指向高阶思维发展的表现性任务设计与实施——以“焦耳定律”为例

颜石珍 张晓艳

(杭州市文海实验学校，浙江 杭州 310018)

高阶思维是指发生在较高认知水平层次上的心智活动或较高层次的认知能力，包括分析和解决问题能力、批判性思维能力、创造性思维能力和决策能力.布卢姆教育目标分类学(修订版)将认知领域的学习结果分为知识和认知过程两个维度，认知过程维度分为记忆、理解、应用、分析、评价、创造6个水平.[1]记忆、理解和应用，通常被称为“低级思维能力”，分析、评价和创造，通常被称为是“高阶思维能力”.杜威认为高阶思维的发生即是“反思—问题生成—探究、批判—解决问题”的过程.《普通高中物理课程标准》正式提出物理学科核心素养，其中科学思维是基于经验事实建构物理模型的抽象概括过程；是分析综合、推理论证在科学领域的具体运用；是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑和批判，进行检验和修正，进而提出创造性见解的能力和品格.[2]

当下的教学有必要引入“表现性评价”促进学生的高阶思维的培养和学科核心素养的落地.表现性评价是在尽量合乎真实的情境中，运用评分规则对学生完成复杂任务的过程表现或结果做出的判断.[3]表现性评价三要素是指表现性目标、表现性任务、评价标准(评分规则)如图1.

图1 表现性评价三要素

“焦耳定律”描述的是电能转化为内能的规律.生活中电流热效应现象普遍，焦耳定律应用也非常广泛.本次教学借助表现性评价的设计与实施以提升高阶思维能力.首先建立一个指向高阶思维和核心素养的表现性评价目标，其次设计聚焦高阶思维的表现性任务，再次利用评价标准即评分规则进行评价.

1 设计指向高阶能力的表现性目标

表现性目标指向高阶思维和核心素养，结合焦耳定律的内容，设计表现性目标(见表1).

表1 表现性目标

2 设计与目标匹配的表现性任务

表现性任务应使学生展示他们所掌握的知识和技能，如用焦耳定律解释生活现象.能在任务中展示深度学习，学生愿意主动参与，自主计划，选择适合的方案完成任务.如在研究电流热效应效果时有多种转换的方法.

基于对“焦耳定律”教学内容的分析，设置表现性任务如图2所示.

图2 表现性任务

3 开发可观测的评价标准

评价标准是对学生完成复杂任务的过程表现或结果需要达到的标准的设计.根据表现性目标和任务将评价分解为若干个评价指标，对每一指标的表现水平进行详细的质量表述，一般以评价量表的方式呈现.

科学探究是指基于观察和实验提出问题、形成猜想和假设、设计实验与制定方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并做出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力.根据探究要素设计评价量表(见表2).

表2 评价标准

续表

科学解释是指基于经验事实，运用科学知识和科学推理解释实验中或生活中的科学现象.

设计科学解释的评价量表(见表3).

表3 科学解释的评价量表

4 教学过程

4.1 创设情境，提出问题

教师：给铅笔芯通电，请预测会有什么现象产生？

学生：发热或者烧断.

教师演示：将0.5 mm的HB铅笔芯接入9 V的电路中，现象如图3-5所示.

图3 铅笔芯冒烟

观察现象：开始时铅笔芯冒出白烟，然后导电部分逐渐变红，发出耀眼的白光.

教师：铅笔芯发热发光，能量是如何转化的？

学生：电能转化为内能.

除了发光发热外学生还疑惑：铅笔芯为什么会冒白烟？

教师提供资料：铅笔芯的成分是石墨和黏土，根据石墨的含量不同分为2B/HB/2H等，这些粉末状的材料是利用胶水粘起来的.石墨的熔点为3650 ℃以上，黏土的熔点为1700 ℃以上.胶水不到100 ℃即可熔化.

教师：根据以上信息请做出合理的推断和提出科学问题.

学生：电流通过铅笔芯发热，白烟可能是胶水熔化挥发或者灼烧形成.发热温度升高，放热发光.那么电流通过导体发热多少与哪些因素有关？

再次体验：每个小组将5 Ω和10 Ω的定值电阻接入电路，利用感温片包裹辅助观察发热情况.在串联电路中10 Ω电阻的感温片先变色.如图6、7所示.

图6 串联电阻

确定研究问题：电流通过导体产热多少与哪些因素有关？

4.2 实验探究，发现规律

4.2.1 建立假设，清晰描述自变量与因变量

影响通电导体发热的因素有电流大小、电阻大小、通电时间.请学生建立假设并说明建立该假设的依据，依据来自生活经验或实验观察等.

假设1：通电时间越长，导体产热越多.依据是生活中烧水时间越长水温越高水吸热越多表示电热丝产热越多.假设2：通电导体电流越大，产热越多.依据是电流越大，做功越多，电能转化为内能越多.假设3：导体的电阻越大，产热越多.依据是电阻越大阻碍越大，产热越多.

4.2.2 设计、评价、完善方案

提供器材有：电源、导线、开关、定值电阻、滑动变阻器、温度计、水、变温贴等.

呈现设计要求：阅读评价量表中关于方案设计部分，理解评价标准.然后根据以下4个问题和要求设计实验.① 自变量如何改变；② 因变量如何观察；③ 无关变量如何控制；④ 多次或重复实验如何实现？ 画出电路图和实验示意图，并写出实验步骤.

学生呈现假设2的设计思路如下.① 自变量改变:通过滑动变阻器改变电路的电流，如I1=0.1 A和I2=0.2 A； ② 因变量观测：变温贴显色法如图7； ③ 加热水测温法如图8、9所示；④ 无关变量控制：同一定值电阻(10 Ω)、通电时间相同(2 min)；⑤ 多次或重复实验：改变电流重复实验以减小误差或避免偶然性.

图8 加热水初温

评价方案：利用评价量表作为学习支架，小组合作交流自主评价，用红色笔完善不足的地方.

教师：阅读书本实验方案，与我们基于单一变量设计的实验方案进行对比，发现不同与优势.

学生：书本把3个实验假设整合到一套实验中，大大提高了实验的效率.利用煤油的体积变化来显示因变量的变化.

4.2.3 从定性到定量的实验进阶

教师：变温贴变色法、煤油体积膨胀法、加热水测温法有何区别？

学生：有定性研究和定量研究的区别.定量研究方便找出电热丝产热与各因素之间的定量关系.

教师：如果进行定量研究，如何改进才可减小误差？

学生：测量水的升温过程中，没有考虑壶身的吸热和向空气中散热的差异.为了减小误差需要做好保温措施.

学生实验操作，采集数据并记录(见表4).

表4 实验数据采集

实验结果分析：当电流变为2倍时，导体产热接近4倍.电阻变为2倍时，导体产热也接近2倍，当通电时间变为2倍时，导体产热也接近2倍.

实验结论：电流通过导体产热的多少与电阻和通电时间成正比，和电流的平方成正比.

4.3 迁移运用，问题解决

4.3.1 现象解释

引导学生学习PTDR解释框架和评价量表.PTDR框架即指“现象—理论—资料—推理”，如图10所示.资料是通过对现象的分析获取的事实信息，科学知识包括概念、规律、理论等，然后利用资料和科学知识进行推理.

图10 PTDR解释框架

生活现象：灯丝断了，重新搭接后，发光越来越亮，为什么？

引导学生解释，并利用评价量表进行自我评价.师生交流改进后的解释如图11所示.

图11 生活现象解释

科学解释不是科学理论和科学资料的随意堆砌，而是符合逻辑关系的推理过程.借助PTDR解释框架作为显性化脚手架支持，有利于科学解释能力的培养.

4.3.2 问题解决

任务呈现：请设计一个具有保温和加热两挡功能的电饭煲，要求加热挡的功率为1000 W，保温挡的功率为400 W，电路如何设计？电阻丝需要满足怎样的规格要求？

学生设计方案(略).

学生讨论交流，分析每种方案的优缺点.方案4体现了学生的创意思维.

5 总结与反思

5.1 深刻理解高阶思维与表现性评价的关系

科学教学需要让学生在学习历程中建立起科学观念和思维方法，形成对科学的认识和理解并能运用科学知识解决问题.传统笔纸测试难以检测学生所有的能力，特别是高阶思维以及社会性发展能力.表现性评价运用实践性的任务评价学生运用知识解决问题的能力，是高阶能力评价的有效选择.科学中的高阶思维常表现在科学建模、科学推理、科学论证过程中运用分析综合、抽象概括、归纳演绎、质疑创新等思维方法.所以在设计表型性评价时需要充分挖掘科学中的高阶思维，让学生在解决问题过程中实现核心素养的提升.

5.2 合理设计表现性目标和表现性任务

表现性目标是回答评什么的问题，体现高阶认知，对接科学核心素养.表现性任务是回答用什么评的问题.任务兼顾过程与结果，学生经历展示任务完成的整个过程，而不是仅仅给出一个答案，如完整的实验探究须经历从方案设计到数据采集到结论得出以及表达交流等过程.任务强调情境的真实性和开放性，需要综合运用科学知识解释生活现象或创造方案以解决问题.如设计不同挡位的电饭煲可以用串联电路也可以用并联电路.学习者的学习动机会随着任务的真实性程度提高而变强.表现性任务还须具有探究学生知识建构、观察学生思维层次与策略的功能.

5.3 充分发挥评价标准(评分规则)的作用

评价标准不仅是教师评价任务的工具，也是学生自我评价的支架，帮助学生明确学习需要达到怎样的程度，目前已经达到哪一程度.评分规则须清晰易懂，便于引领和促进学生的学习.评价过程也是自我改进和自我反思的过程，如探究评价量表明确了每一步探究技能所需要达到的要求，当学生进行了学习和反思后，该探究方法可以迁移到下一次的探究中.和教师点评相比，学生间的互评也更加平等，互评还可以加深对评分规则内涵的理解，因为同伴不仅评分还要解释给出这个分数的依据和标准，以及哪里需要改进.基于标准的评价增加了生生交流的机会，同时也保障了生生之间交流的有效性.