借助STEM项目凸显科学思维考查的试题命制——以2021年温州市初中科学学业水平考试第31题为例

翁庆双 胡声伟

(1.瑞安市教育发展研究院，浙江 瑞安 325200；2.瑞安市飞云中学，浙江 瑞安 325200)

2019年，教育部发布的《关于加强初中学业水平考试命题工作的意见》(以下简称《意见》)引起了社会的高度关注。《意见》强调“严格依据义务教育课程标准命题”，这便将育人的课程目标作为考查的目标，突出核心素养的提升。《义务教育科学课程标准(2022版)》指出：科学课程要培养的学生核心素养，主要是指学生在学习科学课程的过程中，逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的正确价值观、必备品格和关键能力，是学业质量监测的主要依据，主要包括科学观念、科学思维、探究实践、态度责任等方面。[1]其中，科学思维是从科学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式[2]，是科学学科核心素养的核心，也是测评的重点。

一、科学试题对学生思维考查的机理分析

科学思维是基于经验事实建构模型的抽象概括过程；是分析综合、推理论证等方法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与品格。[2]从学生学业考试的载体试题来看，试题有三个关键要素：测查目标、刺激情境和任务设计。测查目标就是评价学生运用科学知识、核心概念、规律、原理等解决问题的科学思维。刺激情境就是评价学生科学思维的载体，试题越熟悉，越有利于学生解答。但过于熟悉的试题往往直接刺激学生的记忆，答题的过程只是从知识储备中选择答案，考查的是记忆、理解的低阶思维。新颖的真实情境试题会激发学生思维，对高阶思维的考查有很大的帮助。任务设计是学生解决问题的脚手架，是考查学生思维的直接手段。学生解答试题的过程就是运用科学知识进行分析、判断、简化、建模等思维活动把情境化问题转化为非情境化的过程，然后运用科学公式推导、演算等方法，得到问题的答案。也即是，科学思维的考查是将隐性的思维活动可视化的过程，这需要让学生在生活化却又充满科学元素的情境中解决一个较复杂的问题，以充分调用学生的知识储备和科学思维。科学思维可视化的机理如图1所示呈现。

图1 科学思维在试题考查中的机理

二、基于STEM项目对科学思维考查的价值

1.初中化学STEM项目实施的价值

STEM项目学习是通过问题驱动，运用科学、技术、工程和数学等领域的知识与技能来解决现实问题，理解学科的核心概念和关键原理的学习方式。[3]在不同类型的课程中，STEM项目的侧重点并不完全相同。对于化学学科而言，STEM项目的实施过程不仅是学生的动手操作，它的成果也不只有最终的成品呈现。若将STEM项目理解为一套标准化的操作程序，必然将它囿于材料的搭建。装置的组装如果是基于模仿，那么获得的产品是属于低水平层次的。因为它忽视学生在项目实施过程中的思维发展，而失去了STEM项目在化学学科中的最大价值。

2.STEM项目和科学思维的宏观抽象关系

学科核心素养的提升是学科教学的主要目标，学科核心素养使学科教育给予学生未来发展所需要的关键能力、必备品格和价值观念，其实质是学科能力。基于学习理解、应用实践和迁移创新的学科能力是学科核心素养的共同要求，也是贯通不同学科领域核心素养的关键能力要求。[4]STEM项目学习强调问题驱动、跨学科整合、情境与合作等，核心是将分散的学科领域融合于问题的项目活动。STEM项目过程会涉及学生的学科关键能力，能有效提升学科核心素养；同时，项目也是科学思维的宏观表现，将微观的科学思维水平在项目的各个环节中显现出来(如图2)。

图2 STEM对科学思维培养的育人价值

3.STEM项目和科学思维的微观具体关系

科学思维主要包括模型建构、推理论证、创新思维等要素。[1]STEM项目从最初的生活、生产需求到最终的成品呈现，需要学生综合各学科知识并查阅相关资料确定初步方案，需要学生根据实际需求进行可行性分析和筛选，需要学生将生活中简单易得的材料进行创造性开发和应用。可见，两者间有密切联系(如图3)。

图3 STEM和科学思维的微观具体关系

科学思维的每种要素在STEM项目的实施过程中都有恰当的体现，STEM项目的进展也需要不同种类的科学思维作为支持，因此STEM是培养学生科学思维的有效方式，也是考查科学思维的有效手段。

三、基于STEM项目的科学试题的命制

STEM项目一般包含丰富的信息，将其加工成试题时，需要对信息进行筛选和处理。2021年温州市初中科学学业考试第31题是以“化学氧自制呼吸器”为背景的解答题，以该题为例，展示从STEM项目到科学思维考查试题的一般方法。

(1)小明设计化学氧自救呼吸器时，为确定制氧剂的用量，除了查阅人体每分钟呼吸次数外，还需了解哪些与人体呼吸相关的数据？▲。(列举一个)

(2)若该呼吸器需为使用者提供48克氧气，则至少需要含超氧化钾80%的制氧剂多少克？

(3)小明设计了甲、乙两种化学氧自救呼吸器，其内部气体路径如图4所示。你认为哪种方案更合理？说明理由：▲。

图4 化学氧自救呼吸器内部气体路径

1.设计与整理：明确STEM项目的步骤与环节

STEM项目源自生活、生产的实际需求，其成品具有一定价值和意义。在需求的驱动下，学生经历了从方案查阅到材料选择、从用量计算到成品制作的系列过程。这些环节对于STEM项目的推进是必不可少的，但对于科学思维的考查却不需要面面俱到。在命题前，需要对STEM项目的流程设计有整体的把握，以便后续的筛选和补充。

“化学氧自救呼吸器”是利用化学方法自制家庭呼吸器的学习项目。呼吸器的制作包括确定原理、设计装置等多个环节(如图5)，各环节的推进是从理论到实际、从定性到定量的转化。项目进行过程中，及时记录学生在各环节中的疑惑和发现，为进一步挖掘和提炼收集素材。

图5 “化学氧自救呼吸器”项目的主要流程

2.对比与提炼：提取各环节中的科学思维要素

STEM项目的完成往往需要团队成员分工合作，发挥各自特长，这其中既有操作要求，也有头脑风暴，且同时兼具课内和课外不同领域的各部分内容。以STEM项目为问题情境的试题，其内容应立足于课标，将项目环节与教材内容充分对比，基于学生立场重新审视项目本身，提取各环节中的科学思维要素。

(1)在教材中寻找原型。“初步学习在实验室制取氧气”是课标中要求的课程内容，浙教版《科学》教材将氧气及制取安排在八年级下册第三章，在此之前学生已经掌握了化学方程式，但并不清楚质量守恒定律，这是学生第一次从不同角度认识一种物质。就实验室制取氧气而言，教材从原理和装置上介绍了多种制取方法：双氧水制氧气、氯酸钾制氧气和高锰酸钾制氧气。并在新课教学的“活动”中介绍了双氧水制氧气的固液不加热装置，在后续的“实验”中学生进行了固液加热装置的操作。

教材对“活动”和“实验”的定位是实验室，这使实验目的更倾向于研究氧气这种物质本身，也意味着有更多专业的仪器可供选择，不需要考虑过程中对人体或其他材料的损伤，是一种理想状态下的理论研究。同时，由于知识的限制，学生只是定性地制取得到氧气，而并未在实验中将其升华为制取一定量的氧气。而“化学氧自救呼吸器”项目是一个量化生产产品的初期模型，它是理论知识在生活中的应用。这虽与实验室制氧气在原理和装置选择上有相似之处，但它需要从安全和节约等更多角度考虑药品种类的选择、装置的设计和药品的用量等一系列问题，是一个真实存在的非良构问题。

(2)在项目中提炼要素。基于学生已有认知，“化学氧自救呼吸器”项目在确定原理、设计装置、计算用量、动手操作等各环节的实施过程中，都需要学生应用科学原理和方法实现各个突破。

第一，确定原理。学生需要将各种制氧剂之间的优缺点进行比较和归纳，结合实际情况进行可行性分析。在排除了教材中涉及的电解水、分解双氧水、氯酸钾和高锰酸钾等各种原理之后，结合呼吸器的特点：呼出二氧化碳和水，在常温下高效地将二氧化碳或水转化为氧气。确定原理的过程，是学生真实问题的解决过程，也是科学思维中的推理论证过程。

第二，设计装置。装置的类型由原理和用量共同决定。但这不是实验室制取氧气，不是简单地从固液不加热或液液不加热的几套装置中选择，它需要以此为蓝本寻找生活中合适的材料，进行再开发和再利用。各材料之间的不同排列和取舍的过程，是学生科学思维中创造性思维的体现。

第三，计算用量。和平时的练习不同，反应物的用量由使用者呼出二氧化碳的量、氧气利用情况、劳动强度以及装置的容量、气路结构等因素共同决定。因此，在计算用量前，学生需要先建构呼吸模型、人体氧平衡模型、化学反应质量守恒模型，是各模型建构下的数据估测过程。

第四，动手操作。方案确定之后，操作主要是组装的过程。在此环节中，动手的比例大于动脑，也更加考验学生的操作能力，和前几个环节相比，科学思维的含量较低一些。因此，在“化学氧自救呼吸器”的STEM项目中，既符合课标要求，又能准确考查学生科学思维的内容一般来自于确定原理、设计装置和计算用量三个环节。

3.挖掘与整合：开发科学思维考查的内容与问题

在STEM情境中，需要将实际操作中遇到的问题挖掘出来，结合测量目标从不同角度设计问题，一般可以从以下三个方面来实现：一是根据已有现象来解释原因；二是结合实际需求选择相关内容；三是明确操作内容。

在确定制氧剂时，更多是信息的筛选和比较的过程。而装置的设计需要时间的沉淀，在短时间内很难将零散的原始材料组合成一个制氧和存氧的容器，学生方案的迭代主要也是在装置上进行改进和创新。用量计算，是从定性到定量考虑的提升，可以展示实际操作过程中遇到的具体问题，将用量如何估测、需要哪些数据等问题抛给学生。为了突出“化学氧自救呼吸器”项目的价值，展示学生的科学思维水平，大致可以从下列角度来选择问题：

(1)为什么过氧化氢溶液(或高锰酸钾固体、氯酸钾固体)不可行？(2)制氧剂的选择，在物质的性质上应满足哪些具体要求？(3)如何获取这种制氧剂？能否直接制取？(4)在几个相似的装置中，如何选择？你的依据是什么？(5)装置为何这样设计？是基于什么考虑？(6)哪些因素会影响超氧化钾的用量？(7)消耗一定量的氧气，需要超氧化钾的质量是多少？

以科学思维组成要素为分类标准，这些问题可以分成表1中三类。

表1 “化学氧自救呼吸器”项目中的问题分类

针对不同的科学思维要素，从相应的合适角度来挖掘问题。31题中的第1和第2个问题：

(1)小明设计化学氧自救呼吸器时，为确定制氧剂的用量，除了查阅人体每分钟呼吸次数外，还需了解哪些与人体呼吸相关的数据？▲。(列举一个)

(2)若该呼吸器需为使用者提供48克氧气，则至少需要含超氧化钾80%的制氧剂多少克？

这2个小题都是对用量计算环节的考查，和以往的根据化学方程式计算的问题不同，这2个小题之间具有逻辑和递进的关系，人体呼吸模型和反应质量守恒模型的结合，是模型建构的科学思维的直观体现。

(3)小明设计了甲、乙两种化学氧自救呼吸器，其内部气体路径如图4所示(见试题)。你认为哪种方案更合理？说明理由：▲。

第3小题是对两个相似装置的分析和甄别。甲、乙两个装置的设计本身就是生活素材的创造性应用，是一个非良构的开放性问题，以此全面考查学生思维的创新性和推理、论证的科学思维水平。真实情境中的真实问题往往没有标准答案，在不同的适用条件下，较优结果便会随之改变。因此，该小题的参考答案具有不确定性。