PISA2015科學(xué)素養(yǎng)測評案例賞析及教學(xué)啟示

(西安交通大學(xué)蘇州附屬初級中學(xué),江蘇 蘇州 215021)

1 問題的提出

2016年《中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》正式發(fā)布,提出學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)主要指學(xué)生應(yīng)具備的,能夠適應(yīng)終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力．物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”、“科學(xué)思維”、“科學(xué)探究”和“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個方面．學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)是檢驗和評價教育質(zhì)量的重要依據(jù)．核心素養(yǎng)導(dǎo)向的學(xué)生學(xué)業(yè)質(zhì)量評價能夠推動物理教學(xué)的開展,為發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)奠定堅實的基礎(chǔ)．

國際學(xué)生評估項目[1](Program for International Student Assessment,簡稱PISA)是一項由經(jīng)濟合作與發(fā)展組織(Organization for Economic Co-operation and Development,簡稱OECD)統(tǒng)籌的學(xué)生能力國際評估計劃,主要對接近完成基礎(chǔ)教育的15歲學(xué)生進行評估,測試學(xué)生們能否掌握參與社會所需要的知識與技能．核心素養(yǎng)一詞最早出現(xiàn)于OCED的相關(guān)研究報告中,OCED率先提出的核心素養(yǎng)框架[2]包括“能互動地使用工具、能在異質(zhì)社會團體中互動、能自主行動”3個方面,PISA測評一定程度上反映了國際組織對核心素養(yǎng)評價的理念與方法．基于PISA2015科學(xué)素養(yǎng)測評(以下簡稱“PISA2015”)的視角,以蘇科版初中物理8年級第4章第4節(jié)“照相機與眼球 視力的矯正”為例,借鑒國家測評組織對核心素養(yǎng)的評價,賞析“可調(diào)式眼鏡”測評案例,反思對“照相機與眼球 視力的矯正”一課教學(xué)的啟示,以供教學(xué)參考．

圖1 PISA2015科學(xué)素養(yǎng)測評框架

2 PISA科學(xué)素養(yǎng)測評簡介

如圖1所示,國際學(xué)生評估項目是近10多年來國際上參與國家和地區(qū)最多、影響力最大的評估項目,其宗旨在于使學(xué)生學(xué)得更好、教師教得更好、學(xué)校體制更加高效．PISA是一種定期的動態(tài)評價項目,測試從2000年開始,每3年進行1次測評,每次從閱讀、數(shù)學(xué)、科學(xué)中選擇一個作為主要領(lǐng)域,另外兩個作為次要領(lǐng)域．PISA2006和PISA2015重點測評學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng),2015年江蘇省正式開始參加PISA測評．PISA2015的科學(xué)測評以計算機為主,紙筆測試為輔,體現(xiàn)測評項目積極適應(yīng)信息化社會的要求．在PISA2006包含情境、能力、知識、態(tài)度及其相互關(guān)系的完整框架的基礎(chǔ)上,PISA2015進行了一些調(diào)整,反映了國際測評教育理念的最新動態(tài)發(fā)展．

3 PISA2015科學(xué)素養(yǎng)測評案例——可調(diào)式眼鏡

下面介紹PISA2015科學(xué)素養(yǎng)測評中“可調(diào)式眼鏡”的案例,由5個問題組合而成,問題1、4和5為選擇題,問題2和3為填空題,采用計算機模擬實驗獲取數(shù)據(jù),分析實驗數(shù)據(jù),得出實驗結(jié)論．

可調(diào)式眼鏡： 一種新技術(shù)稱為可調(diào)式眼鏡,用于幫助人們矯正視力而不需要眼科醫(yī)生的指導(dǎo)．這些眼鏡的透鏡是液體制作的,透鏡的形狀是通過調(diào)節(jié)透鏡中液體的多少來實現(xiàn)的．

問題1.可調(diào)眼鏡并不新奇，人類的眼鏡也有一個可調(diào)節(jié)的晶狀體．眼睛晶狀體的形狀是通過肌肉作用調(diào)節(jié)的，為什么眼睛晶狀體的形狀要調(diào)節(jié)(見圖2，圖3)?

圖2 圖3

(A) 為了看清不同亮度的物體.

(B) 為了看清不同顏色的物體.

(C) 為了看清不同距離的物體.

(D) 為了看清不同大小的物體.

問題2.移動滑塊改變透鏡的液體量，增加液體眼鏡的形狀會發(fā)生怎么樣的變化(見圖4)?從下拉菜單中選擇正確的答案．

圖4

當(dāng)液體增到平面透鏡中,透鏡側(cè)面的彎曲度會________(向外/向內(nèi)),這是因為液體施加在透鏡側(cè)面的合力________(增大/減小)．

可調(diào)式眼鏡的調(diào)查： 不同視力的3名學(xué)生使用一副可調(diào)式眼鏡進行實驗．Anna能看清遠近不同的物體;Daniel能看清遠處的物體,但不能看清近處的物體;Maria能看清近處的物體,但不能看清遠處的物體．在模擬中,你可以看到透鏡中液體數(shù)量如何影響學(xué)生從不同距離看清一棵樹．

問題3.運行模擬實驗,從下面的信息中收集數(shù)據(jù)，從下拉菜單中選擇回答問題(見圖5，圖6)．

圖5

圖6

Anna可以看清遠近不同的物體,如何調(diào)節(jié)眼鏡改變Anna的視力的?

增加透鏡中的液體,不能看清________(遠處/近處)的物體;減少透鏡中的液體,不能看清________(遠處/近處)的物體．

問題4.運行模擬實驗,從下面的信息中收集數(shù)據(jù)，點擊一個或多個選項回答問題．

Daniel能看清遠處的物體,但不能看清近處的物體．如何調(diào)節(jié)眼鏡使Daniel看清近處的物體?

(A) +2 加滿液體.

(B) +1 加一些液體.

(C) -1 減少一些液體.

(D) -2 減少所有液體.

問題5.運行模擬實驗,從下面的信息中收集數(shù)據(jù)，點擊一個選項回答問題．Maria能看清近處的物體但不能看清遠處的物體．如何調(diào)節(jié)眼鏡讓Maria看清遠近不同的物體?

(A) +2 加滿液體.

(B) +1 加一些液體.

(C) -1 減少一些液體.

(D) -2 減少所有液體.

表1 “可調(diào)試眼鏡”案例分析

根據(jù)PISA2015科學(xué)測評框架,案例的設(shè)計主要包括情境、知識、能力、態(tài)度、認知需求等,態(tài)度的考查通過對問卷調(diào)查測評,從而本案例中不涉及該維度的分析．“認知需求”是PISA2015科學(xué)素養(yǎng)測試框架提出的新概念,有別于“試題難度”,也有研究者譯為“認知難度”,它貫穿于3種能力考查過程,有低、中、高3個水平層次,具體可參見文獻[3]的研究成果,此處不再贅述．由表1可知,案例情境的創(chuàng)設(shè)以“個人的”為主,貼近學(xué)生的生活,探究科學(xué)與技術(shù)前沿?zé)狳c問題,著重考查學(xué)生的程序性知識,關(guān)注學(xué)生對方法的理解與運用,問題2-4均考查學(xué)生“科學(xué)地解釋數(shù)據(jù)和證據(jù)”的能力,要求學(xué)生綜合分析判斷數(shù)據(jù)和證據(jù),挖掘數(shù)據(jù)和證據(jù)隱含的物理規(guī)律和原理．認知需求的設(shè)置呈現(xiàn)階梯性,全面測評不同學(xué)生的知識與能力的水平．

4 對初中物理教學(xué)的啟示

4.1 創(chuàng)設(shè)有效情境,引起學(xué)生的認知沖突

PISA2015創(chuàng)設(shè)學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)過程中涉及的知識產(chǎn)生和應(yīng)用的真實情境,提升學(xué)生的問題解決能力．教材編排3個層次性的模塊:照相機、眼球和視力的矯正．照相機是對凸透鏡成像規(guī)律的直接應(yīng)用,對前一課時的內(nèi)容鞏固、拓展,

眼球

是焦距可變的“照相機”,視力的缺陷與矯正是焦距變化受到限制的“照相機”,設(shè)計探究活動增加學(xué)生的體驗性,總結(jié)視力的缺陷及其矯正的方法．本節(jié)內(nèi)容基于“照相機”模型,以焦距的變化為主線,貫穿整個教學(xué)設(shè)計．結(jié)合PISA2015案例問題2和3,筆者利用單反照相機創(chuàng)設(shè)情境,引起學(xué)生的認知沖突．情境1:教師講臺前架設(shè)一臺單反照相機,抓拍班級后排學(xué)生的照片,投影在屏幕．情境2:再抓拍班級前排學(xué)生的照片,投影在屏幕．引導(dǎo)學(xué)生觀察兩張照片上的前(后)排同一位學(xué)生,發(fā)現(xiàn)一張照片清晰,另一張照片卻模糊．同一架單反相機,兩次照片拍攝效果為什么不同?學(xué)生感覺非常新奇,激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣．

4.2 調(diào)整教學(xué)邏輯,順應(yīng)學(xué)生思維的發(fā)展

PISA2015案例中問題1考查了學(xué)生對眼球工作原理的理解,注重基本概念的掌握．教材中對眼球的工作原理做了相應(yīng)的解釋“當(dāng)被觀察的物體與人眼的距離改變時,人眼可以通過調(diào)節(jié)肌肉的松緊來改變晶狀體的彎曲度,即改變晶狀體的焦距,使物體仍能在視網(wǎng)膜上成清晰的像．”簡而言之,眼球通過調(diào)節(jié)晶狀體來看清遠近不同的物體．筆者在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn),學(xué)生在解決“凸透鏡成像規(guī)律的應(yīng)用”問題時,對2016年蘇州市中考物理試卷第27題第4小問該類問題存在疑惑．

圖7

(2016年蘇州市中考題)如圖7,在燭焰和凸透鏡之間放一副眼鏡,發(fā)現(xiàn)光屏上的像由清晰變模糊了,將光屏向透鏡移動適當(dāng)距離后光屏上再次呈現(xiàn)清晰的像．則該眼鏡是________(選填“近視”或“遠視”)眼鏡．

經(jīng)過訪談發(fā)現(xiàn),學(xué)生認為戴上眼鏡后,將光屏向透鏡移動適當(dāng)距離后光屏上再次呈現(xiàn)清晰的像,像成在視網(wǎng)膜的前方,從而本小問是近視眼,該眼鏡是凹透鏡,即近視眼鏡．該小問的設(shè)計與PISA2015案例中的問題4、5較為相似,有所不同的是案例中根據(jù)計算機模擬,分析實驗數(shù)據(jù)判斷增加或減少液體,進而判斷是近視眼鏡或遠視眼鏡．反思教材中對模擬探究近視眼的缺陷的編排,發(fā)現(xiàn)教材的邏輯順序如圖8所示.

圖8 教材編寫邏輯順序

由圖8可知,教材從學(xué)生已有經(jīng)驗出發(fā)獲取矯正方法,近視眼看不清近處的物體,通過戴上近視眼鏡后能看清近處的物體,確定視網(wǎng)膜的位置,即此時光屏的位置,移去近視眼鏡后,移動光屏找到清晰的像,即此時光屏的位置．該邏輯順序是基于已有的解決方法,推理所出現(xiàn)的問題．參照文獻[4]對初中物理科學(xué)思維水平劃分可知,對學(xué)生的科學(xué)思維能力要求處于現(xiàn)象分析的高級要求,學(xué)生較難領(lǐng)會實驗的設(shè)計要領(lǐng)．此外,學(xué)生對光屏的功能存在疑惑:將光屏看做視網(wǎng)膜,那為什么可以移動呢?缺乏相關(guān)經(jīng)驗的學(xué)生不知道近視眼為什么用凹透鏡矯正呢?此外,在PISA2015案例問題4、5和2016年蘇州中考物理試題第27題第4小問,對學(xué)生的科學(xué)思維能力要求處于現(xiàn)象分析的中級要求,基于問題的現(xiàn)象,分析判斷解決方案．按照正常的邏輯,課堂教學(xué)的教學(xué)要求高于評價要求,學(xué)生應(yīng)該靈活應(yīng)對,但教學(xué)時較高的思維水平導(dǎo)致部分學(xué)生難以理解．通過生活中的現(xiàn)象,尋求問題的解決方案是學(xué)生常規(guī)的思維方法,筆者設(shè)計通過自制實驗教具“雙變水透鏡”[5]實現(xiàn)眼球工作原理的可視化呈現(xiàn),自然過渡到近視眼缺陷、成因及其矯正(見圖9)．

圖9 眼球的工作原理

如圖9所示,將燭焰看成物體,水透鏡1看做晶狀體,光屏看做視網(wǎng)膜．(1) 按照圖示組裝器材,調(diào)整在光屏上成清晰的像．(2) 當(dāng)物體靠近時,視網(wǎng)膜上的像不清晰,向水透鏡1中注水,增加晶狀體的厚度,視網(wǎng)膜上的像變清晰．(3) 當(dāng)物體遠離時,視網(wǎng)膜上的像不清晰,向水透鏡1中抽水,減小晶狀體的厚度,視網(wǎng)膜上的像變清晰．動態(tài)變化過程直觀顯示了眼球看清遠近不同的物體的成像原理．(4) 當(dāng)物體繼續(xù)遠離時,視網(wǎng)膜上的像又不清晰,提問學(xué)生此時像在視網(wǎng)膜的什么位置?但此時無法繼續(xù)抽水,只能看清近處的物體,看不清遠處的物體,即晶狀體凸度較大,比正常眼球的晶狀體的凸度大．(5) 使用另一水透鏡2(雙變水透鏡)固定于蠟燭與水透鏡1之間,提問:讓眼球重新看清物體,應(yīng)戴凸透鏡還是凹透鏡?要求學(xué)生說明理由,通過實驗探究學(xué)生的猜想是否正確．該實驗引導(dǎo)學(xué)生從模擬眼球的工作原理到探究近視眼的缺陷及其矯正,邏輯上符合初中學(xué)生的漸進性認知水平,從近視眼的現(xiàn)象、成因,再到解決方法,也引導(dǎo)學(xué)生從3個角度判斷是否近視眼:(1) 能夠看清近處的物體,不能看清遠處的物體;(2) 晶狀體比正常眼球更凸,會聚能力更強;(3) 佩戴凹透鏡矯正．

4.3 滲透科學(xué)思想,培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識

PISA2015首次采用機測,案例中問題3-5均采用計算機模擬實驗,要求學(xué)生收集實驗數(shù)據(jù)和證據(jù),客觀地分析數(shù)據(jù)和證據(jù),有效避免對實驗結(jié)論的死記硬背,著重考查學(xué)生對“程序性知識”的掌握和提升“科學(xué)地解釋數(shù)據(jù)和證據(jù)”的能力,問題4的模擬結(jié)果為前2個選項,要求學(xué)生具備實事求是的科學(xué)態(tài)度,也體現(xiàn)了定性半定量的科學(xué)思想,不僅了解矯正遠視眼時使用凸透鏡,而且知道不同凸度的凸透鏡的矯正功能．

圖10 探究動能大小的影響因素

如圖10所示，在教學(xué)過程中滲透定性半定量的科學(xué)思想,能夠培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S方式,如在“探究動能大小與哪些因素有關(guān)”時,教師引導(dǎo)學(xué)生成比例增加小車下滑高度(成比例增加小車到水平面的速度),記錄木塊移動的距離;成比例增加小車的質(zhì)量,記錄木塊移動的距離．分析實驗數(shù)據(jù),得到實驗結(jié)論．提問:通過實驗數(shù)據(jù)的分析,你能判斷速度和質(zhì)量哪個對動能的影響更大嗎?該問題不需要學(xué)生定量計算動能的表達式,但通過定性半定量的比較:速度增大為原來的n倍,木塊移動的距離為s1,質(zhì)量增大為原來的n倍,木塊移動的距離為s2,比較s1和s2即可得出結(jié)論．定性半定量思想是一種重要的思維方法,初中物理中常見的還有物理量的估算等．初中物理教學(xué)中通過科學(xué)思想的滲透,培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識,發(fā)展學(xué)生的高階思維能力,提高學(xué)生的創(chuàng)新能力．

PISA科學(xué)素養(yǎng)測評項目創(chuàng)設(shè)具體的真實情境評價學(xué)生的科學(xué)知識、科學(xué)能力和科學(xué)態(tài)度等,突出評價體系的客觀性、科學(xué)性和時代性,為我國核心素養(yǎng)的評價內(nèi)涵的創(chuàng)建提供借鑒與參考． 此外,學(xué)生的核心素養(yǎng)的評價能夠推動課堂教學(xué)的變革,準(zhǔn)確定位學(xué)生的發(fā)展水平,發(fā)展學(xué)生的的關(guān)鍵能力,為學(xué)生的終身學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)．