基于三重表征的学生科学思维素养测量——以高中生物学科为例

◎ 闫白洋

为落实立德树人根本任务，2017 年版高中课程标准正式提出高中学科教学要发展学生的核心素养。科学思维是核心素养的重要组成部分，是智力发展的最终目标。在数学、生物、物理、化学等学科核心素养中，均将科学思维作为重要内容。科学思维是进行科学探究、建构科学概念、解决科学问题所必需的品质，能促进学生其他智力能力的持续发展。［1］如何测量学生的科学思维素养是当前我国课程与教育改革所关注的热点问题之一。本文以生物学科为例，利用“宏观、微观和符号”表征（以下简称“三重表征”）理念，编制试题测量学生的科学思维素养，为我国基础教育培养学生科学思维的研究提供参考。

一、三重表征理念概述

三重表征是由苏格兰格拉斯哥大学科学教育中心的约翰斯（A.H. Johnstone）教授提出，它是指关于化学学习的宏观、微观和符号三种水平。他认为该理论也适用于物理、生物等其他科学课程的学习。［2］对于生物学科的学习而言，三重表征是指“宏观—微观—符号”三类知识在头脑中的加工过程和储存形式：一方面，它是认知结果在大脑中的储存形式；另一方面，它是学生在大脑中构建、组合、表示当前学习的知识，并将其组成有机整体，形成内在联系的认知活动过程。［3］在三重表征建立和相互转化过程中，需要学生能够基于生物学事实和证据运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维、创造性思维等进行论证和探究，这也恰恰是生物学科核心素养科学思维的实质，因此可以利用三重表征进行测量科学思维素养试题的命制。

二、利用三重表征编制测量科学思维素养试题的方法

利用三重表征进行试题命制时，以生物学概念为载体，围绕着科学思维素养的内涵及测量水平目标，选择三重表征的建立或者相互转化为切入点，设计情境及问题，具体流程如图1 所示。

图1 利用三重表征测量学生科学思维素养试题的编制流程

（一）测量目标的确定

试题测量目标的确定以《普通高中生物学课程标准（2017 年版2020 年修订）》（以下简称《课程标准》）关于科学思维素养和学业质量标准的描述为依据。《课程标准》对科学思维素养内涵的界定包括“利用科学思维方法形成和阐释生物学概念和内涵”“利用科学思维方法探讨、审视或论证情境中的生物学问题”“对于争议的社会议题通过逻辑推理阐明自己的立场，做出决策解决问题”等。其中的科学思维方法主要有归纳与概括、演绎与推理、模型与建模等。如何处理科学思维内涵与科学思维方法的关系？现有研究多聚焦于某一种科学思维方法的测评或教学，比如聚焦于归纳与概括、推理与演绎等。笔者认为，上述几种科学思维方法并不是独立存在的，归纳与概括中也会有推理与演绎等，完成一个任务或者解决一个实际问题，所利用的科学思维方法并不是独立的。基于此，测量目标的确定不是将科学思维方法单独列出来进行测量，而是以科学思维的内涵为测量目标，通过试题的解答情况，判定学生综合的科学思维素养水平，推测学生利用某种科学思维方法的能力。测量目标还要确定所测量的科学思维素养不同水平的行为表现，具体如表1 所示。

（二）学科概念的选择

学科概念是科学思维素养测量的载体，《课程标准》对科学思维素养内涵的描述包括“形成生物学概念”“利用生物学概念或原理”等。因此，在试题命制中，根据测量目标选择适当的生物学概念。在学业质量标准水平划分中，对科学思维素养的四个水平描述除了行为动词的学习进阶，学习内容也呈现明显的进阶。水平一和水平二要求的生物学概念是“分子与细胞”“遗传与进化”模块。水平三和水平四要求的生物学概念增加了“稳态与调节”“生物与环境”“生物工程与技术”模块。《课程标准》的“内容要求”将生物学概念分为大概念、重要概念和次位概念等，生物学概念均涉及生物学的三重表征，只是侧重点不同。

（三）表征类型的选择

选择表征方式要根据测量目标和学科概念选择最佳测评表征类型。就测量目标而言，通常情况下，建议测量水平一和水平二选择三重表征进行试题命制，测量水平三和水平四选择三重表征之间相互转化进行试题命制。三重表征设计的试题可以是流程、机制、途径等，可以给学生呈现生物学事实和证据的表征内容，让学生根据表征内容，运用科学思维方法建立生物学概念或规律，或者根据情境要求，改变表征的内容的某个条件，让学生运用适当的科学思维方法去预测结果和趋势，并做出解释。三重表征之间相互转化中，可以进行两个表征之间的相互转换。例如，宏观和微观的转换，可以是通过微观表征解释或预测宏观现象，也可以是通过宏观表征验证或修订微观解释等，还可以进行三个维度的转化。

表1 科学思维素养内涵及各水平行为表现

（四）情境设计

当前国际重要科学测评项目，如PISA、NAEP、TIMSS 等，均强调在真实的情境中运用知识和技能解决真实问题的能力。测量学生科学思维素养的最佳途径是在真实情境下，测量学生解决问题所表现的科学思维素养水平。

生活中存在不同复杂程度的情境。从简单情境中可以比较容易地分析信息，明确任务，解决问题，适合测量低水平的科学思维素养。复杂开放的情境则需要整合相关概念和原理，综合利用科学思维方法才能解决问题，可以测量高水平的科学思维素养。在设计情境时，首先要寻找科学思维素养表现与真实情境之间的结合点；其次要确定恰当的情境呈现方式，在明确科学思维素养与设计情境的内在关系后，从问题解决过程的角度审视情境的呈现或表述方式，要呈现影响到情境（任务）对目标行为或表现引发的特征，并选择适度的支撑性资料或数据，这些资料可以是文字描述，也可以设计图表呈现数据；最后应遵循情境的真实性、靶向性、广泛性和新颖性等原则，情境的来源可以是科研论文、新闻报道、社会热点、科学史和生活经验等。在设计情境时，需要对情境资料进行加工处理，比如科研论文情境，建立素材与试题目标、学科内容之间的联系，可以通过简化实验分组、实验步骤、图表数据等方法去除无关信息，进而完善情境的呈现方式和内容。

（五）问题设计

对于科学思维素养测量来说，通常设计的题型是选择题（单项选择题和多项选择题）、填空题、简答题和论述题。选择题、填空题和简答题通常用于测量低水平的科学思维素养。论述题可以测量高水平的科学思维素养和学生的表述能力。因此，建议在测量低水平科学思维素养时可以设计选择题、填空题和简答题，测量高水平科学思维素养时要设计论述题。例如，利用“中国富豪为年轻30 岁，花费400万远赴乌克兰注射胚胎干细胞”测量“运用科学思维对有争议的社会议题阐明立场，做出决策并解决问题”的能力时，对应测量科学思维素养水平一时，可以设计填空题，让学生判断是否认可这件事情；测量科学思维素养水平四时，可以设计论述题，让学生对这一有争议的社会事件做出分析，并阐述自己的观点。

（六）水平判定

科学思维素养水平判定时，可以采用SOLO 分类理论。SOLO 分类理论认为一个人回答某个问题时所表现出来的思维结构是可检测的，并确认了五个不同的思维水平层级，即前结构层级、单点结构层级、多点结构层级、关联结构层级和抽象拓展结构层级。［4］与科学思维素养水平及SOLO 分类层级相应的表现参照如表2 所示。［5］SOLO 分类理论评价的目标是学生学习行为的结构，从学习结果在结构上的复杂程度出发来评价学生的思维能力，评价目标界定清晰、目标明确，可以为科学思维评价提供新的思路。

三、利用三重表征命制测量科学思维素养试题案例及分析

【试题案例】科学研究者发现，生长素（IAA）运输以细胞到细胞的方式进行，生长素输出细胞与PIN 蛋白相关。PIN 蛋白会通过胞吐（依赖于生长素应答因子ARF）输出IAA，部分过程如图2 所示。（改编自2015年上海市高考试题）

（1）根据图2 判断，下列表述正确的是（多选）。

A. GNOM 蛋白活性增强，抑制PIN 蛋白胞吐

B. IAA、AUX/IAA 与TIR 1 蛋白结合，促进IAA 输出

图2 部分过程示意图

C. 高浓度IAA 促进AUX/IAA 被分解为碎片

D. TPL 与AUX/IAA 蛋白结合物含量升高，无助于IAA 的输出

（2）若植物茎某处的IAA 浓度恰好为最适生长浓度，假设顶芽细胞的PIN 蛋白被持续抑制，则对茎该处的生长____（有利/不利/无影响），相关原因为________ 。

（3）结合PIN 蛋白的功能，解释绿化工人对行道树进行修剪的原理：________ 。

【试题分析】该试题的测量目标是利用“运用科学思维解释情境中的生物学问题”科学思维内涵，测量学生科学思维素养水平二、三和四的行为表现。试题（1）选择的是符号表征，测量学生科学思维素养水平二的表现，需要学生能够利用推理与演绎、模型与建模和创造性等科学思维方式分析符号表征过程。试题（2）和（3）选择的是表征之间的转换，测量学生科学思维素养水平三和水平四的表现，试题结合了真实情境，要求学生能够运用正确的思维方式去预测和解释。

四、总结与反思

本文以三重表征理念为指导，探索出测量科学思维试题的命制方法，包括：确定测量目标、选择学科概念和表征类型，进行情境和试题设计、研制素养水平判定方法等，经过命题实践，此命题方法在命制科学思维试题方面有着重要作用。然而，科学思维素养包括三个方面的内涵，仅通过测量其中一个方面的内涵表现是不足以做出科学推断的，因此需要用多道多类型试题进行测量。通过测量实践，笔者发现学生在进行同样素养水平试题答题时情况会有所差异，这可能是试题命制的问题，也可能是影响学生答题的因素除了科学思维能力外，还有学科概念、阅读理解能力等。因此如何更加客观地去测量学生的科学思维能力，还需要更多地探索和实践。