指向高中生物理科学推理能力评价的试题编制探讨

邱佳乐，许桂清，张军朋

华南师范大学物理与电信工程学院，广州 510006

科学推理能力是依据科学事实，运用逻辑思维进行推理，进而作出解释或得出结论的能力。在物理学科中，科学推理是物理核心素养科学思维的重要组成部分，是一种高阶思维形式。近年来，关于学生科学推理的测评研究也成为热点。国内学者采用的科学推理能力测评工具，大多是Lawson编制的科学推理测试量表（LCTSR），该套试题虽整体的信度、效度良好，但与中国的课程内容、考试评价关联性不大。因此，开发符合我国国情的中学生科学推理能力测试题具有重要的实践价值和现实意义。

本文参考《普通高中物理课程标准（2017年版）》中科学推理的学业质量水平，分析出组成试题的核心三要素——情境、知识、推理水平，尝试编制出“只变换试题情境”和“只变换试题知识结构或考查要求”的命制不同水平试题的框架，并给出命题样例，以期编制成切合我国国情的高中物理科学推理能力测试题。

1 试题中“情境”“知识”“推理水平”的分类

高中物理学业质量水平是根据问题情境的复杂程度、知识和技能的结构化程度、思维方式或价值观念的综合程度来划分的，科学推理作为高中物理学业质量水平中科学思维的一个方面，水平层次同样可依据情境、知识和推理水平的不同来划分。因此，可将该三因素按不同的划分依据进行细化，在细化的基础上组合，形成考查不同科学推理水平的试题要素。对三要素的分类如表1所示。

表1 试题中“情境”“知识”“推理水平”的分类

表1中的模型化情境指的是已经建构好物理模型的情境，比如题目中明确提到质点、匀变速直线运动、自由落体运动、平抛运动等模型。模型化情境又可根据情境中有无具体背景分为有背景的模型化情境和无背景的模型化情境。

表1中将知识按结构化程度分为单一知识、板块知识和交叉板块知识。单一知识指的是单个物理概念或规律，比如摩擦力、静电力、电场强度、磁场强度等；板块知识指多个相互关联的知识组合在一起，比如力与运动是紧密联系的，可将其组合成“相互作用与运动规律（直线、曲线）”板块；将功与能组合成“能量及其守恒定律”板块；将力与时间的作用、物体之间的碰撞规律等组合成“动量及其守恒定律”板块。交叉板块知识是指同时考查两个板块及以上的知识，如同时涉及运动规律和能量。从单一知识到板块知识再到交叉板块知识，对知识的考查个数增多，对知识的结构化程度和应用程度逐渐增高。

表1中科学推理水平的划分是结合新课程标准中科学推理的学业质量描述展开的，各个水平的含义及解释如表2所示。该表可作为不同水平试题命制和评价的依据。

表2 科学推理的五个水平含义及解释

表2的科学推理水平划分实现了由定性到定量的转变，一步推理到多步推理的递进以及对得出结论要求的上升，是逐级递进的五个水平。

2 指向科学推理的试题命制策略

影响试题难度的各因素既各自独立又相互影响，变换某个因素，其他因素也会随之改变，例如解答试题所需要的科学推理能力会随着试题情境、知识综合程度的变化而变化，因此可通过变换试题情境或考查的知识来命制不同科学推理水平的试题。基于此，笔者开发了“只变换试题情境”和“只变换试题知识结构或考查要求”从而改变考查的科学推理水平的试题命制框架，如表3所示。

表3 “只变换试题情境”和“只变换试题知识结构或考查要求”的科学推理命题框架

表3以“单一板块知识”为例，设置由简单到复杂的五个不同情境，五个情境分别对应由低到高的五个推理水平；以“熟悉的物理情境”为例，设置考查知识结构或要求由少到多的五个水平，五个知识水平分别对应五个推理水平。具体试题样例如下。

3 指向科学推理的试题命制样例

在已有命题框架的基础上，编制“只变换试题情境”和“只变换试题知识结构或考查要求”的试题样例。

3.1 “只变换试题情境”的科学推理五水平试题样例

设定考查的知识结构不变，以“运动与相互作用”板块知识为例，围绕其设置表3中的五个情境，分别对应五个科学推理水平。五道题的内容如表4所示。

表4 围绕“运动与相互作用”知识编制的五个层次的试题

试题1是无背景的模型化情境，学生只要理解或记住自由落体运动的规律，便可定性分析出答案。试题2是有“物体竖直下落”背景的模型化情境，学生需要根据“匀变速直线运动规律”计算得出答案。试题3的“钥匙下落”情境是学生熟悉的生活情境，解答该题需要学生建构物理模型、经受力分析并结合牛顿第二定律的内容，进行分析和计算得出答案。试题4是竖直上抛运动与自由下落运动相结合的情境，属于学生较常见的生活情境。该题的难点在于所受空气阻力是变力，加大了试题的分析、计算难度，从而加大了推理难度。试题5的飞机起飞情境是学生陌生的科技情境，该题信息量多，迷惑感强，学生需要对题目背景进行细致的分析并找出重要、有效的信息，且需要进行一定量的定量计算，对学生的分析推理能力要求更高。

由此，该五题的情境实现了由无背景的模型化情境到陌生科技情境的转变，科学推理水平也实现了由“简单定性分析”到“复杂推理、表述结论并作出解释”的转变。

3.2 “只变换试题知识结构或考查要求”的科学推理五水平的命题样例

设定问题的情境不变，改变考查的知识内容或要求，以“带电粒子在匀强电场中的偏转”物理情境为例，设置考查五个不同知识内容或要求的题目，分别体现不同的科学推理水平。试题样例如表5所示。

表5 围绕“带电粒子在匀强电场中的偏转”情境编制的五个层次的试题

试题1属于对单一知识的考查，判断静电力的方向，通过对题目信息进行定性分析，便可得出答案。试题2需要运用“相互作用与运动规律”板块的知识，解答该题需在定性分析出电场力方向的基础上，进行定量计算。试题3可利用“相互作用与运动规律”板块的知识或“能量及其守恒定律”板块中动能定理的知识来解答，但选用哪个板块的知识进行解答所要经历的运算不同，即逻辑推理不同。用相互作用与运动规律来求解需要运算两步，但用动能定理只需求解一步，这可考查学生“灵活运用板块知识”的能力和综合推理能力。试题4需要用到“相互作用与运动规律”中的类平抛运动和“能量及其守恒定律”中的动能定理等知识内容，属于对交叉板块知识的考查；解答该题需要学生在综合分析问题的基础上实现“求最大动能增量”到求“合外力做最大功”再到求“最大位移”的思维转变，需要学生综合运用“类平抛运动的特点”“动能定理”等知识来进行求解。试题5考查了“相互作用与运动规律”板块和“动量及其守恒定律”板块的内容，属于对交叉板块知识的考查。最后解出“粒子进入电场时的速度”，可以采用两种方法，一种是分运动与合运动的关系，一种是动量定理。明显，采用第二种运算更加容易，这有利于考查学生灵活应用交叉板块知识的能力。

据此，在情境不变的情况下，从考查“单一知识”到“灵活应用板块知识”可分别实现对从科学推理“简单定性推理”到“复杂推理、表述结论并作出解释”的考查。

综上，情境、知识、科学推理能力是影响试题的主要因素，各自独立又相互制约，共同决定试题的水平等级，通过改变其中的一个因素或多个因素，便能实现对学生不同能力层次的考查。若需要对学生所处的科学推理能力进行有效鉴别，可针对每个水平设置多组试题进行多角度的测试。

4 小结与反思

本文主要探讨了如何通过“变换试题情境”和“变换试题知识内容或考查要求”来编制考查学生科学推理水平的测试题，设计了两个命题框架，依据框架命制了五个水平的试题并对其进行了分析。

本文只探讨了改变单一因素来命制五个水平的试题，还可以同时改变试题情境和考查知识来设置五个水平的试题。其次，对试题情境、知识、推理水平的分类还可以挖掘更多，为命制不同层次的试题提供更广阔的思路。最后，物理核心素养的四个方面本应是一个整体，试题的命制也应该考虑到各个方面，本研究只侧重科学推理这一层面，对于其他层面的试题编制策略也可以进行尝试。