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1、化学学科能力及其表现研究 摘要：本研究构建了化学学科能力的内涵构成及其活动表现与的系统模型；确立了“学习理解、应用实践、迁移创新”导向的化学学科能力要素及其表现指标，基于Rasch模型开发学科能力表现测评工具，获得高中生化学学科能力表现的大样本数据，诊断学生“学习理解、应用实践、迁移创新”导向的化学学科能力表现水平现状，明确在当前课程教学条件下学生化学学科能力发展存在的突出问题，提出促进学生学科能力发展的化学教学改革建议。 关键词：化学学科能力；核心素养；能力表现；认识发展性教学； 作者简介：王磊(1963)，女，北京人，北京师范大学化学学院/未来教育高精尖创新中心教授，主要从事科学教育和化学
2、教育研究。 教育部关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见中指出，“教育部将组织研究提出学生发展核心素养体系，明确学生应具备的必备品格和关键能力”，“根据核心素养体系，明确学生完成不同学段、不同年级、不同学科学习内容后应该达到的程度要求”。可见，建立学科内容与核心素养的关联，基于学科特定的认知或特定的活动将能力发展目标具体化，是深入推进基础教育课程改革必须面对和解决的问题。 为了明确化学学习对学生能力和素养发展的贡献，描述学生化学学科能力素养的发展路径，了解学生化学学科能力素养的发展现状，并在此基础上开展基于学科能力素养的评价和指向学科能力提升的教学改进研究与实践，课题组1开展了“中学生
3、化学学科能力表现研究”。几年来，课题组围绕内涵实质、知识经验基础、活动表现等化学学科能力的基本问题进行理论研究，研制了化学学科能力表现指标体系，开发了测评工具，选取部分省市中学生样本进行了测试研究，并在实验学校开展了促进化学学科能力发展的教学改进研究与实践。本文概要介绍其中的部分成果。 一、化学学科能力构成及其表现的理论研究 (一)已有研究概述 国外有关科学领域学科能力及其表现的研究主要反映在科学教育研究期刊、科学教育课程文件和科学学业成就国际测试评价中，内容涉及科学思考、科学素养、科学学业成就的内涵、表现和进阶。科学教育研究期刊的代表性论文涉及以下科学能力：批判思考能力1、问题解决能力2、科
4、学推理能力3、表征能力4、科学探究能力5、论证能力6、得出结论的能力7、控制变量的能力8等。 美国国家科学教育标准对学生在科学教育领域的能力要求包括理解科学知识，用科学推理做出决策、进行解释，以科学合理方式行动，具备科学信息和基于科学信息推理以架构、计划和实施探究等。9NRC提出科学能力主要包括知道、使用和解读对自然界的科学解释，产生和评价科学证据与解释，理解科学知识的本质和发展，高效地参与科学实践和科学论辩四个方面。10科学共同课程框架(草案)中指明了所有学生在高中毕业时应该学完的知识和实践。包括维度一，强调具体学科观念，将学科观念分成了物理科学、生命科学、地球和空间科学以及工程和技术科学四
5、个领域。维度二，贯穿科学学科并带有应用性的交叉概念。维度三，描述科学和工程学实践。该标准将科学探究扩展到科学实践，科学实践用于发展科学理论，形成新的研究领域，以及问题解决和探究策略。既包括探究过程中的认知性的实践活动，也包括物理性的实践活动等。具体的科学实践能力包括：提出问题、构建模型、变换可检验的假设、收集、分析和处理数据、形成和评判争论、交流和理解科学和技术文本、应用科学知识等。11 国际重要学生学业成就测试对学科能力及表现的要求：(1)TIMSS(xx)的科学测试框架由认知水平和内容领域两个主要方面构成。内容领域包括：生命科学、化学、物理和地球科学。认知水平包括：知识知道、应用和推理。(
6、2)PISA(xx)的科学测试强调在现实生活中创造性运用基本知识的能力，围绕科学素养的四个方面：科学知识、科学态度、科学能力和情境脉络。其中科学知识通常指用作理解主要事实、概念及解读理论的基本科学知识。包括自然界的知识及科技工艺的知识(即内容知识)；所有科学探究形式里的程序和使用策略的陈述性知识(即程序性知识)；以及如何在科学学科中进行辩证和确认的陈述性知识(即认识观知识)。其测评内容包含物理学系统(包含物理、化学两门学科)、生物学系统以及地球与太空科学系统。科学能力特指科学地解释现象、评价和设计科学探究、科学地阐述资料和证据。科学态度包括对科学的兴趣、对科学探究的评价以及对环境的觉知。(3)
7、NAEP(xx)评价框架由4个部分组成：学科领域(地球、物质和生命科学)，知与行能力(概念理解、科学研究、实际推理)，科学本质(科学和技术发展史、体现科学和技术特征的思维习惯、探究方法和问题解决)，统一的概念(模型、系统、变化方式)。NAEP(xx)评价框架中的物质科学领域含有“物质”“能量”和“运动”三大主题。科学能力维度包括“识别科学原理”“运用科学原理”“运用科学探究”“运用技术设计”，此框架描绘了期待学生在这四类科学能力上的表现。还提出了4种认知(知识)类型：陈述性知识、程序性知识、图式知识和策略性知识。 国内学者关于化学学科能力及其表现的研究，主要是基于冯忠良先生的类化经验论的能力观
8、12界定化学学科能力的内涵。例如，王磊认为化学科学能力是对化学科学活动起到直接的稳定的调节作用的个体心理特性。13王祖浩、杨玉琴认为化学学科能力是学生在学校化学学科的认知活动或化学问题解决活动中形成和发展起来的，并且在这类活动中所表现出来的比较稳固的心理特征，同时它本身就是成功地完成这类活动所必须的条件。14关于化学学科能力的构成主要包括接受、吸收、整合化学信息的能力，分析和解决化学问题的能力，化学实验与探究能力1516；化学观察能力、化学实验能力、化学抽象思维能力、化学微观想象能力、化学自学能力、化学应用和创造能力17等。 综观已有的关于科学能力和化学学科能力的研究成果，国际上比较侧重对于一
9、般科学能力的测评研究，缺少对化学学科能力构成和表现的研究；国内关于化学学科能力的研究比较多理论探讨，缺少实际测评研究；比较偏重某种能力的研究，缺少能力表现、内涵实质和知识经验的整合研究。 (二)基于学习理解、应用实践、迁移创新的化学学科能力及其要素 学科能力是指学生顺利进行相应学科的认识活动和问题解决活动所必需的、稳定的心理调节机制。学科能力表现是学生完成相应学科认识活动和问题解决活动的表现，实质为核心学科知识和经验在各类能力活动中的表现。 化学学科的认识活动和问题解决活动可以概括为：(1)知识和经验的输入学习理解活动，学习理解活动的关键心理操作要素有：观察、记忆、提取信息；概括、关联、整合；
10、说明、论证、推导等。(2)知识和经验的输出应用实践活动，其中的关键心理操作要素有：分析、解释；推论、预测；设计、证明等。(3)知识和经验的高级输出创新迁移活动，包括复杂推理(综合问题解决)；系统探究(问题假设、系统设计实施、建立模型)；创造性思维(批判性思考、评价、反思；想象、创意、发现远联系等)。 由此，提出化学学科的学习理解能力、应用实践能力和迁移创新能力的概念及其要素，如下： 化学的学习理解能力是指学生顺利进行知识和经验的输入和加工活动的能力。具体能力要素包括：辨识和记忆、概括和关联、说明和论证等学习理解活动。 化学的应用实践能力是指学生能够进行知识经验的简单输出活动，完成特定学科活动、
11、以及应用学科核心知识经验分析和解决实际问题的能力。具体包括：分析和解释、预测与推论、选择并设计问题解决方案等应用实践活动等能力要素。 化学的迁移创新能力是指学生能否利用学科核心知识、活动经验等，解决陌生和高度不确定性问题以及发现新知识和新方法的能力。具体包括复杂推理、系统探究、创新思维(发散思维、想象、创意设计、批判思考、远联系发现)等能力要素。 (三)基于类化经验和认识方式的化学学科能力内涵实质 依据能力类化经验说，化学学科能力是指个体能够顺利地完成特定的化学学科认识活动和问题解决任务的稳定的心理调节机制，具体包括定向调节机制和执行调节机制，其中陈述性知识是定向调节机制的基础，程序性知识和策
12、略性知识是执行调节机制的基础。所以，化学学科能力的内涵基础是结构化和类化的的核心知识以及核心活动经验。 本研究认为，知识成为学科能力还依赖于知识能否转化为学生自觉主动的认识方式。认识方式是个体对客观事物能动反映的方式，是学生在思考和处理问题时，所表现出来的倾向于使用某种思维模式或是从一定角度来认识或解决问题的信息处理对策或模式。认识方式包含认识角度、认识路径和认识方式类别等基本构成要素。化学学科有其特定的认识和研究领域，有其特有的认识活动和问题解决任务，需要独特的认识事物以及分析和解决问题的角度、思路和方法，即比较特定的认识方式和推理模式。具有不同认识方式的学生在分析和解决某一化学问题时，会具
13、有不同的能力表现。化学学科认识方式是化学学科能力的内涵实质，是知识转化为或表现为化学学科能力的核心机制。 特定领域的认识角度和认识思路与学科知识密切相关并相互匹配，学科的核心知识具有重要的认识方式功能，提供核心的认识角度，形成重要的认识思路和推理路径。此乃学科能力类化经验论的要义之所在。 (四)化学学科能力内涵构成及其活动表现的系统模型 本研究从学习理解、应用实践和迁移创新三个层面建立化学学科能力活动表现框架，从核心学科知识、核心学科活动经验和化学认识方式三个维度揭示化学学科能力的内涵构成，从而构建起化学学科能力内涵构成及其活动表现的系统模型。 在上述模型中，学科核心知识和活动经验是学科能力发
14、展的基础，学科认识方式是学科能力发展的内涵实质，学科能力活动类型是学科能力发展水平的外在表现。 其中，化学核心学科知识主题包括化学无机物、有机化合物、化学反应、化学与生活等。化学核心活动经验包括物质性质探究、反应规律探究、组成和结构探究、物质及能量的转化设计、物质分离、物质检验等。 化学学科认识方式包括认识角度、认识方式类别三个基本要素。每个认识域或认识对象都有其独特的认识角度，如，物质、反应和能量是化学学科的核心认识角度，而类别、化合价、周期表中的位置和价键结构等又是中学阶段有关物质的核心认识角度，方向、限度、速率和条件是有关化学反应的核心认识角度。能量类型、体系能量改变和能量转化途径是关于
15、能量的核心认识角度。核心认识角度会有二级或三级具体认识角度，认识角度之间的关系形成认识思路，核心认识角度与认识思路稳定后会形成相应的认识方式类型。 化学学科能力活动表现包括学习理解(辨识记忆、概括关联、说明论证)、应用实践(分析解释、推论预测、简单设计)、迁移创新(复杂推理、系统探究、创新思维)3大类、9小类(33学科能力要素)。 随着年级的不同，化学核心知识和活动经验的丰富，学生的化学认识方式不断发展，其化学学科能力总体上应该呈现发展趋势，其中年级课程和教学是学生化学学科能力的重要发展变量。基于化学学科能力构成及其表现的系统模型，从学习理解能力、应用实践能力、迁移创新能力三个方面对中学生化学学科能力表现界定如下。 学习理解能力表现：通过无机物、有机化合物、化学反应、化学与生活等化学核心知识内容的学习，能记住典型物质的重要性质、核心反应规律、重要理论和典型原型，能辨识生活中的常见物质，能够辨识化学核心活动原型及程序经验；能基于数据、现象等实验事实概括物质性质和化学反应规律，能概括针对材料、健康和环境的认识框架；能建立物质变化与能量变化、物质性质、性质与转化、核心概念等的关联，能建立原型活动的目的和程序的关联；能运用相关理论模型和实验事实对物质性质、化学
