PISA科學評價對編制化學科學探究題的啟迪

夏建華

摘要：PISA科學評價的理念對高考化學科學探究題的編制有著積極的啟迪作用。本文簡介了PISA命題的相關理念，以2014年安徽省高考理綜28題為例，從試題情境設置、試題建構框架與分析（框架、題干和設問分析）、答案與賦分等方面分析了科學探究題的編制理念和方法，以期更好地促進高中化學試題命制的研究，提升高考命題對中學化學教學的引領和反撥功能。

關鍵詞：PISA科學評價；科學探究題；析氫腐蝕；吸氧腐蝕

文章編號：1005–6629（2014）9–0065–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

科學探究是高中化學課程改革的核心內容，讓學生通過探究學習化學是化學教學改革一道亮麗的風景線?？荚嚺c評價過程中以突出考查學生科學探究能力的試題稱為科學探究題。安徽高考理綜化學第28題是一道具有代表性的科學探究試題，也是試卷的亮點和壓軸題，每年的難度都在0.4左右，區分度為0.5～0.6，試題的甄別功能顯著。從高中化學課程標準和高考化學考試大綱角度來看，這道題的立意在于重現課堂中科學探究的實景，體現科學探究的基本過程和核心要素。試題融合了科學探究過程中發現問題、提出假設、設計實驗、解釋現象和結論、對結論或方案進行評價等要素，主要考查考生利用所學電化學知識獲取信息的能力、分析問題解決問題的能力以及化學實驗和探究能力。該題的設置主要借鑒了PISA科學評價的相關理念，著重考查學生的科學能力素養，其中以考查解釋科學現象能力素養和科學舉證能力素養為主要目標，考查的難度相似于PISA科學評價“等級6”的目標。該題對高中化學有效實施科學探究、改變學習方式有著積極的引領和反撥作用。

1 PISA科學評價的相關理念

PISA測試是由經濟合作與發展組織1997年創立的國際學生評價項目，被視為檢驗各國教育體制和未來人才競爭能力的重要指標。PISA科學評價命題的以下相關理念[1]對我國高考命題有一定的借鑒和啟迪作用。

1.1 重視情境設計

PISA科學評價的每道試題都有一個鮮活的情境，每個情境都是由應用領域和應用背景的二維坐標構成，其中應用領域主要涵蓋健康、自然資源、環境、危險和先進科技等方面；應用背景主要涉及個人的、社會的和全球的等方面。這些源于生活的情境為學生運用知識、發揮能力提供了舞臺，也體現了科學在促進人類社會進步和發展過程中的價值。

1.2 關注能力考查

PISA測試對科學能力素養的認識有獨到的內涵，其界定如下：

1.2.1 形成科學問題的能力素養

透過科學研究辨識可能的問題；在科學信息當中發現研究的關鍵；在科學研究當中辨識主要特征。

1.2.2 解釋科學現象的能力素養

在主題情境當中應用科學知識；科學地描述或解釋現象并且預測改變；給予恰當的描述、解釋與預測。

1.2.3 科學舉證的能力素養

佐以科學證據建立與延伸出結論；發現在結論背后的假設、證據與論述；將科學應用于社會與技術的發展。

1.3 編制評價層級

PISA科學評價試題的答案多樣化、開放性和分類給分借鑒了SOLO分類理論。這種“雙位編碼”設計，可以更好地給教師與學生反饋最佳的教學信息，體現了對不同思維水平學生的能力甄別。SOLO分類理論可用表1表示：

2 科學探究題示例——以安徽2014年高考第28題為例

某研究小組為探究弱酸性條件下鐵發生電化學腐蝕類型的影響因素，將混合均勻的新制鐵粉和碳粉置于錐形瓶底部，塞上瓶塞（如圖1）。從膠頭滴管中滴入幾滴醋酸溶液，同時測量容器中的壓強變化。

（2）編號①實驗測得容器中壓強隨時間變化如圖2。t2時，容器中壓強明顯小于起始壓強，其原因是鐵發生了 腐蝕，請在圖3中用箭頭標出發生該腐蝕時電子流動方向；此時，炭粉表面發生了 （填“氧化”或“還原”）反應，其電極反應式是 。

（3）該小組對圖2中0～t1時壓強變大的原因提出了如下假設，請你完成假設二：

假設一：發生析氫腐蝕產生了氣體；

假設二： ；

……

（4）為驗證假設一，某同學設計了檢驗收集的氣體中是否含有H2的方案。請你再設計一個實驗方案驗證假設一，寫出實驗步驟和結論。

3 科學探究題分析——以安徽2014年高考第28題為例

3.1 創設有意義情境

試題的情境設置借鑒了PISA試題編制的理念，以金屬的腐蝕為情境，圍繞中學化學學習中遇到的實驗開展一系列的科學探究。金屬的腐蝕造成的損失超過了地球上各種災害造成的損失總和，了解金屬腐蝕的原因和尋求防止金屬腐蝕的方法具有重要意義。以金屬的腐蝕這個全球性關注的背景設置試題顯示較高的試題立意。在學習金屬腐蝕的過程中，教材把金屬的腐蝕分為化學腐蝕（非電解質條件下）和電化學腐蝕（電解質條件下）兩類，電化學腐蝕又分為吸氧腐蝕和析氫腐蝕。其中在酸性條件下主要發生析氫腐蝕，在水膜酸性很弱或者中性時主要發生吸氧腐蝕。但是在弱酸性條件下，是僅發生某類腐蝕，還是兩類腐蝕同時發生，是一個值得深入探究的問題。試題的情境從某版本教材上鐵發生電化學腐蝕探究實驗入手，引導學生圍繞情境設計對比實驗，及時發現問題，對實驗現象進行科學解釋和科學舉證。

3.2 參考PISA能力培養建構試題框架

試題建構框架如圖4，其流程為：從一組對比實驗設計到獲取實驗證據——壓強隨時間的變化曲線，從曲線分析引發出兩個問題，分別讓學生進行科學解釋和科學舉證。試題考查的知識目標和能力目標較全面，從高考考試大綱界定的能力角度來看，能力目標主要考查學生信息的接收和整合的能力、分析和解決化學問題能力、化學實驗和探究能力。知識目標主要考查原電池和金屬的電化學腐蝕知識。從PISA科學評價理念分析，試題考查的能力素養主要有：形成科學問題的能力素養（在科學信息當中發現研究的關鍵，在科學研究當中辨識主要特征）；解釋科學現象的能力素養（在主題情境當中應用科學知識，科學地描述或解釋現象并且預測改變）；科學舉證的能力素養（發現在結論背后的假設，佐以科學證據建立結論）以及控制變量的科學方法。知識目標主要考查原電池和金屬的電化學腐蝕知識及科學本質（科學探究和科學解釋）。

3.2.1 形成科學問題的能力素養考查

第（1）小題主要考查學生運用控制變量思想設計實驗的能力，試題給出了一個“為以下實驗作參照”的實驗，要求學生根據實驗目的選擇鐵粉的用量、根據實驗的數據逆推實驗目的。從PISA科學評價理念來看，主要涉及形成科學問題的能力素養，要求學生在題給信息當中發現研究的關鍵（如實驗目的和對照組的試劑用量），在科學研究當中辨識主要特征（控制變量）。

3.2.2 運用知識解釋現象能力的考查

第（2）小題主要考查考生運用化學知識解釋科學現象（壓強隨時間的變化曲線）的能力素養。試題包括四個遞進式的問題，第1小問首先給出了實驗測出的壓強隨時間的變化曲線，提出了問題：t2時，容器中壓強明顯小于起始壓強，讓考生分析其中的原因?？忌\用學過的電化學知識可以判斷：因為這里的化學變化均為放熱反應，則壓強減小不可能是反應熱效應的結果，只能是容器內的氣體發生了化學反應而減少，從而推斷出一定發生了吸氧腐蝕。第2小問是確定了吸氧腐蝕后再要求考生畫出電子流動方向，主要是考查考生在新情境下靈活運用學過的原電池知識分析問題、解決問題的能力。原電池形成條件是：有兩個電極（鐵粉和碳粉）、電解質溶液和閉合電路。鐵作為負極失去電子，氧氣在碳粉表面得到電子，電子在外電路的流向是從鐵粉到碳粉，金屬本身就是電子導體?？忌趫D3中畫出電子從Fe流向C就可以。此問對考生思維的變通性要求較高，解題時思維要突破常規，將細細的導線拓展為整塊金屬導體。第3、4小問考查的是碳粉表面發生的電極反應，考生可以從原電池知識判斷出碳粉作為正極，氧氣在碳電極上得到電子，發生還原反應，其電極反應式為：2H2O+O2+4e-=4OH-（或4H++O2+4e-= 2H2O）。

3.2.3 科學舉證能力的考查

第（3）小題主要考查考生針對曲線變化提出假設的科學舉證能力。為探究0～t1時壓強變大的原因。試題給出了假設一：發生析氫腐蝕產生了氣體。要求考生寫出假設二。此問題對考生的思維品質要求較高，提出假設的過程中要根據已有的知識進行推理，即恒容的密閉體系中，壓強增大只可能有兩個原因：一是增加了氣體，如析氫腐蝕產生了氫氣；二是溫度升高，氣體膨脹導致壓強增大。而析氫和吸氧腐蝕都是放熱反應，其中析氫腐蝕產生的氫氣和放出的熱量都能使壓強增大；而吸氧腐蝕放出的熱量和氧氣的減少對壓強的貢獻取決于兩者的相對強弱?？忌赡芙o出的答案有：溫度升高壓強增大；發生析氫腐蝕放出熱量；發生吸氧腐蝕放出熱量；醋酸揮發；醋酸中的水揮發等。

辯證地認識吸氧腐蝕的發生與體系壓強的變化關系對考生思維的要求較高?？忌呀洀牡冢?）題曲線上獲取了信息：吸氧腐蝕的發生是導致容器內壓強小于起始壓強的唯一原因，但并不表明發生吸氧腐蝕時壓強一定會減小。因為吸氧腐蝕是放熱反應，而吸氧腐蝕過程中放出熱量和減少氧氣對壓強的貢獻一方面取決于兩者的相對強弱，另一方面體系不是絕熱體系，體系與環境的熱交換也影響壓強的大小。反應開始時，由于氧氣濃度較大，吸氧腐蝕速率快，在短時間放出熱量較多，導致體系溫度升高較快，對壓強增大的貢獻相對較強。但隨著反應的進行，吸氧腐蝕的速率變緩，且體系和外界環境進行熱量交換導致體系的溫度呈現下降，最后恢復至室溫，故最終壓強會減小。因此，吸氧腐蝕的開始階段，放出的熱量會導致體系的壓強增大；隨著反應的進行，氧氣減少和溫度降低使得體系壓強明顯小于起始壓強。用數字實驗測得的相關數據（如圖5）也提供了相關證據。

第（4）小題主要考查考生設計實驗驗證假設的科學舉證能力素養。試題給出信息：為驗證假設一，某同學設計了檢驗收集的氣體中是否含有H2的方案。該環節的目的是引導考生在此方案外設計出更多的創新方案，因為析氫腐蝕速率較慢，放出的H2少，通常很難用檢驗H2可燃性的方法驗證（除H2傳感器外）。但考生不具備這些知識和經驗，可能會用檢驗反應產物的存在來驗證反應的發生，從而首選這個方案。

要求考生設計實驗方案驗證假設一，主要考查考生信息的接收和整合的能力、運用已有知識和科學方法設計實驗驗證假設的能力?？忌赡艿慕忸}思路如圖6，解題時考生需要從試題中提取以下信息：這是一個已發生吸氧腐蝕、可能發生析氫腐蝕的混合體系。在該體系中，發生吸氧腐蝕時呈現的現象有：O2減少、放熱、生成Fe2+和pH的增大。如果同時發生了析氫腐蝕，則必定伴隨著放出H2、放熱、生成Fe2+以及pH的增大。據此，要驗證同時發生析氫腐蝕，只有生成H2是其獨有的，而檢驗Fe2+等方案都不可行。此時，考生只能選擇控制變量的方法將體系控制在無氧狀況下，控制了吸氧腐蝕后只要在體系中檢驗到有H2產生、壓強增大、溫度升高、生成Fe2+或者pH增大都能證明發生了析氫腐蝕。

3.3 借鑒SOLO理論的賦分設計

筆者參考了PISA賦分和SOLO分類理論，對第（4）小題開放性設問提出了如下的賦分建議，以便讓不同思維水平的學生都能得到合理的成績，為學生創造性解決問題提供了舞臺。部分開放性答案和評分建議如下。

第（4）小題：設計實驗方案驗證假設一。該設問可借鑒SOLO分類理論進行賦分（其中拓展抽象結構層次思維水平在這里沒有發生），讓不同思維水平的學生都能得到合理的分數。

零分（第一層次）：學生的思維處于前結構水平，解題時被無關信息和已有經驗誤導，無法理解和解決問題。設計的方案存在科學性問題或者無答。

部分得分（第二層次）：學生的思維處于單一結構水平，只能通過一個與問題相關的線索來建立問題和答案之間的聯系。如根據實驗目的，能根據發生析氫腐蝕時生成的物質（氫氣、生成Fe2+）和產生的現象（溫度升高、壓強增大）來確定因變量，如選擇檢驗Fe2+、測量pH的改變或測量溫度變化等，但未能考慮到體系中同時伴隨著吸氧腐蝕，兩者的這些產物和現象是相同的。

部分得分（第三層次）：學生思維處于多元結構水平，能利用多個相互獨立的線索和信息來連接問題與答案。該水平的學生在解題時能根據實驗原理，考慮對照組，根據控制變量的思想確定自變量（影響因素），選擇實驗觀測點獲取因變量信息等。該層次考生解答如下：

解答1：選擇醋酸的濃度作為自變量，用不同濃度的醋酸和編號①實驗作對比實驗（根據對照組設計試劑用量和實驗裝置），根據壓強的變化判斷假設一是否成立。

解答2：用NaCl溶液代替醋酸作對比實驗，根據壓強的變化判斷假設一是否成立。

解答1和2方案存在的主要問題是沒有將系統中同時發生的吸氧腐蝕關聯起來考慮，雖然控制了自變量（醋酸的濃度），因變量會有不同的變化（析氫腐蝕發生的程度不同），但系統中存在的吸氧腐蝕也受酸的濃度的影響，導致這種一個自變量引發兩種因變量改變的實驗體系不能得出正確的結論。

解答3：將碳作為自變量，設計了用同濃度的醋酸和鐵粉反應，根據是否有氣泡產生判斷假設一是否成立。

該方案也不完整，如果有氣泡表明假設一成立；但如果短時間內沒觀察到氣泡，不表示在有碳粉條件下也不會產生氣泡，不能證明假設一不成立。

滿分（第四層次）：學生思維水平處于關聯水平，學生能夠將問題情境下各個線索之間建立本質聯系，使其成為一個有機整體；具體分析如圖6及相關論述。除了題給的“控制在無氧條件下按編號①方案進行實驗，測量壓強變化”的設計方案外，以下兩種方案也有創意[2]：

解答1：按圖7所示裝置，把鐵粉、碳粉參照編號①實驗用量混合均勻后放進注滿90%醋酸溶液的試管中，靜置觀察，如果有液體從玻璃管上口溢出，試管口聚集少量氣體，則發生了析氫腐蝕，假設一成立，否則假設一不成立。

解答2：將鐵和碳放入90%的醋酸溶液中（控制在無氧狀態下）組成原電池，若有電流產生，則假設一成立，否則不成立。

由此可見，關于這種以等級描述為特征的質性分類評價方法，較之傳統的采點計分方法有著明顯的優勢。一是SOLO評價力求從學生的回答中分析出他能夠達到哪一思維層次并賦予相應的分數，以提高試題的區分度；二是具有較強的操作性，很多化學問題都可以根據該方法進行思維層次劃分，對編制化學試題，尤其是科學探究題有很強的借鑒作用；三是為檢測學生的高級思維能力提供了一個切實可行的思路；四是對化學教學有一定的反撥功能，教師可以根據教學計劃預先確定學生學習某一化學知識時要達到哪一思維層次，并按照循序漸進的方法逐步提高學生的思維水平。

參考文獻：

[1] OECD.PISA2006 Science Competence for Tomorrows World Volumel-Analysis，2007：20～22，35～40，82～85，104～107.

[2]劉懷樂.對一道實驗試題的再思考[J].化學教學，2011，（9）：76～77.

解答1：選擇醋酸的濃度作為自變量，用不同濃度的醋酸和編號①實驗作對比實驗（根據對照組設計試劑用量和實驗裝置），根據壓強的變化判斷假設一是否成立。

解答2：用NaCl溶液代替醋酸作對比實驗，根據壓強的變化判斷假設一是否成立。

解答1和2方案存在的主要問題是沒有將系統中同時發生的吸氧腐蝕關聯起來考慮，雖然控制了自變量（醋酸的濃度），因變量會有不同的變化（析氫腐蝕發生的程度不同），但系統中存在的吸氧腐蝕也受酸的濃度的影響，導致這種一個自變量引發兩種因變量改變的實驗體系不能得出正確的結論。

解答3：將碳作為自變量，設計了用同濃度的醋酸和鐵粉反應，根據是否有氣泡產生判斷假設一是否成立。

該方案也不完整，如果有氣泡表明假設一成立；但如果短時間內沒觀察到氣泡，不表示在有碳粉條件下也不會產生氣泡，不能證明假設一不成立。

滿分（第四層次）：學生思維水平處于關聯水平，學生能夠將問題情境下各個線索之間建立本質聯系，使其成為一個有機整體；具體分析如圖6及相關論述。除了題給的“控制在無氧條件下按編號①方案進行實驗，測量壓強變化”的設計方案外，以下兩種方案也有創意[2]：

解答1：按圖7所示裝置，把鐵粉、碳粉參照編號①實驗用量混合均勻后放進注滿90%醋酸溶液的試管中，靜置觀察，如果有液體從玻璃管上口溢出，試管口聚集少量氣體，則發生了析氫腐蝕，假設一成立，否則假設一不成立。

解答2：將鐵和碳放入90%的醋酸溶液中（控制在無氧狀態下）組成原電池，若有電流產生，則假設一成立，否則不成立。

由此可見，關于這種以等級描述為特征的質性分類評價方法，較之傳統的采點計分方法有著明顯的優勢。一是SOLO評價力求從學生的回答中分析出他能夠達到哪一思維層次并賦予相應的分數，以提高試題的區分度；二是具有較強的操作性，很多化學問題都可以根據該方法進行思維層次劃分，對編制化學試題，尤其是科學探究題有很強的借鑒作用；三是為檢測學生的高級思維能力提供了一個切實可行的思路；四是對化學教學有一定的反撥功能，教師可以根據教學計劃預先確定學生學習某一化學知識時要達到哪一思維層次，并按照循序漸進的方法逐步提高學生的思維水平。

參考文獻：

[1] OECD.PISA2006 Science Competence for Tomorrows World Volumel-Analysis，2007：20～22，35～40，82～85，104～107.

[2]劉懷樂.對一道實驗試題的再思考[J].化學教學，2011，（9）：76～77.

解答1：選擇醋酸的濃度作為自變量，用不同濃度的醋酸和編號①實驗作對比實驗（根據對照組設計試劑用量和實驗裝置），根據壓強的變化判斷假設一是否成立。

解答2：用NaCl溶液代替醋酸作對比實驗，根據壓強的變化判斷假設一是否成立。

解答1和2方案存在的主要問題是沒有將系統中同時發生的吸氧腐蝕關聯起來考慮，雖然控制了自變量（醋酸的濃度），因變量會有不同的變化（析氫腐蝕發生的程度不同），但系統中存在的吸氧腐蝕也受酸的濃度的影響，導致這種一個自變量引發兩種因變量改變的實驗體系不能得出正確的結論。

解答3：將碳作為自變量，設計了用同濃度的醋酸和鐵粉反應，根據是否有氣泡產生判斷假設一是否成立。

該方案也不完整，如果有氣泡表明假設一成立；但如果短時間內沒觀察到氣泡，不表示在有碳粉條件下也不會產生氣泡，不能證明假設一不成立。

滿分（第四層次）：學生思維水平處于關聯水平，學生能夠將問題情境下各個線索之間建立本質聯系，使其成為一個有機整體；具體分析如圖6及相關論述。除了題給的“控制在無氧條件下按編號①方案進行實驗，測量壓強變化”的設計方案外，以下兩種方案也有創意[2]：

解答1：按圖7所示裝置，把鐵粉、碳粉參照編號①實驗用量混合均勻后放進注滿90%醋酸溶液的試管中，靜置觀察，如果有液體從玻璃管上口溢出，試管口聚集少量氣體，則發生了析氫腐蝕，假設一成立，否則假設一不成立。

解答2：將鐵和碳放入90%的醋酸溶液中（控制在無氧狀態下）組成原電池，若有電流產生，則假設一成立，否則不成立。

由此可見，關于這種以等級描述為特征的質性分類評價方法，較之傳統的采點計分方法有著明顯的優勢。一是SOLO評價力求從學生的回答中分析出他能夠達到哪一思維層次并賦予相應的分數，以提高試題的區分度；二是具有較強的操作性，很多化學問題都可以根據該方法進行思維層次劃分，對編制化學試題，尤其是科學探究題有很強的借鑒作用；三是為檢測學生的高級思維能力提供了一個切實可行的思路；四是對化學教學有一定的反撥功能，教師可以根據教學計劃預先確定學生學習某一化學知識時要達到哪一思維層次，并按照循序漸進的方法逐步提高學生的思維水平。

參考文獻：

[1] OECD.PISA2006 Science Competence for Tomorrows World Volumel-Analysis，2007：20～22，35～40，82～85，104～107.

[2]劉懷樂.對一道實驗試題的再思考[J].化學教學，2011，（9）：76～77.