PISA科学素养测试题的分析与启示

陈红君 田曼钰 于海波

（1.东北师范大学教育学部，吉林 长春 130024；2.长春师范大学物理学院，吉林 长春 130123；3.蛟河市第二高级中学校，吉林 蛟河 132599）

1 问题提出

Program for International Student Assess-ment（以下简称PISA）是国际上一种通用的教育评估方式，是由经济合作组织（Organization for Economic Co-operation and Development简称OECD）筹划实施的测试，每3年举行一次，用来评估学生的终身学习能力.PISA测试从2000年开始，至今已经进行了8次测试，试题依据测试框架建立，内容不断丰富和完善，重点测试领域在阅读素养、数学素养和科学素养之间轮换.具体如表1所示，最近一次将科学素养作为重点测试领域是在2015年，本研究以PISA官方网站发布的2015年科学素养测试题为研究对象，依据测试框架对测试题进行分析.

表1 测试年份及PISA重点测试领域

2 PISA2015科学素养测试框架介绍

科学素养测试框架主要包含四个维度，分别为情境、能力、知识和态度，如图1所示.它们之间存在着密不可分的关系，比如，学生能力的形成会受到原有知识和态度的影响，学生的能力以及对能力的考查需要以情境为依托，在情境中进行检验.

图1 PISA2015科学素养测试框架

测试框架将“情境”定义为生活中涉及的科学和技术，此定义意味着测试的情境不仅仅局限于学校情境，它更倾向于在社会生活中去创设情境，包括个人的、家庭的、地方的和国家的甚至是全球的社会情境.

测试框架将“能力”划分为对科学现象进行解释的能力、设计科学探究方案的能力和科学处理数据和证据的能力；并指出，当学生具有某一项能力时，就会表现出与此能力对应的行为，PISA试题主要通过考察学生在测试中的行为表现，进而确定学生是否具备哪项能力.

测试框架将“知识”分为内容性知识、过程性知识和认知性知识.内容性知识体现在物理、化学和生物等学科，关注知识间跨学科彼此联系，例如在解释科学现象时，我们需要的相关背景知识，这类知识即为内容性知识；程序性知识是分析和解释数据的基础，目的是对物质世界做出合理的解释，比如，“了解内容性知识”是如何建立的知识即为程序性知识；认知性知识是指学生能够理解科学实践探究的基本原理，在解决实际问题时会构建相应的物理模型，知道该采取什么样的程序性知识解决问题，以及选择该程序性知识解决问题的原因.

测试框架将“态度”划分为对科学的兴趣、评估科学过程对于探究的价值以及环境意识.它们是学生在进行科学学习过程中所形成的对待科学的态度，既来源于科学学习的过程，又对科学学习起到积极作用，同时使学生具备一定的社会责任意识.

3 测试样题分析

3.1 测试样题整体分析

PISA 2015公开的测试样题共计33道，按照单元划分被分为8个单元，分别为蜂群衰竭失调、矿物燃料、火山喷发、地下水开采与地震、新型发电厂、可调节性眼镜、热天跑步和节能的房子，将试题整理分析如表2所示，由表中数据可知，试题在情境创设上倾向于个人和国家背景，重点考查学生的内容性和程序性知识，在能力考查上更为重视科学解释数据和证据的能力.

表2 PISA2015公开测试样题统计

统计分析发现公开测试题中对学生科学解释数据和证据能力方面的考查占51.3%，对内容性知识的考查占50%，进一步说明PISA测试重点考查学生的解释数据和证据能力以及内容性知识方面.

3.2 典型试题分析

其中新型发电厂试题情境创设贴近生产生活，且对科学知识的考查较为系统，体现各学科之间的融合，试题中覆盖了测试框架中的“情境”“知识”“能力”和“态度”4个方面，下面从原题再现、试题简析和框架解读3方面来阐述.

（1）原题再现：图2为利用盐水和淡水之间的盐浓度差发电的发电厂工作原理图，发电厂所处的位置是淡水河以及海水交汇位置.发电厂将先从河水里抽取淡水通过管道在容器里汇集，并在另一个容器存放从海洋里抽取的盐水.两个容器之间设置了一个仅可满足水分子通过的薄膜.基于此会致使水分子实现从低盐到高盐容器的移动.通过这种方式致使盐水容器中水体积、压力增加，盐水容器中高压水流经过管道，会给涡轮机一定的驱动力，从而满足发电目的.回答下列问题：

图2 新型发电厂试题介绍

问题1：请参考新型发电厂信息，写出正确的答案，在发电厂中发生了哪种能量的转换？________到________.

问题2：许多发电厂使用石油和煤等化石燃料作为能源，为什么人们认为这个新型发电厂比使用化石燃料的发电厂更环保？

（2）试题简析：试题提供了新型发电的原理图，发电厂应用管道1从淡水河中抽取淡水，应用管道3从海洋中抽取盐水，将抽取的淡水和盐水汇集在同一容器中，用放大器观察该容器可知，容器之间设置了仅水分子可以通过的薄膜，实现水分子从淡水向盐水移动，使盐水对周围物体的压力增大，流向涡轮机后，导致涡轮机发生转动，达到发电目的.

（3）框架解读.

① 情境—国家—科学技术前沿.

在新型发电厂这一单元，详细介绍了新型发电厂的原理.从题干中可以发现，该新型发电装置不同于日常生活中化石燃料发电，属于较为创新和环保的发电方式，该单元以“国家”为背景进行情境创设，具体为“科学技术前沿”，在此背景下考查学生科学知识.该情境与其它两类情境相比，与学生的生活实际更为贴近，不仅可以在情境中考查学生的能力，还可以通过情境中的背景信息让学生对国家或地区的科技前沿有一定了解，更能考查学生适应生活的必备能力.

② 能力—科学解释数据和证据的能力.

学生在作答问题1时需要分析：由于盐水和淡水的盐浓度不同，淡水中的水分子将向盐水中移动，导致盐水容器中水的体积、压力增加，盐水容器中高压水流经过管道，会给涡轮机一定的驱动力，导致涡轮机运动而具有一定的动能，实现发电目的，得出问题1的正确答案为将动能转化为电能.解答该试题的学生必须正确理解题干，理解由于浓度不同导致水分子转移，以及涡轮机和发电机的功能，因此试题考查了学生科学的解释数据和证据的能力，检验学生是否能够运用科学知识作出合理选择，难度设置上属于中等难度.

③ 知识—内容性知识—物理、生物.

解答问题1时，学生需要明确水分子的移动方向，水分子总是从低浓度溶液向高浓度溶液移动，即为生命科学知识.除此之外，容器中盐水的体积增大导致对器壁的压力增大，流向涡轮机后，使其运动获得动能，最终将动能转化为电能实现发电，考查了学生物理知识—能量的转化.

④ 态度—环境意识.

学生在作答问题2时，需要了解化石燃料发电过程会释放对大气有害的物质，而新型发电厂将动能转化成电能，发电过程中无有害气体的排放，更有利于环境保护，这不仅考查了学生内容性知识（物理，化学）以及解释科学现象的能力，同时也反映了学生在学习生活中对环境的关注情况，很好的检验了学生是否具备科学态度中所强调的环境意识.

4 PISA科学素养测试题的总结

分析公开测试题可以发现，“发电”这一情境来源于学生生活，“新型发电”是建立在学生熟知情境下的“国家科学技术前沿”，不仅能够考查学生能力，还可以使学生对“国家科学技术前沿”有一定的了解，同时在试题整体分配上个人和国家为背景的试题居多，全球背景的情境创设较少；在知识的考查上，试题考查了学生物理、生物和化学三个学科知识，强调学科间的融合，整体上看内容性知识所占比重较大，认知性知识所占比重较小；解决试题时需要对试题中提供的发电原理图进行分析，进而得出正确答案，这就需要学生具备科学解释数据和证据能力，这也是面临社会挑战所必须具备的关键能力，因此科学解释数据和证据能力方面考查的试题较多，评价和设计科学探究能力不做重点考查.通过分析可以说明，熟练应用内容性知识科学解释数据和证据以及解决实际问题是未来公民必备的能力之一，检查学生是否具备了面对社会挑战的能力是PISA测试所关注的焦点议题.