文∣胡振欢 许桂清 余耿华

《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》(以下简称《课程标准》)中提到：高中物理课程应在义务教育的基础上，进一步促进学生物理学科核心素养的养成和发展[1]，并且相应地制定学业质量标准，如学生学习高中物理各模块后，参加合格性考试应达到水平2的等级，参加选择性考试则应达到水平4的等级。

目前大多教师可以明确知晓物理学科素养内涵，也能初步判断某道试题所考查的核心素养要素，但是对于试题如何体现核心素养水平还是处于摸索阶段，也难以通过题目检测出学生的核心素养发展情况。笔者曾经探索根据学业质量标准细化具体知识目标的命题模式，文中结合5个水平等级，以在竖直方向的运动知识为载体，分别命制了5个题目，呈现水平与题目一一对应的关系。[2]这样的命题模式具有良好的示范性，但是每次命题对每个知识点都要进行细化，工作量巨大，操作性不强。因此笔者进一步思考和摸索，借助一些理论，从试题分析的角度建立起科学思维素养水平的评价框架，帮助教师进行科学合理的试题分析和试题命制。

一、科学思维评价框架的构建依据

(一)《课程标准》中的科学思维素养水平

《课程标准》凝聚了物理学科的核心素养，并制定了从水平1到水平5的5个学业质量标准。如科学思维素养的水平2描述如下：能在熟悉的问题情境中应用所学的常见的物理模型；能对比较简单的物理现象进行分析和推理，获得结论；能使用简单和直接的证据表达自己的观点；具有质疑和创新的意识。水平4描述如下：能将实际问题中的对象和过程转换成所学的物理模型，能对综合性物理问题进行分析和推理，获得结论并作出解释；能恰当使用证据证明物理结论；能对已有结论提出有依据的质疑，采用不同方式分析解决物理问题。[3]可以看出，水平4相对于水平2有了较多的要求和提升，从水平1到水平5实质上对素养的掌握要求是层层递进的。但是从试题分析和命制的角度看，一道试题如何体现科学思维中的具体水平，用以上学生表现为主的水平描述还是比较笼统的，因此应从试题角度把科学思维水平进一步细化，使得试题分析和命制更具科学性和操作性。

(二)SOLO理论

SOLO分类理论是由澳大利亚著名教育心理学教授彼格斯(John B.Biggs)在1982年首次提出的。该理论根据认知发展阶段进行层级水平划分的方式，对教育领域有着广泛而深远的影响。这些层级水平主要包括——前结构层次、单点结构层次、多点结构层次、关联结构层次和抽象拓展层次，对于每一层级，彼格斯主要是通过能力、思维、一致性与收敛性以及回答结构四个维度来进行描述和界定的。[4]笔者借鉴SOLO理论，结合科学思维要素水平，从试题命制的角度对科学思维素养水平进行进一步细化、具体化，形成具体的评价框架。

二、科学思维评价框架的建立和试题开发流程

(一)构建科学思维评价框架

SOLO分类理论与学业质量的分层评价具有内涵一致性，用该理论指导学业质量的分层评价具有积极的实践意义。[5]但需要指出的是，SOLO理论提到的5个等级水平和核心素养的5个水平并不是一一对应的关系，如前结构水平认为“学生基本上无法理解问题和解决问题，只提供了一些逻辑混乱、没有论据支撑的答案”，和科学思维素养中对水平1中针对科学推理要素所说的“能对常见的物理现象进行简单分析”的要求是不一致的，水平1中的推理论证是要求学生已经达到能简单分析问题而非逻辑混乱的水平，因此在框架建立时，可把水平1和水平2都看作互相之间具有水平差异的单点结构层次，如水平2对应的是难度较高的单点结构水平。这样处理后二者各个水平层级可以认为内涵基本一致。

参考SOLO理论中对于不同思维水平具体明确的操作性鉴定，结合《课程标准》中对于科学思维不同水平的经验型抽象描述，可对试题中所包含的科学思维水平进行判别和断定。科学思维具体包含了模型建构、科学推理、科学论证和质疑创新四个方面，由于大多时候科学推理和科学论证可以结合在一起，如在新的物理学科关键能力中提到的推理论证能力，也相当于把两要素结合，因此在构建科学思维评价框架时，可以按照模型建构、推理论证和质疑创新三个要素进行构建。以模型建构这个要素为例，水平2的题目应当对应较为熟练的单点结构水平，结合要素里面描述“能在熟悉的问题情境中应用所学的常见的物理模型”，因此题目对学生的要求应该较低，只涉及单一知识点，而且题目涉及的是最为常见简单的物理模型，而水平4为“能将实际问题中的对象和过程转换成物理模型”，学生应该具有关联结构水平，也就是达到这个水平的学生应当可以进行迁移整合，水平要求应该是可以做出涉及两个或者两个以上知识点的题目，并且需要仔细阅读题目抽取关键信息才能建构相关的物理模型，以此类推，逐一对科学思维要素对应的水平描述进行重新解构，可以得出更具有操作性的科学思维评价框架，如表1所示。

表1 科学思维评价框架

根据表1，一道题可以通过评价框架判断其各个要素分别属于哪个水平，若一道题三个要素水平层次不一样时，则最高的要素水平即对应该题的最终水平，比如一道题通过框架对比模型建构要素对应水平1，推理论证要素对应水平3，质疑创新要素对应水平2，则应认为该题的考查科学思维评价水平层次对应水平3。

(二)基于科学思维评价框架的试题开发流程

基于科学思维评价框架的试题开发流程可以划分为三个阶段。第一阶段主要是依据课程标准、题目中科学思维要素、SOLO理论进行框架构建。第二阶段是结合考核目标、评价框架，选择合适的素材进行题目命制，如要考查力的平衡知识点对应的科学思维水平3，首先选择合适的素材，然后在模型建构、推理论证和质疑创新方面考虑命题，三个要素均要求不能超越水平3，但是至少有一方面达到水平3。经过磨题定稿后，第三阶段实施考试，对考试结果进行分析，对题目质量进行评定，可以反过来思考完善物理观念的评价框架。本文所创建的物理观念评价框架经过了多次的反馈完善而形成，旨在提供命题的新思路。开发流程如图1所示[6]：

图1 基于科学思维水平的试题开发流程图

三、基于科学思维水平的命题实例

【例1】2022年5月15日是负责执行中国第一次自主火星探测任务的“天问一号”探测器成功登陆火星一周年，一年来探测器重点关注火星上的石坑、火山、峡谷、干涸河床等典型地貌和地质单元，并成功获取其高分辨率影像。下面有关“天问一号”描述正确的是( )

A．“天问一号”从地球发射升空的时候速度很小，加速度也很小

B．研究探测器在火星表面运动的姿态时，可以将其看成质点

C．研究“天问一号”飞往火星的运行轨道时，可以将其看成质点

D．探测器静止在火星表面时，其相对于太阳也是静止的

科学思维考核目标：本题主要考查物理学科核心素养“科学思维”中的模型构建，题目只涉及常见知识点速度、加速度和质点，每个选项对应最为简单的物理模型。该题考查目标为核心素养中“科学思维”的水平2等级。

评价方案：学生能够正确选择C，表明其知道质点这个模型，理解能看成质点的条件，能够从物理学的视角描述具体问题，其核心素养中“物理观念”和“科学思维”达到水平2。

【例2】如图2所示，两个小孩提起一装满水的水桶并保持静止，已知手臂对水桶拉力的方向均与竖直方向成30°，水和水桶总质量为m，左边小孩的质量为M，重力加速度为g。求：

图2

(1)小孩手臂受到水桶拉力的大小；

(2)左边小孩所受地面支持力和摩擦力的大小。

科学思维考核目标：该题的情境是两人共同提起一装满水的水桶，取材于新粤教版物理必修一的插图，考查的是科学思维中的物理模型建构与科学推理。该题可采用整体法或者隔离法解题，具有一题多解的特点，但思路较容易联想，难度达到了核心素养中“科学思维”的水平3等级。

评价方案：第(1)问主要考查学生能否构建出正确的物理模型进行受力分析，然后用三力平衡知识进行求解，能够正确求解出第(1)问的学生，核心素养中的“科学思维”水平达到了水平2等级；第(2)问需要合理选择研究对象，灵活运用隔离法或整体法进行分析和求解，能够正确求解出第(2)问的学生，核心素养中的“科学思维”达到水平3等级。

【例3】如图3所示，某科学小组进行一风洞模拟实验，一个质量为m的圆环套在一根固定的倾斜直杆上，直杆足够长且与水平方向的夹角为θ，环与杆的动摩擦因数为μ(μ

图3

(1)释放瞬间圆环的加速度大小；

(2)圆环最大加速度和该时刻对应的速度；

(3)圆环最大速度。

科学思维考核目标：该题以圆环套在固定的倾斜直杆上的运动为情境，在圆环受到变力、多过程的运动中，考查学生对“物理观念”中的运动和相互作用观的理解以及“科学思维”中的科学推理、科学论证。该题涉及变加速、力的平衡知识点，需要仔细阅读题目抽取关键信息才能建构相关的物理模型，并且要推理出速度变化导致力度变化和加速度变化的具体关系，难度较大，达到了“科学思维”的水平4等级。

评价方案：能正确解答第(1)问的学生，能在常见的模型中，运用牛顿第二定律对比较简单的状态进行分析和求解，核心素养达到水平2等级；能正确解答第(2)、第(3)问的学生，具有清晰的运动和相互作用观念，能综合应用所学知识，对复杂的运动过程进行正确的分析和推理论证，核心素养达到水平4等级。

四、基于科学思维水平的试题开发注意事项

(一)应灵活变换试题组成要素达到考核目标

一道试题考查学生的科学思维等级水平，可以借助设问或者调整题目具体创设情境来提高等级或者降低等级，以达到需要的考核目标。以例3为例，如果要把题目水平降低，则可以设置为斜面，然后F力改为垂直斜面向下，题目考查水平等级就相应降为水平3；如果要把考核水平升高，则可以对要素进行变换，使圆环带电，杆为绝缘杆，然后在垂直于纸面的匀强磁场中自由释放，再加上平行于斜面的电场，不给电场大小和方向，引入讨论内容，则题目可以达到水平5的考核等级。

另外，一道试题不可能只考查科学思维水平，还会涉及物理观念等其他素养，要使测试试题更为科学，应该制定双向细目表，使得试题设置和组卷更为合理。

(二)考查学生的科学思维水平等级应该综合科学判断

为科学判断学生的素养达成水平，应该引入学生素养达成度的概念。比如面对某知识点的科学思维水平4的题目，学生做出具体解答，但不能就妄断学生达到科学思维水平4的学业质量等级，因为同一个学生面对其他科学思维水平4的题目有可能解答不出，甚至面对同一个知识点别的科学思维水平4的题目，由于情境设置、信息设置不一样，也有可能解答不出。所以对学生的整卷分析应该引入学生素养达成度的概念，采用百分比的形式呈现，就像我们说一个学生拿到70分，可以基本认为他掌握了70%的内容，同理班级的得分也可以判断该班级科学思维水平4的达成度，这样会显得比较科学合理。

(三)测评时尽量采用解答题

要考查学生的素养水平，具有过程呈现的解答题更具优势，选择题看不到学生的具体作答过程，学生作答具有一定的偶然性，因此适当增加计算题或者问答题的比例，试卷效度更高。而且计算题可以设置梯度，素养等级可以通过从浅到深的问题进行考查，如本文中的例2和例3试题，学生做出第(1)问，可以认为达到科学思维水平2等级，能继续顺利作答后面的问题则对应达到水平3或者水平4的更高等级，这使得测试情况更为精准；具体作答情况也可以帮助教师更加准确地判断学生做题的素养水平，比如例2第(2)问中学生可以灵活应用整体法、隔离法解答问题，列式表达也无误，但是最后结果出现一点运算偏差，导致结果错误，也应该判断该生应对本题时达到科学思维素养水平3的等级。