PISA 2025科学素养测评框架对我国小学科学教材编写的启示

 

来源公众号：人大基础教育期刊社　作者： 邓凡兰 等 

       2023年6月,OECD推出PISA 2025科学素养测评框架，此次测评对PISA 2015科学素养测评框架进行调整，新增“科学身份”维度，体现出了显著的前瞻性以及科学教育为现实服务的目的性。

       PISA科学素养测试彰显了国际科学教育理念发展的最新动向，为全球科学教育质量提升与课程教学改革提供了方向指引。因此，不少学者基于PISA 2025科学素养测评框架探究其对我国科学教育的启示。例如，科学教育目标要指向科学身份构建，科学教学评价要并重科学能力与道德情感，科学教学方式要注重联系交叉、应用实践和科学参与。然而，已有研究大多着眼于PISA框架下课程教学或科学教育的培养内容，而教材作为科学教育与课堂教学的载体，尚未有学者依据PISA最新的2025科学素养测评框架对我国小学科学教材的编写进行深入研究。PISA 2025科学素养测评框架主要评估15岁学生的科学素养，重点考察学生在面对实际问题时应用科学知识的能力。因此，这一评估标准对前期教育阶段，特别是小学阶段的科学素养培养提出了明确要求。小学教育阶段是学生认知和能力发展的关键时期，优化这一阶段的科学教材编写，能够为学生后续的科学学习奠定坚实基础。基于此，本研究将结合当下国际科学教育最新动态，系统分析PISA 2025科学素养测评框架，探究其关键特征，同时分析其对我国小学科学教材编写的启示，通过优化我国小学科学教材的编写，培养学生的科学思维与问题解决能力，从而推动小学科学教育的高质量发展。

一、PISA 2025科学素养测评框架的构成要素

       PISA 2025科学素养测评框架具体包含科学情境、科学知识、科学能力以及科学身份四个要素，其中，科学能力是学生科学素养的具体表征，亦是不同科学情境所要求个人表现的能力，科学知识和科学身份则对学生的科学能力产生影响（见图1）。

       （一）科学情境：科学素养测评的应用背景

       学生核心素养的培育依存于有效的学习情境，素养不是知识与技能的简单叠加，而是在特定情境下，对于知识、能力、态度的综合与超越。而情境是学生科学素养培育的途径也是其形成的现实基础。因而，学生的科学素养发展程度可以通过测试他们能否在特定情境中运用科学知识来评估。在这一前提下，OECD将科学情境作为科学素养测评的应用背景，测试在特定的情境下，学生所表现出的科学能力。PISA 2025科学素养测评框架中，对于科学情境的设定依照从个人、地方到全球的逻辑，包括学生自身、所在家庭、同伴（个人）、社区、国家（地方）以及世界各地（全球）范围，同时将所有情境都囊括在健康与疾病、自然资源、环境问题、灾害以及前沿科技等领域。例如，在自然资源领域，个人情境即个人对材料、食品、能源的消费；地方情境即与地方相关的人口数量、生活质量、食品的生产与供给、能源供应等话题；全球情境即地球的能源来源、全球人口问题、地球自然资源的使用等相关问题。

       （二）科学知识：科学素养测评的基础条件

       知识是个体技能、态度、情感以及能力的基础，只有具备相应的知识，学生才能运用这些知识来满足自身需求。核心素养背景下，知识既是学生核心素养的核心组成部分，也是培育学生核心素养的起点与基础。PISA 2025以科学知识作为科学素养测评的基础条件，影响着学生科学能力的生成，并将其划分为内容性知识、程序性知识及认识性知识三大类。其中，内容性知识是与科学内容相关等内容，包含三大科学领域（物理系统、生命系统、地球与空间系统）中的事实、定义、理论等内容，如能量的转移如何发生、食物链是如何相互作用、太阳系中的行星分布及特点等。程序性知识是在进行科学探究时能够保证获得可靠数据来源、可信结果的标准程序及实践做法的知识，即面对一个科学问题，要采取何种方式才能获得科学的答案，如调查、实验、实地勘探等。认识性知识是学生在建构科学知识的过程中不能缺少的结构和定义特征的知识，包括科学模型、科学观点中的证据、科学推理的本真以及科学的合作性和公共性特征，如科学观点中的证据如何产生，科学模型和现实的差别与相同点等。

       （三）科学能力：科学素养测评的核心要素

       PISA 2025将科学能力作为科学教育的核心成果，并将其界定为学生能够使用所学科学知识参与科学相关行动，并提出科学观点，即“交互式使用科学知识和信息的能力”。科学能力包含三个维度：一是科学地解释某种现象，即学生在面对某一科学问题或现象时，能够利用所学知识对其进行解释。例如，当学生解释“植物为什么会向光生长”时，他们不仅能说出植物会向光弯曲，还能说明这是由于光合作用需要光线，且植物中的生长素分布不均。二是构建和评估科学探究的设计，且批判性地解释科学数据和证据，即学生不仅能设计出科学实验来验证假设，还能对结果进行深入分析。例如，学生在设计一个实验来研究温度对植物生长的影响时，会通过控制变量以保证实验结果的可靠性；在实验过程中，能够严格按照实验程序和标准收集数据，且能灵活应对实验过程中的突发事件；实验结束后，能够批判性地分析这些数据，评估结果的可靠性和有效性，如果数据出现异常，还能提出合理的解释或改进实验设计的方法。三是探究、评估和利用科学的信息做出决定并执行，即学生不仅能主动寻找和分析科学数据，还能基于这些数据做出合理的决策。例如，在选择是否使用某种节能设备时，能够通过查找相关的能源效率数据、评估设备的成本和效益，最终决定是否购买使用。

       （四）科学身份：科学素养测评的情感归属

       测评框架中的科学知识与科学能力对于学生科学素养的形成至关重要，但在充满不确定性的现代社会，对于科学身份的认同也在很大程度上影响着学生成为未来社会所需科学公民的积极性。因此，PISA 2025科学素养测评框架新增“科学身份”维度作为科学素养测评的情感归属，并将其定义为：学生意识到自身与科学间存在紧密的联系，对科学感兴趣，并会积极参与科学相关事务。主要包含三个维度：一是科学资本和认知信念，即学生在拥有一定科学知识的基础上获得的对于科学的理解，意识到科学对于社会发展的重要性，且把自身与科学相联系，希望通过学习和应用科学知识，成为具备科学素质的公民，为社会进步做贡献。二是态度和倾向，即学生对科学现象和问题的好奇心，以及在生活中应用科学知识的积极性。例如，学生主动参与科学实验活动，热衷于阅读科普书籍，并在日常生活中思考和讨论科学问题。三是环境意识、关注和行动力，这一项是OECD基于环境危机这一全球性的问题所制定，指学生了解环境问题，关心全球生态系统的保护，并在现实生活中采取实际行动。例如，学生了解气候变化的影响，参与环保社团，倡导减少塑料使用，并积极参加植树活动，展示他们对环境保护的高度关注和实际行动能力。

二、PISA 2025科学素养测评框架的关键特征

       （一）突出科学情境创设的真实性

       在学习过程中，真实的情境有助于学生将科学知识与现实生活相联系，也为学生在未来生活中应用科学知识解决复杂问题奠定了基础。因为真实的情境能够通过融合社会生活、文化元素与学科逻辑，激发学生的好奇心，调动学生身体、思想、情感全方位参与学习，“让学习真实发生”。从PISA 2025科学素养测评框架中对于科学情境的设定来看，其体现了科学情境创设的真实性这一关键特征。一方面，PISA 2025科学素养测评从个人、地区/国家、全球三个维度创设真实情境以测评学生的科学能力，旨在使学生了解科学情境在不同层次上的复杂性和关联性，期望学生能够通过科学学习，在不同层次的背景下，运用科学知识解决现实世界中真实存在的、与自身密切相关的问题。另一方面，PISA 2025科学素养测评的情境涵盖健康与疾病、自然资源、环境问题、灾害以及前沿科技等全世界人民共同面临的现实问题，这些情境并非抽象的或脱离现实的，而是能够体现科学知识与学生真实生活间的紧密联系，强调了科学学习并非孤立的知识传授，而是与学生真实生活和社会实际的互动过程。

       （二）强调科学知识的跨学科整合

       在科学教育中，不同科学领域知识的整合有助于学生形成全面的科学素养，理解科学知识在不同学科中的关联性及其在解决问题时的应用。这种跨学科的知识整合为学生提供了丰富的知识储备，有助于培养学生的跨学科思维，同时也是学生做出科学决策的基石。PISA 2025科学素养测评框架以跨学科的视角体现了科学知识在多种学科领域的应用，强调了科学知识的跨学科整合性。在内容性知识中，框架以物理系统、生命系统及地球与空间系统三个科学领域统整物理、化学、生物和地球与空间科学等学科，描述术语以“system”（系统）代替“science”（科学），传达的理念是科学知识间的相互依存及其在跨学科背景下的广泛应用。程序性知识强调科学探究的标准程序和实践做法，而无论是物理、化学、生物学科的实验探究，还是地球科学的实地勘探，都需要使用类似的科学方法来获得可靠的结果，这种方法论上的一致性进一步促进了跨学科的知识整合。认识性知识为实验程序和科学实践提供理论基础，包括对科学模型、科学推理、证据的理解以及科学的合作性和公共性特征。

       （三）凸显问题解决能力的重要性

       问题解决能力是指个体在面对复杂的现实问题时，能够批判性地思考、分析问题并做出明智的决策，从而有效地应对各种挑战。在当今教育评价体系中，问题解决能力成为重要的评价指标之一，通过测评学生这一能力的表现程度，能够了解学生核心素养的发展程度。科学教育的最终目的并非促使学生具备“解题能力”，而是致力于培养学生的“解决实际问题的能力”，PISA 2025对于科学能力标准的设计也凸显出问题解决能力在科学教育中的重要性。“科学地解释现象”表明学生不仅要理解科学知识，还要能够将其应用于具体问题的解释中，体现了科学学习中基础问题解决能力的重要性。“构建和评估科学探究的设计，且批判性地解释科学数据和证据”要求学生需要不断调整和优化实验以获得可靠结果，强调了科学探究中复杂问题解决能力的重要性。“探究、评估和利用科学的信息做出决定并执行”要求学生在真实生活中运用科学知识解决实际问题，强调了科学决策中现实问题解决能力的重要性。

       （四）重视发挥科学身份的能动性

       OECD教育与技术司司长安德烈亚斯·施莱歇尔（Andreas Schleicher）表示，PISA 2025测评尤其关注学生是否具有“像科学家一样思考”的能力。因此，在继承与发展以往科学态度的基础上，PISA 2025将科学身份这一维度纳入科学素养测评框架，从科学态度到科学身份，打破了学生与科学之间的主客体对立关系，不仅关注到了学生对科学的志趣，还重视发挥科学身份的能动性。这种能动性对于培养学生成为未来社会所需的科学公民至关重要，因为它推动学生在科学学习时超越知识的简单积累，积极参与科学事务，为社会和环境做出贡献。在PISA 2025科学素养测评框架中，科学资本和认知信念强调了学生不仅需要掌握科学知识，还要认识到科学对社会发展的重要性，并将自己视为科学社区的一部分，这种内在的认同感和使命感驱使他们主动参与科学活动，展示了科学身份的能动性。科学态度和倾向不仅促使学生深入学习科学知识，还激励他们在日常生活中探讨和应用科学知识，体现了在学生主动寻求知识和参与日常科学事务的过程中对于科学身份能动性的发挥。环境意识、关注和行动力强调了科学身份不仅存在于认知和态度的层面，还包括实际行动的能力和意愿，更加需要学生发挥科学身份的能动性。

三、对我国小学科学教材编写的启示

       （一）立足真实生活创设教材内容情境

       1.情境创设须考量群体差异

       教材情境的创设必须考量群体的差异，这不仅能够贴合更多学生的真实生活经验，更是教育公平的体现。当前，我国小学科学教材在知识呈现时普遍设置了相应的情境，但仍存在明显的城市化倾向。例如，在人教版/鄂教版四年级上册第五单元“乐器是怎样发声的”内容中，情境创设为“在音乐会上，各种乐器如何发声”，然而这一情境并未考虑到乡村或偏远山区的学生可能缺乏相关的生活经验。因此，教材编写者应更加关注教材情境创设的多样性和包容性，充分考虑不同学生的实际生活背景。举例来说，可将情境设计为“在日常庆典或传统节日上，使用的乐器如何发声”，从而更加贴近不同学生群体的实际生活，增强学习的亲切感和理解度。同时，这种设计也有助于体现教材的公平性和地域适应性，促进不同地区学生的平等学习机会。

       2.设计生活化的探究活动

       我国小学科学教材中的探究活动设计较为丰富，但往往缺乏与学生日常生活的紧密联系。许多活动侧重于实验操作和科学原理的展示，却忽视了情境化和实际问题的融入，导致学生难以感受到科学知识在日常生活中的实际应用。例如，在人教版/鄂教版三年级上册第二单元的探究活动“如何分离食盐中的铁屑和沙子”中，虽然设计了实验，但从生活化的角度来看，学生较少会遇到需要分离食盐中的铁屑和沙子的情况，这使得活动显得脱离实际，缺乏真实的应用背景。为此，优化这一设计时，可以设置一个更加贴近生活的情境问题，帮助学生理解为何要进行分离。例如，可以构建一个情境：假设某地的水源受到污染，水中含有沙子和盐分，学生需要设计一个简单的实验来分离这些杂质，净化水源。通过将实验设计与实际生活问题相结合，既能激发学生的兴趣，又能帮助他们理解科学知识的实际价值。

       3.创设中国化的教材情境

       教材编写是继承和弘扬中华传统文化精髓的重要途径，是渗透和传承中华传统文化的关键。通过创设中国化的情境，能够帮助学生更好地理解并认同自己的文化，进而增强对中华传统文化的自信。然而，当前我国小学科学教材中关于中国化情境的创设仍有进一步提升的空间。例如，在教科版三年级上册《天气》单元中，涉及了天气、气温、降水量、风、云、天气预报等内容，其中，二十四节气作为中华传统文化元素被引入，但其融入的深度和广度尚显不足。二十四节气主要作为时间标记出现，与科学内容的结合较为浅显，未能充分体现其在天气变化、农事活动和自然规律理解中的作用。为此，教材编写时可以进一步呈现二十四节气如何帮助我国农业工作者观察和预测天气变化，以及它们与农耕活动的密切关系。同时，可结合我国传统谚语或成语，如“雷打草木动”或“风起云涌”，解释人们如何通过观察天象、动植物变化来预测天气变化。这类中国化的情境，基于学生的文化背景和生活经验，能够更好地激发他们的学习兴趣和探索精神。

       （二）构建跨学科的科学教材知识体系

       1.围绕跨学科概念组织教材内容

       小学科学教育为义务教育阶段学生的科学学习奠定了坚实的基础，因而小学科学教材编写也应围绕跨学科概念，合理组织教材内容。然而，目前我国部分版本教材在这一方面还存在不足。例如，湘科版三年级上册第三单元《土壤》，主要内容围绕本地土壤、土壤种类和土壤保护三大部分，同时穿插了采集、观察和分离土壤等活动。该单元内容较为单一，偏重于单学科知识，未能有效整合地理、生物等其他学科内容。因此，可以对其进行跨学科的整合与优化。例如，“认识土壤”部分可以与地理学科结合，帮助学生了解土壤的基本组成及其区域特征；“土壤与植物”部分可结合生物学知识，分析土壤对植物生长的支持作用；“土壤与环境”部分可以结合生态环境保护知识，帮助学生认识土壤在生态环境中的重要性；“土壤与可持续发展”部分则可结合综合实践课程与道德与法治，强化学生的环保意识和社会责任感。

       2.注重跨学科内容编制的进阶性

       在小学科学教材的编写中，必须注重跨学科内容的进阶性，以帮助学生逐步理解不同学科间的联系，形成整体性认知，促进系统思维的发展。然而，当前我国小学科学教材中跨学科进阶性仍有待增强。例如，教科版教材中关于“植物”知识的安排如下：一年级上册涉及观察、种植植物并记录，观察茎叶，了解生活中的植物及其用途；四年级下册涉及收集并观察种子，种植凤仙花并记录其生长变化，学习茎和叶的作用，了解种子的传播及凤仙花的一生；六年级下册涉及观察校园中的植物，比较植物亲代与后代的关系，学习孟德尔的豌豆实验。这种安排未能充分体现地理、生物与生活实践的有机结合，且各阶段的内容显得较为独立；同时种植与观察种子的内容重复出现，却未能进一步扩展到植物与生态、农业、环境保护的关系上。此外，六年级引入孟德尔实验的内容时，与以往知识间存在较大的知识跳跃，未能有效引导学生从基础知识逐步过渡到系统化的科学思维。因此，可以通过以下优化进行调整：从植物的基础知识（观察与用途）开始，到植物生长与环境的关系，再到遗传与生态系统的知识，通过逐步深入和加强跨学科联系，帮助学生加深对植物的理解，同时培养他们的科学素养与实践能力。

       （三）教材编写指向问题解决能力培养

       1.知识学习呈现明确的问题导向

       在教材编写中，应呈现明确的问题导向，围绕具体的科学现象或社会实际，引导学生发现问题、思考问题并提出假设。例如，冀教版六年级上册《宝贵的能源》一节的导入问题是：“我们的生产和生活离不开能量，这些能量从哪里来？”这一问题具有一定的导向性，能够引导学生初步关注能源的来源。然而，问题设置较为宽泛，没有具体聚焦常用能源的类型与特点，导向性不够明确，可能导致学生思考不够深入，缺乏解决问题的驱动力。因此，可以优化为：“我们每天使用的电、煤气和汽油分别来自哪些能源，它们有什么不同？”或“为什么煤和太阳能都能提供能量，但使用方式却完全不同？”通过明确的问题导向，引导学生带着问题进行科学学习，激发学生对科学现象的好奇心与主动探究的兴趣。

       2.设计指向问题解决的实践活动

       教材应设计与问题解决相关的实践活动，鼓励学生动手操作。例如，粤教版六年级下册《生物与环境》单元中的专题探究“生态瓶的秘密”，要求学生制作池塘生态瓶并进行观察，引导学生分析如何优化生态瓶中生物的生存条件。然而，活动缺乏具体情境的设计和明确的解决策略指导，可能导致学生难以形成系统性的问题解决思维。对此，可以进行以下优化：①将活动聚焦于更明确的情境，例如：“如果水草枯萎或鱼死亡，应该如何调整生态瓶中的动植物配置？”或“如何控制生态瓶中水质变化，防止藻类过度生长？”②提供问题解决策略指导：教材可以列出优化生态系统的策略，如控制投喂量、调节光照和水质等，帮助学生有针对性地解决问题。③设置分阶段任务，阶段1：搭建生态瓶，记录初始状态；阶段2：观察现象，提升问题（如某种生物状态变差），分析原因；阶段3：提出调整方案并验证效果。④引入真实案例：结合实际生态系统的案例（如城市绿地水生态平衡问题），帮助学生理解生态瓶原理在现实问题中的应用。通过这样的实践活动，帮助学生在面对真实问题时，能够通过实验和动手操作进行尝试和调整，从而解决实际问题。

       （四）教材内容推动学生建构科学身份

       1.体现科学学科的社会责任

       教材应引导学生关注社会问题，将科学知识与社会问题相结合，培养学生的社会责任感和科学使命感。通过实际案例和讨论，帮助学生理解科学对社会的影响及其应承担的责任，从而让学生意识到，科学不仅仅是知识的积累，更是改善人类生活的重要手段。例如，青岛版六年级上册《病毒》单元的内容包括了解由病毒引起的疾病及其预防、病毒的类型、制作有关病毒的剪贴报以及了解人类与病毒的抗争史。这一部分内容初步体现了科学学科的社会责任，帮助学生了解病毒对人类健康的影响。然而，教材中的内容偏重于知识性介绍，未深入探讨科学在抗击病毒、保障公共健康中的责任和作用，也缺乏引导学生关注针对现实社会问题的具体讨论和实践活动。为此，可以进行以下优化：增加现实案例，如疫情的防控与科学研究，讨论科学技术在疫苗研发、检测技术和防疫措施中的作用，让学生理解科学对社会的积极影响。同时，可以强调个人在科学知识指导下应承担的责任，如戴口罩、勤洗手等，从小培养学生的科学素养与社会责任感。

       2.融入科学家的故事与成就

       在教材中融入科学家的成长经历和成就，特别是那些具有挑战和突破的故事，可以帮助学生了解科学家是如何通过努力和创新取得成功，从而激发学生对科学家形象的认同，构建他们的科学身份。例如，苏教版一年级下册第二单元《水》中，教材内容是人们借助流水的力量做许多事，其中包括引水灌溉农田、水力发电。教材编制展示了人类利用流水力量的成就，但仅停留在现象描述，未融入科学家或历史人物的贡献，缺乏对科学探索过程的呈现和社会责任感的引导，难以激发学生的学习兴趣和科学使命感。因此，在此部分可以介绍我国古代李冰父子建造都江堰的故事，重点说明他们如何通过观察水流、设计鱼嘴分水和飞沙堰排沙解决水患问题，同时为农田灌溉提供了稳定的水源，从而展示古代科学智慧和造福社会的精神，帮助学生理解科学为民生服务的意义。也可引入国外阿基米德发明螺旋提水机的背景，说明其原理和在农田灌溉中的应用，强调如何利用科学原理解决实际问题。通过这些故事，激励学生模仿科学家的思维与行为，激发他们投身科学探索的意愿。

       3.将科学前沿成果编入教材

       科学前沿成果通常涉及解决人类社会面临的重大问题，如气候变化、能源危机、医疗健康等。将这些成果融入教材，能够帮助学生了解当前科学发展的趋势和热点问题，激发他们对科学无限可能性的理解，并培养他们的创新能力和社会责任感，从而帮助学生构建积极的科学身份。例如，教科版五年级下册第二单元《船》，涵盖了船的基本知识，从认识船到设计船，但教材未融入最新的科学前沿成果。这使得学生在学习过程中，未能接触到船舶设计和航运技术领域的最新进展，从而缺乏对科学创新和科技前沿的认识，限制科学视野的拓展。为此，可以进行以下优化：引入2023年标志着我国绿色航运技术方面重要进展的首艘500km氢动力船“三峡氢舟1”号的相关内容，让学生了解我国在绿色航运领域的最新进展，展示现代科学技术如何在实际生活中应对环境保护和效率提升的重大挑战，从而激发学生的科学兴趣与创新思维，推动其建构科学身份。

       小学科学教材编写是体现国家对科学教育基本要求的重要载体，随着科技的飞速发展和社会对科学素养要求的提升，小学科学教材编写的任务将更加艰巨但也更加充满潜力。因此，必须坚定不移地把“立德树人”根本任务落到实处，既要传播知识、思想与真理，也要注重塑造学生的灵魂、生命与人格。随着PISA 2025科学素养测评框架的出台和全球教育格局的不断变化，我国小学科学教材编写的挑战与机遇并存。未来，我国小学科学教材的编写亟需紧跟时代步伐，持续优化教材内容和编写理念，提升教材的科学性、时代性和实用性，为培养具有国际视野、创新能力和社会担当的下一代提供坚实支撑。

来源网址：PISA 2025科学素养测评框架对我国小学科学教材编写的启示