指向科学思维评价的试题命题立意探析——以2021年温州市初中科学学业水平考试第25题为例

翁庆双，胡声伟

1.瑞安市教育发展研究院，浙江 温州 325200

2.瑞安市飞云中学，浙江 温州 325200

科学思维是从科学视角认识客观事物本质属性、内在规律及相互关系的认识方式，主要包括模型建构、推理论证、创新思维等要素。科学思维不仅是学习科学所应必备的关键能力，也是适应现代社会发展的核心思维方式，而且可以迁移到其他领域，是科学课程核心素养的核心，是评价的重点，也是学业水平考试的重点。

科学思维的测评是将隐性思维活动可视化的过程。这需要让学生置于一个具有科学元素且真实的情境中，解决一个较复杂的问题，充分调用学生能力，展示科学思维的水平层级（图1）。

图1 科学思维可视化一般流程

浙江省初中学业水平考试中的实验探究题不是传统意义上的实验题，而是主要以实验为背景考查学生能力的试题。真实的科学实验以核心知识为载体，设计富有层次性，过程具有完整性，是科学思维考查的优良载体。本文以2021年温州市初中科学学业水平考试第25题为例，探析科学思维各要素的考查样式，试题如下。

（2021温州，第25题）据史料记载，欧姆曾用如图电路（图2）来研究电流的影响因素。该电路的温差电源中，铜与铋的两个接触面分别放在冰水混合物和沸水中，AB两端存在电压，其电压大小由温度差决定。欧姆将粗细均匀的铁丝两端插入水银中，接通电路。当电路中有电流通过时，小磁针会发生偏转，转动金属丝上端手柄，扭转金属丝，使小磁针回到原位置，记录手柄转过角度。他用粗细相同、长度不同的铁丝多次重复上述实验，部分数据如表1。已知手柄转过角度与电流大小成正比，粗细相同的铁丝电阻阻值与其长度成正比。

图2 电路图

表1 数据表

（1）在实验中始终保持“温差电源”的温度差不变的目的是____________。

（2）小明查阅资料发现：除铁丝外，欧姆还考虑了电路中水银、铜丝等导体的电阻R＇，才得出正确的电流与电阻关系。结合表中数据，判断R＇的阻值大约相当于本实验中多少长度铁丝的阻值？____________

A.5 英寸 B.10 英寸 C.15 英寸 D.20 英寸

（3）欧姆用粗细相同的金丝、铅丝代替铁丝重复上述实验，发现当手柄转过角度相同时，金丝的长度比铅丝长。据此推测，若金丝和铅丝的长度与粗细都相同，哪一金属丝阻值更大？简要说明理由。____________

1 以实验解读为载体，考查模型建构能力

在科学中，模型被视为是对真实世界的表征。建模则是对模型的建构，即从复杂的现象中，抽取出能描绘该现象的元素或参数，并找出这些元素或参数之间的正确关系，建构足以正确描述、解释该现象的模型的过程。学生模型建构能力的形成和发展是一个由简单到复杂、由基础到综合、由具体到抽象的过程，它经历了“认识模型—应用模型—建构模型”的学习进阶，参考课标中对学科核心素养的水平划分，建构学生模型建构能力的“学习进阶”构架（图 3）。

图3 模型建构能力的“学习进阶”构架

试题中对模型建构的考查不是简单判断学生有或没有具备这种能力，而是将学生能力进行层级归类。该题是以科学家欧姆对于电流、电压、电阻三者关系实验研究为背景，从任务设计和评价标准等多角度评价学生的模型建构能力。

1.1 结合概念和原理，建构简单模型

实验目的的解读不是纯粹的步骤理解或信息提取，在面对较复杂的实验装置时，学生需要去繁求简才能凸显实验的精妙，这就是建模的过程。第（1）小题的解答需要将实物逐步模型化（图4）。

图4 实物装置的模型建构过程

从图4中的a图到b图。这是实验装置图到电路图的简单转化，是对基于电路模型理解的读图能力的考查。转化过程难度不大，但却是在模型建构观念指导下完成的，依赖于学生在长期认识和应用模型的实践中对模型建构方法的认可。

从图4中的b图到c图。根据表格，得出实验是以改变铁丝长度来改变电阻大小，即R为变阻器。结合控制变量法和欧姆定律，明确实验目的是研究电压相等时电流与导体电阻的关系。

从图4中的c图到正确解答。完成图4中c图的建构后，需要梳理电路中的物理量：U=U。结合题干信息，得出保持温差不变的正确目的。

和教材中电流与电压、电阻关系的实验探究相似，学生较为熟悉实验电路。将陌生的实验设备与类似的模型关联，并在比较后将其抽象化、符号化，这是在模型建构思维能力主导下进行的。

1.2 综合整体与局部，建构复杂真实模型

相较于第（1）小题的简单电路模型建构，第（2）小题对模型提出了更高的要求。从信息筛选角度上看，本小题需要提取实验现象，即表格中数据的关系。这是一种定量角度的考查，要求学生不仅能将实物转化为模型，还能将各科学量之间的关系梳理形成模型。

1.2.1 电路模型完善

根据第（2）小题的信息补充，图4中c图的理想状态进一步得到完善（图5），这是第（1）小题简单电路模型建构的延续，是更全面地考虑对实验结果产生影响的各个因素。

图5 电路模型的进一步完善

1.2.2 数学模型建构

从第（2）小题的问题来看，它要求学生明确R＇与铁丝长度l之间的关系。这需要将相对形象的电路模型进一步抽象化，得到式①；将题干中的文字信息数字化，得到式②和③；将第（2）小题中的问题方程化，得到式④。将式①到④进行数学方法的整理，结合欧姆定律，最终得到各科学量之间的定量关系模型。选取表格中的任意两组数据代入模型中，求解得出答案。

电路模型不是实验全部，结合小磁针系列装置，经过多次转化才能全面解析实验现象。在真实的非良构情境中，众多影响因素间的关系需要借助数学方法的高度浓缩才能得以展示。这是从形象的图形类模型建构到抽象的关系类模型建构的进阶，也是从局部了解整体认识的思维提升。

2 以材料筛选为途径，凸显推理论证能力

推理论证体现在基于证据与逻辑，运用分析与综合、比较与分类、归纳与演绎等思维方法，建立证据与解释之间的关系并提出合理见解。这需要在一个具有多种可能性的真实情境中发现问题，寻找问题与已有条件的关联，建立解决问题的路径。其中，关联的过程便是基于证据和逻辑的推理论证过程。

2.1 双变量影响，实现逆向推导

推理论证常见的测评方式是检验假设、得出结论、阐述自己观点的合理性或基于证据对观点的反驳。对于欧姆定律而言，学生不具备评析结论的知识和能力基础，若寻找结论的证据支持，亦只能调动学生的记忆储备而无法显现科学思维。第（3）小题以金属丝材料种类为依托，从实验结论出发，探讨实验材料选择的合理性，这是以认可结论为前提的逆向推导过程。

第（3）小题要解决的核心问题是金属丝材料的种类与手柄转过角度之间的关系。学生需要以模型和原理为基础，从满足手柄转过角度相同的实验需求出发，将转过角度逆向转化为电流，结合欧姆定律，联系电阻阻值大小（图6）。电阻阻值受材料种类、长度、粗细等多个并列因素的影响，且长度和粗细对电阻值的影响趋势相反。三个变量同时存在使阻值变化有太多的可能性，不便于准确测评思维过程。第（3）小题以题干信息的形式主动排除了材料粗细的影响，结合金属丝电阻相同的推导结果，筛选出两种影响情况：长度较大、材料电阻较小和长度较小、材料电阻较大，以双变量来实现结论的相互论证。

图6 第（3）小题推理过程

2.2 借长句表述，展示思维过程

选择题的作答具有一定的随机性，而非选择题中，除了核心知识的填空外，还有一部分是“理由是”“依据是”“优点是”“结论是”“预期结果是”等长句表述类问题。专业语言表达与文字书写的逻辑性需要科学思维支撑，是科学思维的外显过程。第（3）小题通过“说明理由”的长句表述，展示学生的思考过程。该题的参考答案如下：

铅丝阻值更大。实验中长金丝与短铅丝阻值相同，而横截面积相同的同种导体长度越长阻值越大，当金丝与铅丝长度相同时，铅丝阻值更大。

科学思维能力较差的学生，一般只能完成推理过程中的某几个环节，这能从解答中直接体现。学生的常见错误解答大致有以下几种：

①金丝电阻大，因为导体越长，电阻越大。

②铅丝电阻大，因为铅的比热（密度、熔化时的温度、热胀冷缩、质量等）较大（小）。

③金丝电阻大，因为偏转角度大，电阻大。

3 以科学史料为情境，体现创新思维能力

创新思维能力体现在从不同角度分析、思考问题，提出新颖而有价值的观点和解决问题的方法。可见，创新思维能力主要体现在认识创新的事物和创造性解决问题，后者对能力有更高的要求。专家们普遍认为，与学科结合的创造性思维测评比较困难，难以在较短时间的纸笔考试中有效展现，在2017年国家科学质量检测框架中也没有包括质疑创新维度。但多角度认识事物和形成观点的证据意识在测评中能够充分展现，是模型建构、科学推理与论证等科学思维中其他要素考查的基础。该试题以欧姆定律发现的科学史为背景，提供一个契合的试题情境，以此真实而丰富的实验素材体现创新质疑能力的基础。

3.1 重现实验过程，多途径获取信息

欧姆定律的实验研究是在缺少电流表、电压表和各种不同定值电阻的历史背景下展开的，这不同于教材展示的实验方案。教材提供了准确的电路图和电学元件，学生明确实验目的，实验现象与数据来源直接，这有助于快速达到研究目的，但过于精准的实验导向不利于思维的创新。

该试题科学史背景下的试题情境中，采用小磁针加手柄的系列装置来实现对电流大小的定量判断，用温差来控制电源电压相同，用不同材料的电阻丝来改变电阻大小，信息获取的方式和内容更多。丰富的信息是后续筛选、质疑和论证的基础。采用混合文本的呈现方式，将实验操作择其要点以文字形式介绍，实验现象以表格形式呈现，配合实验装置图重现经典实验。学生若要获取有效信息，不仅需要对试题情境准确认识，还需要与教材实验进行对比。

3.2 解读实验现象，多角度筛选证据

科学基于实证证据，对证据的解读有助于提出关于自然现象的推论。该试题中的图表和文字都是证据的呈现方式，学生解读数据和科学量间的关系，是对实验现象的解读，但却不一定都是证据。学生根据问题解决的需求，从中选择能支持自己观点的相关内容，这是筛选证据的过程，也是学生证据意识的体现。试题中第（1）（2）小题是应用证据得出结论，通过答案简洁反馈证据是否正确和完整。第（3）小题则是直接将证据以答案形式呈现，直观体现学生对证据的理解。

PISA2021增加创造性思维这一新的测试领域，它将创造性思维定义为能够有效参与想法的产生、评估及改进，从而形成有创意和实效的解决方案、知识进步以及对想象的表达能力，主要从创造性表达、问题解决和知识创造三个方面来测评。在大规模测试中，这是一次大胆尝试，也期待在后续的学业水平考试中能进行有效测评。

对科学思维的考查和分层，是教学内容中的重要一环。依标命题，以科学学科核心素养为命题立意的试题，有利于教学实现它的导向功能，对学生实现超出评价本身的育人价值。