基于认知过程的科学思维诊断性测试框架

张晓 朱宁宁

摘 要：“科学思维”是重要的认识方式，在学生学习的各个阶段中有计划、有目标地进行科学思维能力的训练和诊断，是落实物理学科核心素养和提升学生的“认知能力”与“创新能力”等关键能力的必要路径.基于北京市高中物理研究团队的科学思维诊断测试框架，就其二级诊断指标的描述进行了分析和说明，并结合具体案例介绍了如何基于该测试框架命制诊断性试题.

关键词：认知过程;科学思维;诊断;测试框架

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）03-0011-06

基金项目：北京市教育科学“十三五”规划2018年度一般课题“基于课前学习诊断的教学整合模式研究”（项目编号：CDDB18155）;北京物理学会2020-2021年度立项课题“通过课程整合对高中学生物理科学思维能力系统培养的研究”（项目编号：WLXH202037）.

作者简介：张晓（1970-），男，内蒙古人，本科，中学高级教师，研究方向：中学物理教学和教育;

朱宁宁（1989-），女，河南人，硕士，中学一级教师，研究方向：中学物理教学和教育.

《普通高中物理课程标准（2017年版）》中指出：“科学思维”是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式;是基于经验事实构建物理模型的抽象概括过程;是分析综合、推理论证等方法在科学领域的具体运用;是基于事实证据的科学推理对不同观点和结论提出质疑和判断，进行检验和修正，进而提出创造性见解的能力和品格.

培养学生的科学思维是物理學科育人价值的重要体现，德国物理学家劳厄指出：“重要的不是获得知识，而是发展思维能力，教育无非是一切已学过的东西都遗忘掉的时候所剩下的东西.”关注培养学生的科学思维，一方面，有助于学生了解并掌握正确的学习物理的方法，形成科学的逻辑思维方式，从而提高物理学习兴趣以及学习能力，且这种学习能力可以迁移促进其他学科的学习，有助于为终身学习打下坚实基础;另一方面，有助于学生形成严谨的、周密的、富有逻辑的思维体系，使学生更加智慧、更具创造性，在进入社会后能够真正解决遇到的实际问题，从而有助于学生的终身成长与发展.

正如陈佳洱所言：“物理学不只是图表和数据，它能带给你很多更珍贵的东西，理性的思维方式、人生的哲学和人生的道路.”物理课堂不仅仅是关注于学生科学知识的学习，更应该着眼于学生科学思维的发展.但当前的教学实践中，在培养学生科学思维方面仍存在许多问题，比如，师生角色管理上，一方面，有些课堂教师仍然是“主角”，学生是“配角”，这样一来，可能导致学生无法主动参与课堂，束缚了思维的发展;另一方面，有些课堂中虽然教师有意识地体现学生的主体地位，也在创设情境引导、启发学生参与课堂，但整个课堂的教学流程仍有教师强制控制，学生的活动也是在教师的一步步把控与引领下进行，比如在一些规律课上，学生被“牵引”着经历了整个规律的探究过程，既缺少了真实的、独立的问题发展与思考，也不利于学生的科学思维发展;教学内容设计上，仍有教师过于关注物理知识的教学，物理思维方法的教学薄弱，导致学生更多地关注“记忆”知识，忽略了知识建构与形成过程中隐含的思想方法，错失了思维发展的良机;教学策略安排与过程实施中，有些教师的提问根本无法帮助学生突破思维障碍的“点”，属于浪费教学资源的无效提问，等等.

基于这些现实问题与新课标对培养学生科学思维的要求，为了更精准地了解学生目前的思维表现水平，从而为有效的思维培养与发展做好研究基础，本文关注研究基于认识过程的科学思维诊断，介绍北京市高中物理研究团队研发的科学思维诊断性测试框架，并就其二级诊断指标进行分析和说明.

1 科学思维诊断性测试框架二级指标的确定依据

1.1 国内外关于科学思维的研究综述

教育的重要目的之一是培养学生的科学思维，课堂教学活动要能促进学生积极思维，发展学生的科学思维能力，这已成为科学教育研究的共识，并开展了大量的研究.

美国著名教育家和心理学家约翰·杜威（John Dewey）认为，好的教学必须能唤起儿童的思维，并提出了“从做中学”的理论，以及开展教学过程的五个阶段，即“思维五步”：从情景中发现疑难;从疑难中提出问题;提出解决问题的各种假设;对这些假设进行推断;检验或修正假设.其本质就是在“做”中进行思维，通过思维提出问题、解决问题.美国另一著名教育家和心理学家杰罗姆·布鲁纳（Jerome Seymour Bruner）基于对儿童认知心理及智力发展的研究，提出了“发现学习”的理论，认为学生的认识与学习是一个自己主动思考、主动参与学科知识获得以及知识体系建构的过程，学生是知识的积极探究者与发现者.其主张由学生自己发现问题与解决问题，从而培养学生的独立思考和探究性思维.苏联著名教育家和心理学家赞可夫基于维果茨基的最近发展区学说，认为“教育要走在发展的前面，促进学生的发展”，并开展了长达20年的“教育与发展问题”的实验研究，主要研究了学生的观察能力、思维能力和实际操作能力的发展，强调在教学中要注重培养学生的逻辑思维，调动思维的积极性，最终培养学生思维的灵活性和创造性，满足时代发展的要求.美国认知心理学家斯滕伯格（Robert J. Sternberg）基于所提出的“成功智力理论”开展了教育教学实验，在涉及思维的教学实践中，对分析性、创造性和实践性三种思维进行培养并取得了良好效果.美国创造性教育研究专家威廉斯（F.E.Williams）提出了创造性思维培育理论，并提出了创造性思维培养的18种教学策略，以应用在教学实践中提高学生的创新性思维.此外，建构主义学习理论认为知识是学生通过主动意义建构的方式而获得，学习不是重复与重现教师思维过程，而是自己积极主动建构.建构主义提出学习环境的四大要素包括情境、协作、交流、意义建构，其中，“协作”贯穿在整个学习过程中，包括准备与分析资料、提出与检验假设、评价最终的效果等等;“交流”是“协作”过程中的最基本的、不可缺少的方式与环节，学习者之间通过交流才能达成最终的意义建构，并实现思维成果的共享.从发展思维的角度分析，建构主义是通过学生思维活动的主动参与及思维能力不断发展，从而实现知识的主动建构，也可以看成是促进学生思维发展与建构的一种学习理论.

我国物理教育研究者也进行了长期的培养学生思维能力的研究，且在物理教育研究中将科学思维称为物理思维.郭玉英等指出，物理思维能力是在学习物理过程中逐步形成并直接影响物理学习和物理问题解决的高级心理活动的统称（郭玉英等，1988）;并研究发现了物理思维能力的三个主因素：运用映像的能力，物理概括能力，联想和发散思维能力.段金梅提出中学物理教学中要注重培养包括思维能力在内的五方面能力，并指出物理思维具有实践性、逻辑性、精确性和模式性等特点（段金梅等，1988）.续佩君研究指出物理思维的基本方法包括分析、综合、比较、抽象、概括，物理思维的形式包括物理概念、物理判断、物理推理（续佩君，1999）.林崇德等基于对思维的结构的分析提出了聚焦思维结构的智力理论（林崇德，2005），并以此为基础提出了“思维型课堂教学理论”，该理论指出，思维型课堂基于认知冲突、自主建构、自我监控、应用迁移的基本原理，在创设的情境中通过引发认知冲突激起学生的积极思维，在分析与解决问题的过程中掌握知识的形成过程以及思维方法，强调注重知识的主动建构与思维的互动，同时在迁移应用过程中掌握创造性思维的方法，训练创造性思维的品质（林崇德，2009）.胡卫平分别研究了在物理概念教学（胡卫平，2004）、物理规律教学（胡卫平 ，2004）、物理问题解决（胡卫平，2002）等思维能力培养的要求与方法，并开发了“学思维”活动课程，旨在提高学生的包括形象思维、抽象思维、创造性思维等三方面思维能力（胡卫平，2008）.郭玉英等建构了物理学科能力表现框架（郭玉英等，2017），该框架由学习理解、应用实践、迁移创新三个能力维度构成，每个能力维度又分为具体的一级指标和二级指标.该框架虽没有直接明示物理思维，但一些具体指标的落实则体现了对物理思维的发展要求以及培养价值.比如，学习理解维度对推理的思维能力进行了要求，要求学生能够通过归纳、演绎、类比等思维方法建构概念与理解规律;应用实践能力对建模、分析与推论的思维能力进行了要求，要求学生能够选择模型分析与解释实际问题，以及进行推论与预测等;迁移创新能力则指向了更高的思维能力要求，面对陌生情境能够进行知识的联想与迁移、能够发现问题与提出批判质疑、能够建构新模型等.

综上，国内外的科学教育研究学者都重视科学思维的培养，都认可或涉及从提出问题出发展开思维，在包括分析、讨论、概括、推理、质疑等一系列思维活动的开展中分析与解决问题、建构知识，以及关注培养创新性思维品质.在科学思维的构成要素上，都认同科学思维包括以下特点与要素：建模、概括、推理、类比、批判与创新等.这些共同的研究认识是本文基于认知过程的科学思维诊断性测试框架二级指标的确定依据之一.

1.2 核心素养中的科学思维要素分析

物理核心素养中科学思维主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素.这些都是物理学科在探索自然和建构理论体系过程中运用的典型思维方式，也是学生学习和运用物理知识和方法的过程中必备的思维能力.

教学实践中实现对学生科学思维的培养，第一，要求教师在教学活动中注重培养学生从物理学的视角把实际问题抽象概括出物理模型的习惯和意识，要明确其价值和建模的科学研究方法.因为物理学研究的不是自然界本身，而是物理模型;建构模型也是物理学科的主要特色.在以往的教学和测试中，最容易忽略建构模型这一极具思维价值的教学环节，而仅重视概念、规律的应用环节.第二，在探究事物间内在规律及相互关系时，需时时关注在建立科学概念、问题解决和新知建构的过程中，切实在认识方式上提升学生的科学思维能力.无论在教学中还是命制一份诊断试题过程中，教师都要明确每一教学环节或测试题的具体问题的能力发展指向，使学生能够养成证据意识，能够从不同的视角去看待得出的已有结论，在建立事物间关联过程中有分析综合和推理论证的思维习惯.这一点需要在教学设计中和测试题中精心设计，从而在学生学习的不同学段有计划地提升和发展这方面的科学思维能力.

要想切实提升学生的科学思维水平，首先需要明确学生在不同学段、不同能力水平段上应分别达到怎样的水平预期，这需要教师自身特别明确物理学科核心素养中科学思维相应四个要素的各层级描述的具体要求.此外，教师在教学中应该统筹安排，使高中三年每一模块的教学中都有提升学生科学思维的发展点的设计和诊断题目.本文基于新课标中对科学思维的层级描述要求，整理出科学思维中四个要素各对应的发展水平层级及具体表现表述，见表1.这是本文基于认知过程的科学思维诊断性测试框架二级指标确定的另一主要依据.

2 科学思维诊断性测试框架二级指标的界定与说明

基于以上的研究分析，本文所研究的科学思维遵从《普通高中物理课程标准（2017年版）》中科学思维的定义，特指符合科学规律的理性思维：首先，科学思维是对客观事物本质属性、内在规律的准确反映的思维，而非别的思维，其实就是理性思维;其次，开展物理研究时建构模型常用的思维过程是抽象与概括;然后，科学思维中常用的思维方法是分析与综合、推理与论证;最后，科学思维注重质疑与创新品质的培养，因为思维的根本追求是创新，只有创新才能解决新的问题，科学才能不断发展.

2.1 框架二级指标的内容

本文把科学思维这个二级指标纳入整个诊断性框架的认识方式这个一级指标中，并基于以上的理論研究与对认知领域所运用的思维过程的共性分析，提炼出指向性更加明确的科学思维诊断性测试框架二级指标：模型建构、推理论证、质疑创新.这对诊断性测试题的命制起到了精准的指导性作用，也具有很好的可操作性.同时，也是中共中央办公厅、国务院办公厅印发的《关于教育体制机制改革的意见》中提出的“认知能力”和“创新能力”融入高中物理教学的具体体现.表2为科学思维诊断性测试框架具体的二级指标及对应说明.

2.2 对二级指标的说明

2.2.1 “模型建构”的诊断指标

模型建构（D1）：能将实际问题中的对象和过程转化成所学的物理模型或者根据实际条件建构新模型.制定（D1）评价指标的出发点是诊断学生在解决实际问题的过程中的科学思维水平发展的状况.首先，这一评价指标要求有一个实际的问题情境，所以在诊断的过程中，无论是试题诊断，还是其它诊断方式，都要有意识地选取一些在生产生活中或是技术中的相关实际问题为考查素材，不能是已经模型化了的问题或题目;其次，根据测试的需要，可根据学生的实际情况转化成已经学过的物理模型，如质点模型、自由落体的运动模型等，或是根据解决问题的需要构建新的模型;最后，无论是教学中，还是在测试中，都要让学生认识到建立物理模型对于研究物理问题的重大意义，并且学会建立物理模型的科学方法，从而切实掌握物理学的基本研究方法.

2.2.2 “推理论证”的诊断指标

推理论证（D2）：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;能恰当使用证据进行解释得出观点，并判断证据的可靠性.这是认识方式中非常重要的方面，是树“理性思维”之人必不可少的载体.模型建构完成后就是解决问题了，解决问题最主要的思维能力就是推理、论证，对得出的结论做出合理的说明和解释，以及证据意识.课堂教学中的问题设置及制定小组讨论任务时，要把这方面的思维训练凸显出来，这需要在整个高中物理教学计划中做系统的安排，要关注学生在这方面思维水平的进阶情况，切实做好教学观念的转变.通过包括课前诊断、课堂上和作业中的不断反馈等多种诊断方式进行，定期诊断尤为重要，并需根据诊断报告不断修正下一阶段的教学.一方面，课堂教学中，概念和规律的得出过程其实就是一个很好的对学生推理、论证及具有证据意识思维训练与诊断的机会.如匀加速运动的位移公式、弹性势能表达式、引力势能表达式的推导、平行板电容器中的电场能、通电螺线管中的磁场能的推导等，要抓住这些非常好的教学环节.另一方面，关于给学生布置的作业题和设置诊断性试题，无论从物理情境的设置，还是问题的设计，都要关注“框架”的指标说明、充分考虑这些科学思维能力的提升点.总之，教师要认识到科学思维的诊断应贯彻在整个教学活动中，要做好统筹安排.

2.2.3 “质疑创新”的诊断指标

质疑创新（D3）：能对已有结论提出有依据的质疑，采用尽可能多的方式或视角分析解决物理问题.新的课程标准及本研究中均把这一评价指标凸显出来，这是培养国家创新人才的需要，在中学物理的教学活动中必须给予足够的重视.学生在学习过程中不断存疑和养成经常能从多角度审视检验结论的习惯，这方面能力的提升才能保障.这需要在日常教学和命制诊断性试题中有意识地让学生不断体验.比如，我们从力的角度定义了一个描述电场的物理量——电场强度，即E=F/q.同样，电荷在电场中具有电势能，这就引发我们有一种对称性的思考，电势能与电荷量的比值是不是也与试探电荷无关？那么我们是否能从能量的角度也定义一个物理量来描述电场？在这里是有目的地引导学生提出猜想：电势能与电荷量的比值与试探电荷无关，可以描述电场的性质.要验证猜想，就要从具体的情景中寻找证据，进行科学论证.这一论证过程具有思维的开放性，需要通过创设情景使学生形成有序、规范的思维过程.再比如，在讲授“伽利略关于落体运动的研究”一节课时，提出这样的三个问题：（1）亚里士多德关于落体运动的观点和伽利略的观点有何不同？是对什么因素的考虑不同才使他们有不同的观点？（2）两位科学家的研究方法有何不同？（3）亚里士多德难道想不到“重物下落、轻物下落及其捆绑下落……”这样的逻辑推理吗？其实第一个和第三个问题根本就没有统一的答案，这是为培养学生质疑创新能力而设置的.在诊断试题命制方面也是一样的，要有意识地去提出有价值的问题来引导学生真正意义上的质疑，切实提升创新能力.

3 基于测试框架的诊断性试题命制说明及案例分析

诊断不同于选拔性考试，其目的是为了更好地找到学生在认识领域和认识方式上存在的问题以及发展点.所以，基于认知过程的科学思维诊断可以有多种方式，比如，课前学习诊断、问卷调查、访谈、作业、课堂上基于问题情境的有针对性问题的讨论以及统一测试等等.诊断性测试从大的角度来讲，应该是贯穿于教学的全过程，因为，学生的科学思维能力在其学习过程中是逐步发展、提升的.当然，统一测试诊断这种形式是经常采用的，因为一方面，统一的测试诊断由命题者根据测试框架的具体二级指标精心设计的问题和统一的评分标准，经过技术统计，可以一次性地获得大量较为可靠的测试数据，以及反映某个学校、某个年级、某个班级、某位同学的思维水平发展的客观现状的各种测试数据，便于指导下一步有针对性的教学以及开发有针对性的个性课程.这就像我们定期去医院体检一样，之后会得到一份专业的诊断报告;另一方面，科学思维能力这一认识方式是物理核心素养极为重要的一个方面，比较内隐、难测试，需要在一个较为相对复杂的物理情境和较长的思维过程中进行.这样一来，综合的问答题更有利于学生科学思维能力的测试.因为学生作答大题过程中会留下大量不同的思维痕迹，这对研究者来说很有价值，可以按预设的各级评价指标更加准确地测试出群体或个体的科学思维发展的现状水平.所以，开发这一测试系统是必要的，且诊断试题命制的质量是关键.

3.1 基于测试框架的诊断性试题说明

科学思维属于学生能力范畴，是内隐的，依据北京市高中物理研究团队制定的物理学科核心素养学習诊断内容的（3+2）×3框架的二级指标命制测试题，则可得到精准的科学思维表现外显结果.虽说科学思维是属于认识方式的考查，但还应同时关注问题情境、知识载体、认识领域三个方面的综合指标考查，它们是不能割裂的，命制试题时有所侧重就可以了.命制者要关注整份试题蓝图综合考虑的需要，依据测试框架中的具体指标要求，再结合科学思维的层级具体描述来控制试题的难度.一般来说，大题可以对科学思维能力的发展水平考查得更加充分，也能根据预设得到测试者不同水平的测试结果.命制试题时命制者要关注三个方面的问题.

首先是问题情境的设置.问题情境的设置至关重要，可以是学生熟悉的生活中的实际情境，也可以是学生不熟悉的在生产、技术上或科技前沿的实际问题情境.这对于模型建构（D1）这一二级指标的考查非常重要，因为首先需要把一个实际问题转化成物理模型，然后才能开始问题的研究.在建模过程中，应考虑到建模的一般方法：从实际出发、提出问题、合理简化、建立模型.命制者应根据试题难易程度和层级水平的要求，对以上模型建构的科学思维能力给予充分的考查.命制在鮮活、新颖问题情境下的试题，是一件不容易的事情，需要教师不断积累、学习、思考.

其次是知识载体.在构建了恰当的模型后，就要对推理论证（D2）和质疑创新（D3）这两个二级指标进行考查.科学思维能力的考查，离不开知识背景，但也没必要刻意照顾主干知识的全面考查，因为测试的落脚点不一样.试题中可以在学生陌生的知识背景下进行新知建构，在此基础上对涉及到的物理问题进行综合分析，进行推理和论证，获得结论，并对结论作出解释，并能用证据证明物理结论.对已有的结论能够多角度审视，能够提出质疑，并能用新颖的方法解决新问题.用一些和学生学过的知识相近的、有共同本质特性的新知识，可以更好地考查学生的科学思维能力.因为这些问题的解决不是根据经验、知识和反复训练所能达到的.

再者是认识领域.物理难就难在把一个实际问题转化成可解决的物理问题，并能建立恰当的物理模型，再就是选用合适的物理规律去解决问题.在这一过程中，会不可避免地涉及到概念的理解（A）和问题解决（B）;所以，在命题过程中要协调好这一关系，重点考虑在综合运用物理知识解决实际的物理问题时如何侧重考查认识方式中的科学思维能力.选择新颖的物理情境和设问的角度以及开放性问题的设置是关键.一般来说，一个大题可以设置三个问题：第一问重点测试模型建构（D1）;第二个问题测试推理论证（D2）;第三个问题测试质疑创新（D3）.

3.2 测试题目案例分析

下面以北京市高中物理研究团队集体命制的测试题目中，考查学生认识方式中的一级指标——科学思维（D）下的模型建构（D1）、推理论证（D2）、质疑创新（D3）三个二级指标的题目为例，分析说明试题如何命制.

案例：转动是生活中常见的运动形式，例如车轮和电风扇的扇叶绕转轴运动.我们可以用Δθ表示在一段时间Δt内物体绕固定转轴转动的角度，仿照质点直线运动的描述方法，用转动的角度Δθ与其经过的时间Δt之比定义角速度ω，即ω=ΔθΔt，这个量描述了物体转动的快慢.

（1）某同学认为，若物体绕固定转轴转过的角度Δθ越大，则其转动的角速度ω就越大， 你是否同意，请说明理由.

（2）与直线运动中定义加速度类似，可以用一段时间内角速度的变化率来描述角速度ω的变化快慢，这个变化率称作角加速度β，即β=ΔωΔt.t=0时刻，一硬杆由静止开始绕转轴O匀加速转动，转动的角加速度为β，则t=t1时刻，硬杆转动的角速度ω为.

（3）若硬杆从静止开始绕转轴O匀加速转动，转动的角加速度为β，经过时间t，求硬杆转过的角度θ.

分析：第一问可以测试出学生模型建构（D1）的能力水平，考查了学生对转动的物理模型的建构和理解能力，以及用定量化的物理方法描述这一物理模型的能力和意识.属于中等水平对模型建构能力的考查，诊断学生在熟悉的转动模型中根据所学的类比速度定义的方法去解决简单物理问题的能力.

第二问可以测试出学生推理论证（D2）的能力水平.这一刚体转动的问题及其描述对于学生来说，是没有学过的、完全陌生的，所以有不小的难度，考查学生能在新的转动情境中根据自己所学的质点的直线运动的知识和科学研究方法进行科学的推理，并能恰当使用证据证明物理结论的思维习惯.这一问题的设置可以诊断学生是否具备能对已有的物理知识和方法进行分析，通过推理，获得结论并能作出解释的能力，表现为建构出新的知识，并用建构出的新的知识创造性地解决新的问题，从而得出角速度的表达式.学生在解决这一问题时若能够把描述质点的直线运动的物理量：位移、速度、加速度和描述刚体转动的物理量：角度、角速度、角加速度一一对应起来，就体现出学生有很好的对综合的物理问题进行科学推理、类比以及能考虑到证据的可靠性和使用的能力.虽说科学思维能力是内隐的，比较难考查出来，但以上诊断能够最大程度地把学生呈现在知识之上的推理、论证能力体现出来.在平时，很多难的、学生反复练的模型化的题目靠其经验和知识的扎实掌握就能做出来，不适合考查学生的科学思维能力.所以，诊断学生认知过程中呈现出来的科学思维能力，还需要命制诊断试题的教师反复斟酌，进行研究.

第三问可以测试出学生质疑创新（D3）能力.学生在第二问推理、论证的基础上，若能够很好地解决这一问题，就是很好地体现出质疑、创新能力.什么是创新能力？就是能够应用已有的知识和方法解决新的情景中物理问题的能力，这是创新人才的必备品格.解决这一问题，并不是凭学生的经验和知识决定的，而是需要质疑、创新的能力.需要创新性地把研究质点的直线运动的研究方法应用到刚体转动的新问题的解决过程中，并以类比的方法构建出新的知识.学生脑海中若能对表3中涉及到的物理概念和科学研究问题的方法很清晰，就能很好地解决这一问题，也达到了对学生质疑创新（D3）能力的考查.质疑创新能力的测试不是孤立的，在这一问题的测试过程中，也有对物理概念及规律、推理论证能力等能力的考查.关于质疑创新能力的测试，试题应尽可能是开放性的，可以是物理情境的开放，还可以是基于构建的物理模型的不同，体现采用不同的方式解决物理问题的能力，也可以是结论的开放，达到充分测试学生的创新意识和能力的目的.关于开放性，此案例体现得不明显.

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（收稿日期：2020-11-11）