区域小学生“科学应用”能力的调查与启示——基于TIMSS试题和数据视角

史加祥 上海市金山区教育学院

《义务教育小学科学课程标准（2017 版）》指出，小学科学教育教学除了科学知识与概念的教授之外，还需要提升学生问题提出、收集与处理信息、分析与解决问题的能力等。学生能力的发展需要发挥课堂主阵地作用，同时需要改革评价指向。研究基于TIMSS针对小学科学测评的试题与数据，对区域小学四年级学生的“科学应用”能力进行了调查，结果显示区域学生整体表现较好，但学校、学生之间的差异较大，在“科学应用”发展要求上的表现也存在一定差异。区域调查研究显示，需要进一步加强科学课堂教学研究，激发深度学习发生，促进学生科学课程核心素养发展。

PISA（Program for International Student Assessment，国际学生评价项目）和TIMSS（The Trends in International Mathematics and Science Study，国际数学与科学教育趋势研究）是目前比较成熟的国际测评项目。PISA 主要针对初中学生的科学、数学、阅读等进行评价，中国部分省市参与测评并取得了优异的成绩。TIMSS 除了针对初中生之外还面对小学四年级学生，主要评价数学、科学。本研究主要利用TIMSS试题对区域小学四年级学生的科学表现进行测评，并在国际数据比较中启发小学科学课程教学。

一、“科学应用”测评组成梳理与分析

PISA 对学生科学素养的测评由知识类型和能力标准组成，其中知识类型包括内容性知识、程序性知识和认知性知识，能力则由科学地解释现象、评价和设计科学探究、科学地解释数据和证据组成。能力评价要求针对15 岁学生能完成的科学实践活动，整体要求较高，对小学“科学应用”评价有一定的启示与借鉴。英国在新课程标准发布之后，建构了针对小学高年级KS2（Key stage 2）的测评框架，评价主要从内容与认知两个维度展开，内容维度主要是生物、化学与物理三大模块，认知维度包括知道与理解、应用与分析、综合与评价，具体要求见表1。

表1 英国小学科学“认知维度”发展要求

TIMSS 与英国小学科学的测评有着相似之处，虽然TIMSS 对小学科学测评框架一直进行修正与调整，测评的内容维度包括生命、物质和地球科学三大领域，认知维度主要包括知道、应用与推理，占比分别为40%、40%、20%，具体要求见表2。

表2 TIMSS科学“认知维度”发展要求

“科学应用”作为“认知维度”的中间层级，主要是评价学生在熟悉的科学与问题情境中应用科学知识、事实、关系、过程、概念和方法解决科学问题的能力。在学生科学认知能力发展层级中，“科学应用”位于中间，起到了承上启下的过渡作用，对区域学生“科学应用”水平的了解有利于整体把握学生科学学习的发展情况，并以此为基础进行课堂教学的实践。

二、“科学应用”领域调查对象与方法

研究对象选择了四年级学生，采取抽样10%的方式确定了最终参与调查的704名学生，在剔除0值之后，有效样本692份。

调查采用试卷测评的方式进行，试题来自2011 年和2015 年TIMSS 科学题库，对照四年级科学教材的内容分布，对题目进行了筛选，最终确定了18 道测评题，所属要求内容领域和“科学应用”的具体要求见表3。

表3 区域小学生“科学应用”测评试题分布情况

从试题分布可以看出，生命科学内容试题占比较大，在认知维度中，“信息诠释”和“解释”的试题占比较大。试题全部为选择题，测评采用集中到点上学校答题的方式进行，利用信息技术自动批阅与汇总，每道题目记1分，最高得分18分。

三、区域学生“科学应用”认知能力表现

研究利用SPSS 软件对数据进行分析，从区域整体到学生具体表现进行总结与提炼。

（一）“科学应用”认知能力的整体表现

在对数据进行描述性分析之后可以看出，学生最低得分为3分，得分率为17%，最高得分为17分，得分率为94%，平均得分为11.169分，得分率为62%。

表4 “科学应用”整体表现描述性分析

在对得分进行分析之后可以看出，得分比较高的是10 分、11 分、12 分、13 分，总占比超过50%，绝大部分学生的“科学应用”认知能力水平接近平均值。研究对参与调查学校与学生总分表现进行方差分析，结果显示不同学校在学生总体总分表现上呈现出显著性（p<0.05）的差异。

表5 学校与学生总分表现的方差分析

对方差进行深入分析，使用偏Eta 方来表示差异的大小，学校与学生总分表现之间的偏Eta方为0.09，处于差异中等（0.06）与大（0.14）之间，意味着各学校学生在“科学应用”认知水平表现上差异比较大。方差分析显示性别与学生总分表现之间不会表现出显著性差异，两者之间不存在相关关系。

学校的平均值与区域平均值分析比较，56%调研学校总分均值低于区域均值，学校学生总分平均值最大为12.91（得分率72%），最小值为9.61（得分率53%）。从数据可以看出学生在“科学应用”的整体表现较好，但学校、学生之间的差异较大。

（二）“科学应用”认知能力的国际比较

在使用TIMSS试题进行翻译、改编并进行调研的基础上，研究还充分利用TIMSS 数据将18 道试题的区域与国际正确率进行比较。

18道试题中，区域学生正确率超过国际的有12题，部分试题正确率与国际相比差距较大，如第一题主要考查学生对动物分类知识的应用，国际平均正确率为40%，区域正确率为77%，超过国际70%的最高正确率。第十八题主要考查学生对磁性和对比实验的理解应用，区域正确率为52%，超过26%的国际平均正确率，仅次于新加坡66%的正确率。从比较中可以看出，区域学生在对科学知识的简单应用上表现较好，在需要对提供的信息进行解读或者使用模型的试题上，区域学生在部分试题上的正确率低于国际平均正确率。

第七题考查学生能否应用所学对物体温度变化进行分析，区域学生的正确率仅为19%，低于国际34%的平均正确率，与新加坡73%正确率差距更大。

第七题：把一个热的煮熟的鸡蛋放进一杯冷水里。水和鸡蛋的温度会怎样变化？

A.水变冷了，蛋变热了。

B.水变热了，蛋变冷了。

C.水温保持不变，鸡蛋变冷了。

D.水和鸡蛋都变热了。

第十七题：下表显示了两种材料的特点：

关于材料1和材料2的陈述最有可能的是：（ ）

A.材料1是玻璃，材料2是粘土。

B.材料1是铜，材料2是木材。

C.材料1是铁，材料2是糖。

D.材料1是软木，材料2是黄金。

第十六和十七题主要考查学生对于提供信息的分析与解读，区域学生的表现均低于国际平均正确率，需要在此方面进行更多关注与培养。在对不同试题所属的具体应用维度进行分析，区域表现均高于国际平均水平，同时区域学生的正确率平均值均低于新加坡，尤其在“使用模型”“信息诠释”和“解释”上的差距较大。

在比较中可以发现区域“科学应用”的整体水平较高，但在具体应用水平上的发展不平衡，与其他国家之间还存在一定的差距。

（三）“科学应用”认知能力的具体分析

在整体分析和国际比较基础上，对区域学生“科学应用”认知水平进行具体的分析。研究对五个具体发展要求与学校、性别之间的方差进行分析，结果显示不同性别在五个具体发展要求的发展水平上不会表现出显著性差异，而不同学校对于“信息诠释”发展要求表现出一致性，对“比较分类”“联系”“使用模型”“解释”发展要求呈现出显著性（p<0.05），有着差异性。差异最大的为“使用模型”，正确率最高的学校为64%，正确率最低的学校为37%。

在对五个具体发展要求进行描述性分析之后可以看出，区域学生在“比较分类”“联系”发展要求表现较好，“使用模型”和“解释”发展要求表现较弱。A 校在研究中整体表现较好，五个具体发展要求均高于区域平均值，相比B校的整体表现较弱，学校间的差异较为明显。

在对区域学校梳理分析过程中发现，不同学校在五个具体要求中的发展是不平衡的，如C校在“使用模型”要求上的表现高于D 校和E 校，而在“比较分类”要求上的表现却低于D校和E校。三所学校中，E校在“比较分类”要求上表现最好，在“解释”要求上则表现最弱。

从具体的比较可以看出，不但学校间的发展存在差异，而且学校在不同发展要求上的发展也存在差异。

四、“科学应用”调查结果的启示与思考

学生的能力现状如何？基于现状又如何改进课堂教学？调查与评价的主要目的是促进教学变革，为学生的发展提供可能。

（一）整体把握认知水平，激发深度学习的发生

“科学应用”能力的调查是了解学生认知水平的实践活动，从调查中能够对区域、学校和学生的认知水平整体把握，从而改进教学方式，激发深度学习的发生。课程改革促使小学科学课堂教学从“双基”转为“三维”目标，也逐渐关注学生科学课程核心素养的发展，课堂教学发生了较大的改变，然而只关注课内传授，缺少知识的整体建构，缺少所学概念、知识在生活与情境中的应用。

要改变课堂教学中虚假学习和浅表学习的困境，科学教学需要向深度学习方向转型，深度学习有着高兴趣、高投入、持续深化与扩展延伸的特点，需要学生自主建构，不断发展和应用元认知策略。

研究针对“科学应用”进行了调查，对于TIMSS测评中“知道”和“推理”的认知发展要求没有涉及。学生真实学习过程具有缓慢复杂的特点，认识水平并不是线性发展，呈现出螺旋反复的动态变化，需要科学教学中整体把握和精心设计。对于教学目标和学生的认知水平划分有着不同的观点，布鲁姆将学习目标分为知识、理解、应用、分析、综合、评估，安德森在此基础上将“知识”修改为“记忆”，原来的“评价”变为修订版中的第五层次，第六层次修订为“创造”。六个层次都是从认知角度出发进行修订并调整，与此同时将“知识”进行了更为详细的划分，包含事实性、概念性、程序性和元认知知识，将学习目标从单一维度转变成双维度，对教学与评价起到了借鉴与启示。胡卫平从科学课程核心素养角度将科学综合能力理解为科学观念与应用、科学思维与创新、科学探究与交流、科学态度与责任四个主要组成部分，四个部分在不同年级有着不同的发展要求，对学生科学学业水平的测评需要整体设计和综合考量。

无论哪种理解观点或层次划分都可以看出学生认知水平具有多层次、复杂性的共同特征，不同的学生在科学课堂学习之后发展的能力和达到的水平也会存在较大的差别。在课堂教学中设计多种教学方式，提供丰富教学资源，给学生足够探究体验的时空，同时根据学生的年龄特征关注学生认知水平发展。区域有科学教师在科学教学中重点关注学生实验设计能力的发展，从学生提出问题、作出假设，再到设计实验方案、动手实验、观察记录实验现象、得出实验结论，学生的科学思维能力得到不断的训练与提升，对科学实验的认识与理解水平也会逐渐提升。有教师在高年级科学课堂教学中利用数字化实验设备能快速得出较为准确与科学的数据，经过持续的数据分析和提出问题，学生对数据的认知会逐步提升，认知水平也会得到发展。

（二）转变课堂教学观念，促进核心素养的落实

教师的“教”是为了学生的“学”，学生在科学课堂中除了获得科学知识之外，还需要不断提升科学认知能力，促进学生科学课程核心素养的发展。对于科学课程核心素养的理解，对教学和评价都有着非常重要的意义，科学课程核心素养是在不断反思科学学科本质观的基础上，对科学学科育人价值进行反思与凝练，是在科学学习过程中学生逐渐形成的科学知识和观念、科学思维方式和科学探究模式，是面对不确定、复杂现实生活情境时解决问题的综合性能力。

教师教学观念与课堂教学实践对于科学课程核心素养的落实有着重要作用，绝大部分教师对于科学课程核心素养的认识与理解逐步提升，意识到科学课程独特的价值和育人特点。然而，在教学实践中高位理解和低位实施的现实依旧存在，教师对科学课程的认识和以此为基础的教学实践，在教师成长过程中持续积累与沉淀，逐渐形成了科学教师特有的性情倾向与行为方式。围绕核心素养的教学需要教师走出已有的“舒适圈”，很多教师要么抵触，要么迫于压力做出一些表面的改变。可见，科学课程核心素养的落实需要教师教学观念的深度变革，在意识到核心素养的综合性的同时改进教学方式，将教材文本和课程标准要求转化为能促进学生深度理解的生活情境，让学生将已有经验与科学知识进行联系、应用与生成。

教师在观念转变的同时还需要改进课堂教学实践、保证核心素养的落实，在教学设计时重视意义建构、情境化场域创设和学生综合学习力发展，在课堂教学过程中让学生成为课堂的主体。如科学教师在“热空气”一课的教学设计中融入了多种学习方式，如现象观察、实验探究、科学阅读等，同时还提供了蜡烛、羽毛、保鲜袋、热成像仪等多种活动材料，在教师的一步步引导下学生充分探究、积极思考，对“热空气”这一科学概念和特点有了充分的认识，同时学生动手实践能力、观察与总结归纳能力等也得到发展，还了解了人类对热空气研究的历史过程。

科学课程核心素养的落实需要理解为先，更需要实践为重，区域“科学应用”的调查为课堂教学中如何发展学生认知提供了借鉴与启示。核心素养的落实可以采用“分”“合”“综”等多种方式进行，教师需要同时转变、改进教学观念与课堂实践，促进学生全面发展。

（三）加强影响因素研究，搭建全面发展的平台

调查与研究获得了学生的表现现实，对于影响学生认知能力发展的因素没有深入探究，仅将性别作为因素进行了分析。学生学习过程会受到各种因素的影响，有研究发现，教师因素和教材因素对学生学习科学有着影响，科学兴趣、自我效能、科学成绩能产生积极影响。

科学测评的目的是“以评促建”“以评促教”“以评促发展”，结果的获得是为了对影响因素的分析与把握，从而改进科学教学。对因素研究可以采用不同的方法，一是在测评的同时，通过问卷对其他因素进行调查并进行交叉分析，对课堂教学改进方向提供证据；二是选择部分影响因素进行针对性研究，如学生提出问题与解决问题的能力，关注学生学习过程中的变化，结合各种评价方式，分析因素的影响程度和对教学的启示。

无论是深度学习的发生，还是核心素养的落实都需要对学生学习过程和相关因素进行整体考量与研究，TIMSS 科学测评为形成具有区域特色的科学评价体系提供了借鉴，在此基础上区域还将不断探索其他方式评价，将过程性评价、综合性评价和增值评价等方式结合，发挥评价的诊断性、动态性和综合性特点，利用评价调控科学课堂教学，促进学生多样、全面发展。

对“科学应用”的调查是区域构建科学评价体系的实践尝试，研究结果显示了学生的认知表现，也对教学改进有一定的启示意义，后续研究还会继续借鉴TIMSS的评价框架、试题和相关数据开展评价变革研究，发挥评价导向与改进功能，真正促进学生科学课程核心素养的发展。