐城卷约为40%,南通卷约为55%,苏州卷约为45%;低认知需求比例上也有所不同,盐城卷约为50%,南通卷约为35%,苏州卷约为45%．该研究结果有悖于与普遍认为的我国物理试题的难度高于其他国家的难度的观念,这是由于“试题难度”与“认知需求”的差异性导致的．

图2 认知需求维度的比重分布

传统的经验型命题使用“试题难度”经常与“认知需求”相混淆,“试题难度”是由应试人员中答对的人数与总人数之比,而“认知需求”是应试人员在解决问题过程所要求的思维过程的类型．[7]一道试题因为考生不清楚该知识点而使得该试题难度很高,但试题的“认知需求”只是简单的回忆．相反地,一道试题的“认知需求”很高,要求考生经过一系列的加工处理等操作步骤来叙述和评估许多个知识点,但每个考点是学生非常熟悉的,只需要简单的回忆．

3.2.2 科学知识维度的比重分析

科学知识的掌握是学生解决物理问题的基础,中考卷十分重视对学生知识的考查,在知识的习得过程中提升问题解决能力,提高学生的科学素养．中考卷中科学知识的考查比例分布处于稳定的状态,如图3所示．

图3 科学知识维度的比重分布

表4为PISA2015对科学知识考查的分布,中考卷中内容性知识基本处于该范围,说明我国中考试卷中内容性知识的考核与国际测评理念是接轨的;程序性知识的比例要高于PISA2015的比例,最高的是盐城2016的40%,最低是南通2016的23%;认识性知识的比例整体低于PISA2015的比例,比例最高的盐城2014也就12%．值得一提的,南通卷的科学知识的比例越来越接近PISA2015的知识分布比例．

表4 PISA2015科学知识的分布

3.2.3 科学能力维度的比重分析

科学能力是学生经历物理学习过程后,内化为自身科学素养的有效体现,为学生的终身学习奠定基础．由图4可知,科学地解释现象是初中物理学习一个重要的能力维度,试卷中占据接近一半的比例,盐城2015和盐城2016的比例分别为59%和60%,高于PISA2015的最高比例,其余试卷基本处于PISA2015的比例范围内;物理是一门以实验为基础的自然学科,试卷命题人员非常注重评估与设计科学探究的考查,明显高于PISA2015的最大比例,最高是南通2014的54%;然而科学地解释数据与证据的考查明显低于PISA2015的比例,最高的是南通2014，2015的14%．

图4 科学能力维度的比重分布

表5可知,PISA2015对初中生的考查集中在科学地解释现象,体现科学知识的实用性、生活化和科学性．科学地解读数据与证据的比例要比评估与设计科学探究的比例高.物理教学中不仅关注科学探究设计环节的开展,更要重视学生对实验中数据与证据的解读,得到正确的结论．

表5 PISA2015科学能力的分布

4 PISA视角下的物理教育的启示

4.1 重视物理情境教学,凸显时代性

PISA测评都创设科学情境来考查学生的知识掌握,从而反映学生的能力水平．中考卷的科学情境的创设仍存在无情境,而且较多局限于“个人的”情境．物理教学中创设物理情境能够给予物理知识以实际意义,激发学生学习兴趣,在解决实际问题中掌握知识,提升学生的物理能力．“个人的”情境会因学生生活经历的不同,影响物理问题的解决,造成考试的不公平．“全球化”情境更具普遍性,如PISA2015的“温室效应”、“吸烟”等情境,能够保证试卷的公平性,保障考查结果的客观性、科学性．凸显时代性的情境能够引导学生关注科技前沿发展、时事政策等,关注技术应用带来的社会进步和问题,培养学生的社会责任感和正确的世界观．

4.2 关注学生认知特点,重视深度思考

物理教学中应正确把握试题的“认知需求”与“试题难度”的理解,关注学生的认知特点．根据不同认知需求的试题特点,通过分析、比较、总结等多步骤解决物理问题,优化学生的思维品质,而不是通过考查单个较难的知识点或者单个复杂的操作技能来反应学生的能力水平．加强学生对认识性知识的获取,表达学生对科学知识的理解,逐步形成对科学本质的认识．利用测试的结果,透视学生的认知过程,适当设置高认知需求的试题,驱动学生深度思考,提高思维的发散性与严谨性,提升学生的核心素养．

4.3 培养学生证据意识,细化能力内涵

我们一直强调培养学生的能力,但具体的能力究竟是什么却是模糊的,同时出现较多的“高分低能”的情况,学生面对具体的问题束手无策．面对学生解题过程出现的问题,能够立刻指出错误的知识点,但没有明确哪种能力的不足．PISA2015科学素养测评以物理知识为载体,细化能力内涵,评价学生的能力表现,并根据学生的表现来反观现有的教学,以促进教学的改进．在强化学生对评估与设计科学研究的培养时,也要明确科学地解读数据与证据的重要性．科学地解读数据与证据主要表现在寻找实验数据中蕴藏的规律和向特定的人群用他们听得懂的语言解释证据．就学生而言,使用简洁的物理语言组织内容,注重实验结论表述的规范化、科学性与客观性,培养学生的证据意识．

1 王鼎,章卫华.PISA测试命题与国内初中学业考试命题的比较分析[J].全球教育展望,2013(9)：60-70.

2 刘帆,文雯. PISA2015科学素养测评框架新动向及其对我国科学教育的启示[J].外国教育研究,2015(10)：117-128.

3 顾健,陈刚.PISA视野下六种教材关于密度内容的比较及教学建议[J].中学物理教学参考,2016(12)：15-18.

4 刘克文,李川.PISA2015科学素养测试内容及特点[J].比较教育研究,2015(7)：98-106.

5 OECD. PISA 2015 Assessment and Analytical Framework: Science, Reading, Mathematic and Financial Literacy, PISA, OECD Publishing,Paris，2016： 17-44.

http://dx.doi.org/10.1787/9789264255425-en

6 陈志辉,刘琼琼,李颖慧,肖文娟.PISA影射下数学学业水平考试的问题情境比较研究[J].比较教育研究,2015(10)：98-105.

7 S L Davis, C W Buckendahl. Incorporating Cognitive Demand in Credentialing Examinations[M]. Assessment of higher order thinking skills 2011. North Carolina:IAP, 2011: 327-359.

本文系苏州市教育科学“十三五”规划课题“PISA视角下初中物理教学与评价研究”(编号： 16122670)之阶段性成果； 苏州市教育学会“十三五”规划课题“PISA视角下初中物理教学与评价研究”(课题批准号： “十三·五”sjh[168])之阶段性研究成果.

*通讯作者： 教授，E-mail: 723538706@qq.com

2017-01-21)