科学推理能力的测评——加拿大PCAP评估项目的经验与启示

王俊民 左成光

(1 重庆师范大学初等教育学院 重庆 400700； 2 贵阳学院化学与材料工程学院 贵阳 550005)

科学推理是科学思维的一种高级形式，在个体获取新知识、认识世界的过程中起着重要作用，是学生必备的素养之一，也是生物学学科核心素养的重要内容。如何界定并测评科学推理能力一直是心理学和科学教育关注的重要问题。目前，国内外使用比较广泛的是由美国Lawson教授1978年开发并在2000年修订的“Lawson科学推理测试”(LCTSR)量表，该量表从守恒、比例推理、控制变量、组合推理、概率推理、相关性推理和假设演绎推理7个维度测量青少年的科学推理能力[1]。然而，这一量表对于学科情境下的科学推理测评显得力不从心。本研究以加拿大“泛加拿大评估项目(PCAP)”为研究对象，重点关注其对科学推理能力的界定与测评，以期能够为学科情境下的科学推理能力测评提供新的视角与思路。

1 加拿大PCAP评估项目简介

PCAP是由加拿大教育部长理事会负责的一个国家评估项目，该项目自2007年开始运行，目的是帮助加拿大人了解教育系统在满足学生和社会需求方面的情况，评估信息反馈给各省区教育部门作为其审视课程以及学校系统的依据。

科学素养测评是PCAP的一个重要测评领域，主要测评学生科学学业达到《泛加拿大科学学习成果共同框架》(Common Framework of Science Learning Outcomes K to 12)的程度。2013年和2016年科学素养测评都只采用纸笔测验，且测评框架相同(图1)。

图1 PCAP科学素养测评框架

可以看出，PCAP科学素养测评框架由三种素养、四个内容领域构成。素养如同纽带连接物质科学、生命科学、地球科学和科学本质四大内容领域，具体表现为科学探究、科学推理和问题解决三大综合能力。2016年PCAP科学素养测评框架指出，科学探究、解决问题和科学推理三者所占的比例约为34%、 12%和54%。可以看出，科学推理是非常重要的综合能力。

2 PCAP对科学推理能力的界定

PCAP科学素养测评方案指出，科学推理(Scientific reasoning)指：“能应用科学知识和技能进行科学地推断(reason)和建立联系，进而帮助决策，解决与科学、技术、社会和环境相关的问题。”科学推理涉及比较、理性解释或使用现有的理论或推论进行推断。具备这一素养表现在： 能运用他们的科学知识、技能和对科学本质的理解做出明智的、基于证据的决定；能得出结论或与现有的理论或观点进行比较；能识别问题或事件，并寻求解决问题或事件的科学知识。具体表现为： 识别模式；形成合理论据；验证结论；判断论据的有效性；依据证据建立有效论据和解释；联系科学观点，建立彼此相关联的整体；根据证据进行推理，为指定问题做出明智决策；使用推理帮助理解科学相关的问题；基础证据提供做出决策的理由；针对某一问题做出决策的依据及局限性；开发和使用模型；表现出对基于证据的知识的尊重和支持；对与科学相关的问题表现出兴趣和察觉意识。

可以看出，PCAP对科学推理的界定十分广泛，体现在识别数据中的模式、验证结论等多个过程中，甚至包括“表现出对基于证据的知识的尊重和支持”和“对与科学相关的问题表现出兴趣和察觉意识”两项情感态度维度的要求。与我们通常所使用的“科学探究能力”对比，可以发现，PCAP所界定的科学推理实际上体现在科学探究的整个过程当中，所强调的就是基于“证据”的推断与决策。

3 PCAP科学推理能力测评试题探析

以下将通过两道试题具体说明PCAP如何测评科学推理能力。

3.1 试题A 长颈鹿有非常长的脖子，可以帮助它吃到金合欢树叶。长颈鹿自身的一些功能可以减少这一长脖所带来的问题。长颈鹿的血压是所有动物中最高的，这能使血液到达大脑。它的脖子周围有非常紧密的皮肤，可以防止血液积聚，帮助血液循环回到心脏。

问题1 长颈鹿和金合欢树都是由细胞构成的。通过识别细胞的类型来比较这两个有机体的细胞，并说出它们的一个相似点和一个差异。

生物细胞类型相似点不同点金合欢树长颈鹿

问题2 描述生物的四个特征。

解析： 试题A的两个问题均测评学生的科学推理水平。问题1要求学生基于背景描述和图片正确识别细胞的类型并描述动物细胞和植物细胞的相同点与不同点。对于八年级学生来说，识别细胞的类型是比较容易的，对应科学推理的“识别模式”，而在此基础上回忆或联系所学的相关内容写出两种类型细胞的相同点和不同点则有一定的难度，尤其是两者的不同。例如有学生回答“植物细胞有可以起到保护作用的细胞壁而动物细胞没有”，这说明学生很好地建立了所学内容之间的联系。问题2要求学生根据背景描述生物的四个特征，如需要营养、适应环境、反应、繁殖等。学生可以根据“长颈鹿吃树叶”这一情境推测动物需要营养，从“长颈鹿长长的脖子”“高血压”以及“紧密的皮肤”推测出“适应环境”，同时需要回顾所学内容或常识建立联系或进行推理。这一试题考查学生是否能够基于证据进行推理以及能否联系相关观点建立科学联系。

3.2 试题B(糖尿病) 当我们吃含有碳水化合物的食物时，身体会将这些碳水化合物分解成糖，来供给我们运动所需要的能量和细胞的生长与修复。组织细胞对葡萄糖的摄取和利用需要胰岛素。

糖尿病是由于血液中的葡萄糖吸收发生障碍而引起的一种疾病。糖尿病有两种类型。

类型1●机体不能正常分泌胰岛素●由遗传因素引起●通常见于幼儿类型2●体内细胞不能正常使用胰岛素●细胞不能有效地吸收糖●更常见于超重的人,有高血压和胆固醇,或者有糖尿病家族史的人●通常发生在老年人●越来越多的年幼儿童成为患者

问题1 下面哪个陈述所描述的情况会导致儿童患类型2糖尿病的可能性增加？

A. 孩子们接触到了越来越多的污染

B. 孩子们经常看电视和玩电子游戏

C. 儿童吃更多含糖量高的食物，锻炼少

D. 由于接触其他儿童，儿童患病的可能性增加

问题2 吃饭后，健康人的血糖水平会随着食物的分解而缓慢增加，然后由于身体的细胞消耗糖类又使血糖水平下降，如下图所示。

营养学家建议，除了每日三餐外，在上午和下午的中间时间段可以适当吃一些小饼干。在下面的方格中建立一个图表来表示一个健康人的血糖水平变化情况，这个人24 h的饮食模式即专家建议的模式。在相应的位置写出标题和标签。

问题3 在问题2中，假设这个人是糖尿病患者，你画出的草图会有什么不同，请解释说明。

问题4 对糖尿病患者最好的饮食菜单同样有益于每个人的健康饮食。健康饮食包括脂肪、蛋白质和碳水化合物的组合，但比例不相等。分析下页的两种营养方案，选择你认为更健康的方案，说明理由。

更健康的食物选择是

□方案1 □方案2

解释你的答案：

解析： 试题B的四个问题中，除问题2测量学生的科学探究能力外，其余三个小题均测量学生的科学推理水平。问题1要求学生基于题干信息推理得出儿童患糖尿病的数量增加的原因，需要学生首先“识别”题干中描述的信息，然后基于此理解与科学相关的问题。问题2要求学生基于提供的图表画出草图来说明一个正常人三餐(高峰值)和两次小吃(低峰)后的血糖水平，并写出标题、纵横轴标签和单位，是对科学探究能力的评价。问题3要求学生基于对正常人和糖尿病患者的理解描述两种情况下草图的差异并基于证据做出解释，学生需要理解图形所代表的含义并对两种情况做出比较，进而进行推理，说明图形的特征变化，例如学生可能会回答“图形会变得比较平坦”“图形的峰与谷之间的差异会比较少”等，做出解释需要使用题目提供的已有信息，如“组织细胞对葡萄糖的摄取和利用需要胰岛素”；有学生回答“由于缺少胰岛素，对糖的吸收少”等，这不仅是利用已有证据进行推理的体现，同时也是建立知识联系的过程。问题4要求学生从两种饮食方案中选择一种并解释选择的理由。根据评分规则，这一问题相对较为开放，学生可以选择方案1或者方案2，但是一定要有充分的理由来进行解释，关注的重点在于“基于证据”。

方案1方案2数量每日摄入量数量每日摄入量卡路里260130脂肪/脂肪族化合物13g20%5g8%饱和脂肪酸3g25%3g21%不饱和脂肪酸2g0 g胆固醇30mg0mg钠660mg28%15mg1%碳水化合物31 g10%17 g6%纤维素0 g0%2g4%糖5g16g蛋白质5g2g维生素A4%0%维生素C2%0%钙15%4%铁4%2%注: 每一杯(250 mL)的营养价值

3.3 试题特点分析 综合试题A和试题B可以看出，PCAP针对科学推理的试题设计具有如下特点：

(1) 以“试题单元”形式呈现试题，围绕一定的背景设置多个问题。以上两道试题样例均是围绕一个主题创设一定的情境，然后提出多个问题要求学生进行作答，这些问题的作答往往需要提取背景信息所提供的相关信息。在PCAP测评方案中，这种试题呈现形式被称为“评估单元”，包括一个适当的情境和具体的问题。评估单元的情境一般是开放性的，每个单元包括3～5个测试问题，每个测试问题评估一种能力，对应一个内容领域(含科学的本质)。

(2) 题型比较灵活，具有一定的开放性。从以上两道试题可以看出，PCAP的一个评估单元中可能涉及多种题型，如选择、画图和简答等。PCAP指出，要测量复杂的和整合性的技能，通常需要多样的试题类型，这样既能很好地反映学生的学业获得，又能在较大程度上测量学生的复杂技能。根据PCAP测评方案，科学素养测评题型主要包括选择类和简短构建类，选择类试题除了传统的单选题外，还包括判断类试题，要求学生判断某一描述或结论的正确性。构建类试题要求学生写出答案，答案可以是一个简单的短语，也可以是两到三个句子，还可以是若干个片段，也可能要求学生根据要求画表格、图表、图示或设计实验。

(3) 关注“基于证据”做出推断的能力。从两道试题可以明显看出，PCAP对科学推理的评价正是围绕其对科学推理的界定展开的，由于对科学推理的界定比较广泛，学生应用也比较多，包括从试题情境中识别模式、建立联系、做出解释等，所关注的是学生能否基于所提供的信息做出“推断”的能力，而这种能力都是在一定的具体情境中表现出来，且与科学探究能力交叉进行评估的。

4 总结与启示

PCAP对科学推理的测评对生物学科科学思维的界定与测评试题设计具有一定启示。

(1) 明确科学思维的基本内容，引导教学关注科学推理能力的培养 目前，国际上对于科学推理的理解还没有形成一致观点，有些观点甚至将科学推理与科学思维或科学论证等同，这使科学思维的教学存在很大困难。生物学教学需要基于学科特征，明确科学思维的基本要素和每个要素的内涵与结构，建立与具体内容的联系，引导教师在教学中关注科学推理等思维能力的发展。

(2) 学业测评基于具体的情境设计多个问题，以“试题单元”的形式呈现试题 发展学生核心素养要求对学生学业和能力的测评要基于一定的情境，关注学生在复杂情境下解决问题的综合能力而非对知识的记忆。PCAP以“试题单元”形式呈现的试题关注情境设计，基于情境设计多个相关的问题，可以层层递进地考查学生对知识的深入理解以及能否建立联系并进行综合应用的能力，有一定借鉴价值。

(3) 学业测评关注“基于证据”做出推断或决策的能力，引导教学落实科学思维目标 普通高中生物学课程标准指出，“学生应该在学习过程逐步发展科学思维能力，如能够基于生物学的事实和证据运用归纳与概括、演绎与推理……”，科学思维评价对教学实践起着直接的引导作用。生物学科学业测评可以借鉴PCAP对科学推理的界定与测评经验，从关注学生“基于证据”做出假设、建立联系、做出推断与解释、进行决策等能力出发，引导教学落实科学思维目标。