基于学科能力测评的教学改进——以高中化学原电池教学为例

史凡 王磊

（北京师范大学，北京100875）

王磊等通过深入分析各学科学习理解、应用实践、迁移创新认识活动和问题解决活动的特质和要素，综合归纳国内外课程标准、重要考试评价中的能力要素，概括出各学科的学科能力活动及表现指标体系，提出了从知识到能力和素养的转化模型（见图1）[1]。该模型认为，学科知识需要经过学习理解、应用实践与迁移创新才能完成从具体知识学习向知识功能化和素养化的方向跨越，学科素养是学生经过学科学习逐渐形成、面对陌生不确定的问题情境所表现出来的关键能力和必备品格，是知识经验在迁移创新水平上的集中体现。该模型回答了在每个阶段对应的学科核心内容主题上，学生应该要达到的能力素养目标的具体表现问题，对于教师教学目标的制定具有重要的启示和借鉴意义；但是，学科能力指标框架并不能直接解决怎么培养和落实学生的学科能力素养发展目标的问题，将学科能力指标框架转化为教师的课堂教学实践，还需要进一步的教学改进研究探索。

图1 从知识到能力和素养的转化模型

评价和测试是促进学生学科能力素养发展的教学改进的重要环节,旨在引导教师树立关注学生发展和以学评教的意识，帮助教师获取学生学习和发展的证据，并促进教师进行教学反思[2]。基于学科能力素养发展的教学改进，需要基于学科能力素养发展的测评。本文以高中化学原电池的教学改进研究为例，介绍在研究教学改进的过程中，如何基于学科能力测评来确定教学改进的关键点和发展点，如何开展有针对性的教学设计和实施，以及如何基于测评结果来对教学改进的效果进行评价，进而凝练有效教学策略。

1 开展学生能力表现前测，确定教学改进的重点和目标

1.1 基于高一前测明确教学关键点

学生在高一首次直接接触原电池的相关知识，很多教师认为高一学生没有任何相关知识基础，因此往往会先向学生介绍铜锌原电池的原理，分析铜锌的正负极及溶液中离子的移动方向，将重点落在原电池的构成条件辨识及电极方程式的书写上。

事实上，学生在初中物理就已经学习过电流的相关知识，知道产生持续电流的条件是存在电压/电动势和形成闭合回路；此外，学生已经学习过氧化还原的相关知识，知道氧化还原的实质是有电子的转移。这些都是学生学习电化学的重要知识储备。基于这样的分析，我们对北京市一所完全中学的320名高一学生进行了前概念的测查，来确定学生的学习基础。测试时间选在学生即将开始学习原电池内容的前1～2周。

在前测问卷中，针对学生“根据你的已有认识，你认为产生电流需要哪些条件？”这一问题，学生的作答情况如图2所示。

图2 学生对电流知识的认识现状

由图2可知，有39.1%的学生能够完整地答出电势差和闭合回路2个条件，有44.3%的学生只能关注到电流的形成需要形成电势差（在初中物理中通常用电压或电动势来描述，这里暂不作区分）这一条件，而忽略了闭合回路这一条件。这说明，根据学生对电流的形成条件是有一定的概念基础的，教学可以从学生的这一已有认识入手；同时，根据学生极易忽略“闭合回路”这一条件，教学中的一个关键点就是帮助学生建立闭合回路的认识维度，让学生明确构成闭合回路的条件。

针对“有人认为，可以通过氧化还原反应获得电能，你认为可能吗？为什么”这一问题，学生的作答情况如图3所示。

图3 学生对氧化还原反应和电流之间的关系的认识现状

由图3可知，67.3%的学生认为氧化还原反应是可以产生电流的，其中，54.3%的学生仅仅认识到氧化还原反应有电子转移这一点，而忽略了必须让电子定向地转移/移动才能有持续的电流产生这一关键性的条件；还有13%的学生仅仅从氧化还原反应放热及热能可以转化为电能这样宏观的能量转化的角度来关联氧化还原反应跟电流之间的关系。这说明，大部分学生能从微观电子转移的角度将氧化还原反应跟电流的产生条件进行关联，但是容易忽略定向转移/移动这一点。

以上2个问题及其作答情况凸显了高一原电池教学中需要突破的2个关键点：1）从装置维度，需要形成闭合回路；2）从原理维度，需要让氧化还原反应分开进行，使电子可以定向移动。这2个关键点正是王磊等提出的电化学认识模型中2个最重要的一级构成要素[3-4]（见图4）。

图4 基于学科能力导向的高中电化学认识模型[4]

1.2 基于高二前测明确教学发展点

基于史凡等提出的高一原电池认识发展和学科能力表现具体指标框架（见表1），我们对前述该校选修原电池内容之前的300多名高二年级的学生也进行了原电池相关内容的测查，以对该校学生在常规高一原电池教学之后的电化学能力表现情况进行评价。

利用Rasch模型对工具进行信度检验，试题信度为1.00，样本信度为0.75，均符合统计学要求。各能力要素对应的试题难度值见表1最后一列。Rasch模型的b值越大，试题的难度越大，学生在该能力要素有关题目中的表现越不理想。结果显示，在这个内容主题上，学生在概括关联、分析解释、推论预测、复杂推理与复杂设计方面的能力表现情况都不理想，而这将直接影响之后有关陌生复杂电化学问题的学习。

表1 高一原电池学科能力表现具体指标[5]与学生的测试表现

以“概括关联”能力要素上的具体表现为例进行分析，2次测查均涉及学生在该能力要素上的表现。高一前测和高二前测均向学生提供了一个简单的“Zn-H2SO4-Cu”单液原电池装置图，告诉学生这个装置是可以产生和提供电流的，请学生“分析一下装置中Zn的作用是什么？Cu的作用是什么？H2SO4的作用是什么？”以“H2SO4的作用”为例分析学生的作答情况（见图5）。

图5 学生在高一前测和高二前测回答“铜锌原电池中H2SO4的作用”的表现

由图5可知，在高一前测中，对于H2SO4的作用，约1/3的学生能够从H2SO4作为电极反应物的角度关注到“H2SO4参与反应”“与Zn发生反应”，约1/3的学生能够从H2SO4作为离子导体的角度关注到“H2SO4是电解质溶液”“H2SO4可以导电”，仅1/10的学生能够同时考虑到H2SO4的这2种作用。鉴于此时学生尚未学习有关原电池的任何原理知识，对简单电池装置中各部分的作用认识不够清楚情有可原；但在高二前测中，这些已在高一学习过原电池的学生对装置中各要素的认识角度仍然非常不全面：66.7%的学生仅能关注到H2SO4作为离子导体的作用，能够关注到电极反应物角度的学生比例甚至低于高一前测时还未开始学习必修原电池知识的学生。究其原因，常规教学中，教师可能过于强化装置维度上H2SO4作为电解质溶液的功能，忽略了其作为电极反应物的功能。对于这种离子导体和电极反应物合二为一的电池模型，教学中往往不作区分，从而导致学生形成很多的迷思概念。

从2次测查的结果可以看出，常规教学在角度的建立和角度之间的概括关联方面，不仅进展不大，而且由于教师过分强化电解质（离子导体）的认识角度，反而导致原本可以关注到电极反应物这一认识角度的学生也忽略掉这一认识角度。

通过以上分析不难看出，对教学前学生已有概念基础的探查和常规教学后学生能力素养发展情况的测评分析，可以帮助教师精准地对学情进行把握。如此才能既搭建起学生由已有知识到待发展知识之间的关联，又能认识到学生实然的能力素养表现与应然的能力素养表现之间的差距，明确教学的关键点和发展点。

2 基于测评结果，指导教学改进

精准分析前测结果可以帮助研究者和教师精准分析和把握学情，从而在教学中更加有针对性地培养学生的能力素养。但是，如何落实具体的能力素养发展目标，则还需要对教师的教学设计和实施做进一步的规划和指导。

2.1 改进教学内容组织

对于教学内容的组织改进，首先要明确教学内容，让每一个单课时教学都更加高效，帮助学生建立分析和解决问题的认识模型，形成有层次梯度的、从近变式到远变式的应用认识模型，以更好地完成课堂活动的进阶式教学。以高一原电池第一课时的教学设计为例，基于图4的电化学认识模型，以及在前测中确立的教学关键点和发展点，该课时的主要目的是帮助学生建立起原电池的基本认识模型，明确装置各个要素的功能和判据，形成解决原电池问题的基本认识角度和分析思路。为此，在具体的教学设计中，首先要从学生对于物理电流和氧化还原反应的已有认识出发，建立“电势差”和“闭合回路”的一级认识角度；然后，借助铜锌原电池的探究实验，帮助学生建立“电极反应物”“电极材料”“离子导体”和“电子导体”的二级认识角度，建构起简单的原电池认识模型，完成学习理解的任务活动；最后，通过一系列应用实践和迁移创新的任务活动进一步帮助学生巩固认识角度，同时发展学生对简单电池工作原理进行系统分析和说明论证的能力。由此，教师可以在第一课时引导学生建立基本认识角度，进而引导学生发展概括关联、分析解释、推论预测等学科能力点。具体教学设计如图6所示。

2.2 改进教学活动设计

仍以原电池教学的第一课时为例。图6所示的教学设计对于每一个教学环节都有明确的任务活动类型设计。整个教学设计包含学习理解、应用实践与迁移创新3个能力任务梯度，覆盖从A1到C2全部的能力任务类型。4个教学活动既互为基础，又层次清晰，让学生在整个学习过程中既接受挑战，又能获得成果的体验。因此，基于学科能力理论框架的教学设计既能够凸显课堂中的重点学生活动任务，也能够帮助教师更加深刻地认识到素材作为任务活动载体的功能价值。由此可见，学科能力3×3活动框架不仅是学生内隐的学科能力素养在具体问题任务情境中的能力活动表现，也是教师在课堂教学中所必需的能力活动任务类型。这就为教学设计提供了丰富多样且有梯度的情境素材和学生活动。例如，在知识建构环节，教师可以选取典型的活动任务原型，增加概括关联、说明论证等学生活动任务，帮助学生深入理解核心知识内容；在知识的应用和迁移环节，教师可以选取适当陌生复杂度的情境任务，开展探究、推理等学生活动任务，注重外显、评价和发展学生的认识角度和认识思路，培养学生自主调用核心知识解决问题的能力，让知识逐步转化为学生的能力素养。

2.3 改进教学活动实施

图6 高一原电池教学第一课时教学设计

对于教学内容的组织以及教学活动的设计，原本在教学改进的备课研讨环节就应该基本完成，但试讲和试讲后的学生访谈表明，教学效果远没有达到我们预期的目标。这往往是由于在教学活动的具体实施过程中，教师并没有很好地落实教学理念和目标。因此，改进教学活动实施过程，有助于实现教学观念、教学思想的转变，使教师真正走进课堂，实现教学行为的转变。

仍以原电池第一课时的教学为例。通过课堂观察和后续对于教师课堂教学录像的进一步转录分析可以发现，虽然从教学设计上，教师有意识地改进了学科能力活动的丰富性和层次性，但是在具体的课堂教学实践过程中，大部分的学科能力活动任务却都是由教师主导完成的。教师是课堂活动的主体，学生很少有机会完整地表述自己的想法，学生不能在课堂中完整地经历和完成某一特定学科能力活动；在后续的测评和实际应用中，学生相应的学科能力表现也自然不尽如人意。尤其像说明论证、分析解释与复杂推理等能力，更加需要学生进行完整表述、分析和推理的学科能力活动，如果教师在教学中不能给予学生充分的思考、讨论和表达的时间，相关教学注定收效甚微。

以其中一项“说明论证”的能力活动为例（见表2），我们对教师的“提问及追问”的教学行为进行了进一步改进，通过精简其提问的数量，改变其问题的指向，让教师尽可能地把活动的主导权交还给学生，让学生有更多机会来概括角度、说明思路。

3 基于学生能力表现后测，评价教学改进效果，提炼有效教学策略

3.1 学科能力表现测试证据

在整个教学改进指导结束之后，我们结合前测以及教师的实际教学内容，对学生素养能力表现进行后测，以更好地对教学改进效果进行检测和评价，为提炼有效教学策略提供更多证据支持。测试工具与前测问卷相同，通过对实验班（正式讲班级）和对比班（全程未参与教学改进研究的教师所教的平行班）在后测中的表现进行数据分析（见图7），发现实验班在几乎所有二级能力要素上的表现都好于对比班。利用SPSS20.0对2个班级的后测结果进行独立样本t检验表明，实验班在说明论证（p=0.007＜0.05）、分析解释（p=0.027＜0.05）、推论预测（p=0.002＜0.05）3个能力要素上的表现要显著优于对比班。

3.2 教师和学生访谈证据

表2“铜锌单液原电池工作原理的说明论证”环节教学活动片段

除了前后测的数据分析结果以外，对于每一节课后的学生和教师访谈也是获取教学改进效果证据的重要手段之一。由有关正式讲之后学生访谈的片段可以看出（见表3），通过2节课的学习之后，学生已经敢于自己完成设计电池的任务，对实践应用能力中简单设计的掌握情况很好，而且可以有角度有思路地完整表述整个设计过程，说明对于学习理解能力中A2概括关联和A3说明论证的掌握情况也较为理想。不仅如此，学生能够自信、准确地说出各要素的判据，其自我效能感也有很大的提高。

图7 实验班和对比班在各能力要素上的后测平均分

此外，由教师在整个教学改进过程结束之后的教学反思片段（见表4）也可以看出，教师对学生活动的设计和预设很清楚，而且S老师意识到了在每个环节之后停下来让学生整理思路的意义：1）教师可以有节奏地进行调整梳理；2）教师有机会了解学生的差异性的想法；3）教师意识到如何针对学生的这些原有认识去提升，保证后面的反馈评价对学生来讲更有针对性。

可见，无论是从学生学科能力表现测评的定量结果分析，还是对于学生和教师教学改进之后的访谈定性分析，都可以找到支持教学改进效果的正向证据。基于这些证据，还可以进一步提炼相关的有效教学策略。例如，教师在教学设计中增加关于电池原型的“概括关联”和“说明论证”类的能力活动任务，是提升学生在该主题这些能力要素上的学科能力表现的必要前提，尽管这仍然不够充分。由进一步的课堂观察和访谈可以发现，在教学实践的过程中，给予学生充分的讨论和表达的机会，进行及时有效的反馈和追问，是实现这些能力素养真正落地的重要保障。

4 讨论与启示

上述测查结果分析及教学实证研究表明，学科能力的表现指标及测评框架对教学设计起到了很好的规划和指导作用，具体表现在以下3个方面：

表3 正式讲课后学生访谈实录片段

第一，基于学科能力框架的前期测查可以帮助教师更好地了解学生的发展现状，明确教学的关键点和发展点。常规的测量评价更多指向学生学习结果的终结性评价，而核心素养引领下的课程评价应当更加强调“促进学习的评价”。在前述基于学科能力测评的教学改进研究案例中，教师不仅可以通过评价对现阶段的学生学习效果进行测评，更可以基于评价结果确立教学的关键点和发展点，开展教学实践，最终再基于评价反馈教学效果，进行现阶段的教学反思和下一阶段的改进。这是一个循环往复的过程，可以帮助教师不断地发现学生学科能力素养发展的薄弱点，不断地优化自己的教学设计和教学实践，不断地提升自己的教学能力，不断地发展学生的学科能力素养水平。

表4 正式讲后教师访谈实录片段

第二，基于学科能力框架的教学设计能够突出学生活动任务重点。例如在原电池第一课时建立单液铜锌原电池模型时，能力发展的重点目标是发展学生角度的建立、角度间的概括关联以及工作原理的说明论证和分析解释的能力，那么这一部分主要的学生活动就是让学生去讨论装置中各个要素的作用，分析电流产生的原因以及电池的工作过程。在明确了能力发展目标和学生活动任务之后，自然也就帮助教师明确了师生活动的重点应该是让学生思考、讨论、分析与描述它的工作过程，而不是由教师单方面地讲解概括，然后让学生去记忆。

第三，基于学科能力框架的教学设计也使得教师对于作为任务活动载体的素材的选取和使用有了更加清晰的认识。学科能力活动的类型与素材的陌生复杂度本身就是相互关联的，教师既可以依据能力活动的复杂程度来控制情境素材的陌生度和间接度，也可以依据素材本身的陌生度和间接度来选取适宜的学生活动任务类型。教师在教学时提问和设问的水平往往会改变活动任务的难度，例如，教师提供一个陌生复杂的情景素材，希望发展学生复杂推理或系统设计的能力，但在具体设问时，往往会将问题拆解得过于细碎，很少给学生系统思考的时间和机会，从而导致原本设计的迁移创新类活动任务变成简单的应用实践甚至是学习理解类的任务。因此，教师在进行素材的选择和使用时，需要依据预设的学科能力发展目标对素材的陌生复杂度进行适当的加工和设问点的挖掘，同时在教学实践中还要根据学生的情况进行及时的调整和追问，以充分发挥每一个素材背后所承载的学科能力发展功能价值。