编制结构不良试题测评学生高阶科学思维.docx

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编制结构不良试题测评学生高阶科学思维

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【摘要】正确评价科学思维能力是培养学生科学思维能力的重要保障。

结合2017版高中生物学课程标准和高阶科学思维的内涵，分析生物学科的科学思维核心素养的内涵及进阶层级，论证结构不良试题的特征及对高阶科学思维测评的重要价值，并以案例的形式分别命制了4类结构不良试题（真实情境、答案多样开放、需要学生表达对问题的观点、概念和原理等不确定），然后对学生进行测评。

结果发现，结构不良试题注重学生思维能力和表达能力的考查，具有较大的开放性，能引起学生的答题兴趣，且区分度较高，是测评学生高阶科学思维能力的重要方式。

【关键词】结构不良试题；高阶科学思维；核心素养；真实情境

数学、生物、物理、化学等学科的核心素养，均将科学思维作为重要内容。

科学思维是进行科学探究、建构科学概念、解决科学问题所必需的品质，能促进学生其他智力能力的持续发展。

[1]对科学思维能力的正确评价是培养学生科学思维能力的重要保障。

《普通高中生物学课程标准（2017 年版）》[2]的“学业质量标准”部分对“科学思维”进行了描述，包括“利用科学思维方法形成和阐释生物学概念和内涵”“利用科学思维方法探讨、审视或论证情境中的生物学问题”“对于争议的社会议题通过逻辑推理阐明自己的立场，做出决策解决问题”，等等。

这里涉及的科学思维方法主要有归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维、创造性思维等。

在学业质量标准的水平划分中，对科学思维核心素养4个水平的描述呈现出明显的学习进阶，其进阶的类型主要是学习内容和行为动词的进阶。

以生物学科为例，在学习内容描述中：

水平一和水平二内容是“分子与细胞”“遗传与进化”模块；水平三和水平四内容增加了“稳态与调节”“生物与环境”和“生物工程与技术”模块。

在行为动词描述中：

水平一是“认识”“理解”“解释”；水平二是“说明”“探讨”“阐明”；水平三是“审视”“论证”“决策”；水平四是“阐释”“论述”“解决问题”。

根据布卢姆的教育目标分类，记忆、理解和应用等能力属于低阶科学思维能力；分析、评价和创造等能力属于高阶思维能力。

[3]

高阶科学思维是学生整合已有的结构化知识和技能，开展严谨的探究活动，创造性地解决复杂情境任务时所表现的思维方式。

养成高阶科学思维也是发展学生生物学科核心素养的重要目标。

因此，国际和国内教育改革均把培养学生的高阶思维能力视为重要的发展方向。

国际大规模教育质量评价项目如PISA、TIMSS 等均十分关注对学生高阶思维能力的评价，高阶思维能力也是上海市中小学学业质量绿色指标综合评价的指数之一。

本文以生物学科为例，通过编制结构不良试题测评学生的高阶科学思维能力，探索和实践测评高阶思维能力的一种新的命题方式。

一、结构不良试题的概念及其特征

当前，我国测评学生的科学思维大多采用结构良好的试题（well-structuredproblem），这类试题的设问和题给条件明确、答案明确、初始状态明确、目标状态和算子明确[4]，比如“分析某遗传病的家族系谱图，判断该遗传病的类型”，这类结构良好的试题因命题容易、聚焦特定概念、答案唯一而被广泛接受。

与此同时，结构良好的问题具有明确的条件、目标和解答，在测评学生低阶思维能力时有着广泛的应用。

但是，结构良好的试题相对较简单，很难测评学生广泛而灵活地将知识迁移到具体情境中解决实际问题的能力，不利于测评学生的高阶科学思维能力。

由此，美国科学教育界在关注结构良好试题的同时，也关注了结构不良试题对学生高阶科学思维的培养和测评。

[4]

与结构良好试题相比，结构不良试题（illstructuredproblem）的主要特征有：

（1）问题条件或数据部分呈现冗余；

（2）问题目标界定不明确、不清晰；（3）解决方法、途径是不熟悉的或多样化的；（4）所涉及的概念和原理等不确定；（5）答案是多样的、开放的；（6）需要学习者表达个人对问题的观念或信念；（7）涉及真实的生活情境，需借助生活常识等。

试题的结构不良程度可以有所不同，具备上述一种或多种特征的试题，均被认为是结构不良试题。

[4][5]

学生在解答结构不良试题时，通常需要遵循以下步骤。

第一，表征问题。

学生首先要确定问题的性质。

由于结构不良问题可以有多个表征，因此学生需要去审视和决策试题中的主要信息，选择自己认可的试题表征维度，并进行阐释和论证。

第二，解决问题。

学生需要生成一些解决方案，这要求他们具有发散性思维和创造性思维，能将已有知识和问题建立联系，提出多个解决方案，并论述各个方案的优点和缺点。

第三，监控与评价。

解决结构不良试题很大程度上要依靠批判性和创造性等思维，因此，学生在解决试题的过程中需要不断地反思，在评价解决问题时判断选择的信息、解决方案及价值观念等的正确性。

结构不良试题的特征决定了仅仅通过简单的信息提取是无法解决问题的，学生需要对试题信息进行筛选、提取、判定，并进行理解和内化，与已有结构化知识和技能相联系，多角度、多维度地去思考问题，只有这样才能提出解决问题的方法。

这个过程必然需要学生借助批判性、创造性等更高水平的思维过程实现问题的解决，所以结构不良试题可以实现对学生高阶科学思维能力的评价。

[6]

二、编制结构不良试题测评学生高阶科学思维能力的实践探索

基于结构不良试题的特征及对高阶科学思维能力的测评要求，笔者借助纸笔测试的考查形式，以生物学科为例，探索了以下4类结构不良试题的命制。

1真实情境的试题

真实情境是结构不良试题的重要特征之一。

生活中的真实情境更为复杂多样，结构良好的试题也可来自真实的情境，但大多是经过加工处理的。

而结构不良试题的真实情境多是“原生态”情境，可能会有冗余的信息，或者缺少必要的信息，或者试题信息指向不够明确等。

解答此类试题时，学生仅仅通过简单的记忆、理解等低阶科学思维是无法完成的，而是需要多角度地思考问题，通过分析、评价和创造性等高阶科学思维方式想出多种可能的解决方案，这最终能实现对学生高阶思维能力的测评。

真实生活情境可以是学生真实发生的事件，也可以是新闻传播的真实事件。

选择好试题信息后，命题者不需要对信息进行刻意的加工和处理，而是尽量保证情境的原生态，在设计问题时，则需要结合情境内容、生物学重要概念、科学思维的内涵及各水平表现等。

例1：

在抗生素抑菌实验过程中，a、b、c、d 共4 张形状、大小均相同的无菌滤纸片分别贴浸有浓度相同的不同抗生素和无菌水溶液，然后放在涂布有大肠杆菌的培养基上，培养数天后的结果如图1。

分析a 和b 无菌滤纸所浸抗生素抑菌效果大小，并说明理由。

（由2015 年上海生物学科高考试题改编）

例1来自真实的微生物抑菌实验结果。

如果是在结构良好的试题中，命题者会忽略b滤纸周围不规则的透明圈，仅画出圆形的透明圈，这样学生只需要借助简单的对比和分析等低阶思维就可以作答。

而在例1中，b滤纸周围出现不规则的透明圈，其原因很有可能是b滤纸放在培养基上时，没有沥干，因此出现“逗号”状透明圈。

在解答例1时，学生需要利用演绎和推理，以及批判性思维来完成解答。

例1的答案是：

a和b无菌滤纸所浸抗生素抑菌效果相同，因为a和b无菌滤纸周围透明圈的大小相同，b无菌滤纸出现不规则透明圈，是因为在操作过程中，没有沥干所致，并不能代表其抑菌效果强。

例2：

W 是一位52 岁的男性，患有血中丙种球蛋白缺乏症（XLA），这是一种B 淋巴细胞缺失所造成的免疫缺陷性疾病。

据调查，W 的前辈正常，从W 这一代起出现患者，且均为男性，W 这一代的配偶均不携带致病基因，W 的兄弟在41岁时因该病去世。

W 的姐姐生育了4 子1 女，儿子中3 个患有该病，其中2 个儿子在幼年时因该病夭折。

判断W 女儿的基因型是什么，并说明理由。

（由2014 年上海生物学科高考试题改编）

例2选择了一个遗传病家族信息，描述了家族成员的患病情况。

为了保持情境的真实性，题干描述较为复杂、详细，甚至冗余。

如果改编成结构良好的试题，命题者可以去除很多信息，只需提供“在XLA遗传病某家族系谱中，患者W的前辈正常，从W这一代起出现患者，且均为男性，W这一代的配偶均不携带致病基因，W姐姐生育了患病的儿子和正常的女儿”，考生即可以通过简单的已有训练的模式进行推理：

XLA是X染色体隐性遗传病，W的基因型是XbY，W配偶基因型是XBXB，因此，W女儿的基因型是XBXb。

类似的结构良好试题虽然可以测评学生对遗传病判定、简单的推理等思维，但很难测评学生的高阶科学思维能力。

而例2的结构不良试题在解答的过程中，需要学生选择性地甄别情境中信息，提炼出“男女患病情况不同，且正常夫妻可以生出患病孩子”等信息，并对这些信息进行重新组合，推理和演绎出该病的遗传方式及W女儿的基因型。

2答案多样、开放的试题

结构不良试题的情境内容、题干信息、解决方法及试题答案等都具有一定的开放性，这类试题通常有多种解决方案。

结构不良试题就像人们在日常生活中面临的问题，如电工检修电路故障等实际问题，出现故障的部分是不确定的，目标是不清晰的，也没有足够的信息来解决这些问题[7]，因而结构不良试题的设计具有开放性且答案具有不唯一性。

例3：

东海原甲藻与中肋骨条藻是我国近海主要的两个赤潮藻种，几乎每年都会引发大规模的赤潮，对海洋养殖业构成极大威胁。

为了解浮游植物种间竞争在赤潮发生中的作用，研究者设计了东海原甲藻与中肋骨条藻的共培养实验，结果显示，两藻分开培养时，成“S”型成长曲线，两藻共培养时，中肋骨条藻数量正常增长，而东海原甲藻数量下降。

可能的原因什么？

例3基于一个真实的科研成果，让学生根据情境中的内容思考“两藻共培养时，中肋骨条藻数量正常增长，而东海原甲藻数量下降”的原因。

试题聚焦生物种间竞争的原理，但给出的信息较少，需要学生采用发散性思维去回答多个可能性问题，答案多样、开放，可以测评学生的发散性思维和创造性思维能力。

例3的答案可以是中肋骨条藻和东海原甲藻竞争营养，并且中肋骨条藻竞争力更强，因此数量正常增长；可以是中肋骨条藻可能会产生某些物质抑制东海原甲藻的生长；也可以是中肋骨条藻和东海原甲藻在竞争生长空间时，中肋骨条藻繁殖能力更强；等等。

例4：

一对表型正常的夫妇生育了一个智障的儿子，其两对染色体如图2 所示，据图判断父亲表型正常的原因是什么？

（由2015 年上海生物学科高考试题改编）

例4需要学生根据图2解释“父母表型正常，而儿子患病”的原因。

据图2可以看出：

母亲染色体是完全正常的；父亲染色体出现了易位但表型正常，可能的原因有多个，可能是易位的染色体片段不控制性状，或者易位的染色体片段可以正常表达，或者易位的染色体控制性状是隐性的。

而根据“儿子患病”这一条件，学生可以推测易位基因能控制生物性状，所以答案只能是后面两个，即易位的染色体片断可以正常表达，或易位的染色体控制性状是隐性的。

例4可以实现对学生批判性思维等高阶科学思维的测评。

3需要学生表达对问题的观点的试题

此类结构不良试题可以让学生根据真实情境，表达对问题的观点，在表达过程中可以看出学生的思维方式和表达能力，如思路是否清晰、表达的原因是否能够支持自己的观点、思考问题是否全面，等等。

此类试题通过学生的表达可以测评其高阶科学思维能力。

例5：

科研人员以甜瓜为对象，研究温度和CO2浓度对甜瓜光合速率（即光合作用合成有机物的速率减去呼吸作用消耗有机物的速率）的影响，结果如图3。

依据图3中的研究结果，有人提出两种可能的控制方案以提高甜瓜产量。

方案一：

CO2浓度设定为1.4～1.6mL/L，温度设定为30。

方案二：

CO2浓度设定为大于1.6mL/L，温度设定为26。

其余条件均相同。

写出你认可的方案，并说明理由。

（由2017 年上海生物学科等级性考试试题改编）

例5要求学生根据图3信息表达自己的观点，并写出支持观点的理由。

从图3可以看出：

方案一光合速率最大，但是呈现了饱和的趋势，且夜间温度较高，酶活性大，细胞呼吸会消耗更多的有机物；方案二，温度26时，CO2浓度在1.4～1.6mL/L 时，光合速率持续增加，26夜间细胞呼吸相对较小，很有可能有机物积累得多，但是没有数据支持。

无论学生回答方案一还是方案二，只要理由支持其观点，答案都可以是正确的。

考查学生对数据的分析，在生活场景中的应用，以及阐释、论证自己的观点，均是高阶科学思维测评关注的重点。

例6：

近日，一则关于“中国富豪为年轻30岁，花费400万”的消息在各大网络平台上引起热议。

4位中国客人远赴乌克兰，在一家号称全球唯一可以注射胚胎干细胞治疗的诊所开启他们的续命计划，据说这个计划是花400万打几针液体胚胎干细胞，就可以年轻30岁，这种治疗方式开销巨大，一针将近60万。

注射胚胎干细胞在医学上的确能治疗多种疾病，但真如报道中所说的可以年轻续命吗？

说出你的看法和理由。

例6要求学生结合胚胎干细胞的知识对社会热点阐述自己的观点。

要想完成试题的解答，学生必须从情境中提炼出相关概念，利用批判性思维去论证自己的观点，这也属于高阶科学思维的测评范畴。

胚胎干细胞能够进行细胞分裂和细胞分化，具有全能性，但是外源胚胎干细胞注射人体后会成为抗原，被免疫排斥，即使不排斥，在血浆的内环境中也无法正常生存，更不能分裂和分化。

可见，“年轻续命”的可能性不大。

4概念和原理等不确定的问题

结构良好的试题可以明确展示试题考查的生物学概念是什么，而结构不良的试题会出现跨生物学模块的内容，甚至跨学科的内容。

根据学生对这些结构不良问题的解决程度，命题者很容易测评他们对概念的形成方式、理解方式，以及利用概念解决现实生活问题的能力，这也是高阶科学思维着重测评的内容。

例7：

日本科学家把4种转录因子基因引入小鼠的成纤维细胞，可诱导这种细胞发生转化，产生iPS细胞，由此获得2012年诺贝尔生理学或医学奖。

iPS细胞在形态、分裂能力、分化能力等方面都与胚胎干细胞相似。

于是，有人产生了用患病者体细胞制备的iPS细胞分裂分化成特定器官，来治疗某些人类疾病的设想。

在治疗中是否会出现排斥反应？

说明原因？

（由2016年教育部核心素养测评试题改编）

例7源于生物学科前沿技术，相关的生物学概念有基因工程、遗传信息的表达、蛋白质结构、特异性免疫等，涉及生物学4个模块的内容。

围绕一个情境主题，能够将这个概念组合起来，并进行阐释和论证自己的观点，本就是一种高阶科学思维能力。

例7可以根据以下思路解题：

iPS细胞是通过基因工程的方式向小鼠的成纤维细胞导入外源基因，这些外源基因在成纤维细胞中转录翻译成特定蛋白质，这些蛋白质如果出现在细胞膜上或分泌体外，即使利用自身细胞形成的iPS细胞分裂分化的组织也会受到免疫排斥，如果没有出现在细胞膜上或分泌体外，则不会出现免疫排斥。

例8：

绿色荧光蛋白编码基因（GFP）作为目的基因，和运载体结合后导入小白鼠受精卵，移植发育而成且头部发荧光的转基因小鼠中，哪些细胞含有GFP基因？

哪些细胞含有GFP蛋白？

说出你的理由？

（由2017年上海市生物等级考调研卷试题改编）

例8源于基因工程技术，相关的生物学概念有基因工程、DNA复制、细胞分裂与分化等，涉及生物学3个模块内容。

此题很容易让学生误以为测评的重点是基因工程，其实应该是细胞分裂和分化。

个体来源于受精卵的细胞分裂和分化，在细胞分裂间期，DNA进行复制，平分到两个子细胞，细胞分裂使个体所有体细胞的DNA均相同。

“头部发荧光的转基因小鼠”是细胞分裂和分化的产物，其实质是基因选择性表达，因此，GFP基因仅在头部细胞进行表达，也就是说，GFP基因仅在头部细胞进行转录翻译成GFP蛋白，所以含有GFP蛋白的是小鼠头部细胞，其他细胞均不会有GFP蛋白。

三、总结与反思

结构不良试题往往具有真实情境性，这类试题可能具有如下特点：

有多余的信息或者缺少必要的条件，概念和原理可能不明确，答案多样，试题开放，需要学生表达自己的观点等。

学生只有灵活运用过去所学的结构化知识和技能，利用批判性和创造性等高阶科学思维方式，才能解答这类试题。

因此，结构不良试题是测评学生高阶科学思维能力的重要方式。

笔者尝试对4种类型的结构不良试题进行了命题和测评，结果发现，结构不良试题注重学生思维能力和表达能力的考查，具有较大的开放性，能引起学生的答题兴趣，且区分度较高。

之后通过访谈获知，很多学生认为结构不良试题与常规的结构良好试题有较大差异，一些结构良好试题包括很多记忆背诵的内容，而且有一定的答题“套路”，通过“刷题”，可以明显提高得分。

而结构不良试题弱化了对知识记忆的考查，强化了理解能力和逻辑思维能力的考查，在测评高阶科学思维时有着重要价值。

但是，结构不良试题在命制时也不能过于模式化，有些结构不良的试题可能出现两个或两个以上的特征，这需要我们在命题时灵活处理。

而且，命题者在命制结构不良试题时，需要充分考虑评分标准，使试题指向明确，具有层次性，只有这样才能做到试题评分客观公正。