Założenia teoretyczne części matematycznej badania TIMSS 2019

W badaniu TIMSS 2019 umiejętności matematyczne uczniów były badane testem umiejętności matematycznych. Ma on dostarczyć odpowiedzi na dwa podstawowe pytania: jaki jest rozkład osiągnięć matematycznych uczniów w badanej populacji na tle innych krajów uczestniczących w badaniu oraz jak zmienia się poziom tych osiągnięć na przestrzeni lat.

W myśl założeń teoretycznych pomiaru kompetencji matematycznych uczniów (zob. Mullis i Martin, 2017) wykorzystane w pomiarze zadania można scharakteryzować pod względem treści przedmiotowych (content domains) oraz pod względem posiadanych umiejętności poznawczych, określających procesy myślowe i wykorzystanie zasobów wiedzy (cognitive domains).

Treści przedmiotowe mierzą trzy osobne skale:

1. Liczby:
   
   1. liczby całkowite (odczytywanie i  zapisywanie liczb naturalnych; dodawanie, odejmowanie, mnożenie i dzielenie liczb naturalnych, także w kontekstach praktycznych; wykorzystywanie własności liczb naturalnych podczas rozwiązywania problemów)
   2. proste równania, zależności między liczbami (odnajdywanie brakującej liczby w równaniu typu: 17 + z = 29; odnajdywanie regularności w ciągu liczb; opisywanie liczbami i działaniami sytuacji przedstawionych w zadaniu)
   3. ułamki zwykłe i  dziesiętne (odczytywanie, zapisywanie, porównywanie ułamków; proste działania na ułamkach, obliczenia pieniężne) 
2. Pomiary i geometria:
   
   1. mierzenie (mierzenie i  szacowanie długości; posługiwanie się jednostkami długości, masy, objętości i czasu)
   2. geometria (rozróżnianie prostych prostopadłych i  równoległych, rozróżnianie i  nazywanie figur płaskich i brył; rozróżnianie i nazywanie kątów o różnych rozwartościach; symetria liniowa i obrotowa; właściwości figur płaskich i brył)
3. Elementy statystyki:
   
   1. odczytywanie, interpretowanie i zapisywanie danych w tabelach i na wykresach
   2. używanie danych do rozwiązywania problemów.

Uczniowie, podczas rozwiązywania zadań z testu matematycznego, oprócz znajomości treści badanych obszarów matematycznych, musieli wykazać się umiejętnościami poznawczymi. Mierzą je trzy osobne skale obejmujące poszczególne obszary: wiedza, stosowanie – wykorzystanie wiedzy w typowych zastosowaniach oraz rozumowanie – wykorzystanie wiedzy w sytuacjach nietypowych/problemowych.

Aspekty pomiaru kompetencji matematycznych mierzone w badaniu TIMSS 2019

Źródło: Opracowanie własne na podstawie Mullis i Martin (2017)

Opis umiejętności poznawczych badanych w części matematycznej TIMSS 2019

Źródło: Opracowanie własne na podstawie Mullis i Martin (2017)

Założenia teoretyczne części przyrodniczej badania TIMSS 2019

W badaniu TIMSS 2019, oprócz matematyki, mierzono poziom wiadomości i umiejętności przyrodniczych uczniów oraz analizowano, jak zmieniają się te umiejętności na przestrzeni lat. Sprawdzano, jaką wiedzą, zdobytą zarówno w szkole, jak i poza nią, dysponują uczniowie. Szczególną uwagę zwrócono na sprawdzanie u uczniów znajomości podstaw metody naukowej, a także na to, czy uczniowie potrafią wykorzystywać stosowane w niej działania (np. prowadzenie ukierunkowanych obserwacji i wyciąganie wniosków na ich podstawie) szerzej – np. w rozwiązywaniu niektórych problemów życia codziennego. Warto zwrócić uwagę, że dobór treści i umiejętności mierzonych w badaniu nie jest dokonywany na podstawie analiz programów nauczania poszczególnych krajów, a został wypracowany przez grupę międzynarodowych ekspertów. Założenia programowe badania TIMSS opisujące i grupujące cele nauczania przyrody podlegały zmianom wynikającym z rozwoju psychologii i dydaktyki (zob. Kind, 2013). Struktura i aspekty pomiaru kompetencji przyrodniczych w badaniu TIMSS 2019 opierają się na uaktualnionej taksonomii Blooma i zakładają, że zadania można scharakteryzować pod względem treści przedmiotowej (content domains) oraz pod względem posiadanych przez ucznia umiejętności poznawczych (cognitive domains), określających procesy myślowe i wykorzystanie zasobów wiadomości.

Aspekty pomiaru umiejętności przyrodniczych mierzone w badaniu TIMSS 2019

Źródło: Opracowanie własne na podstawie Mullis i Martin (2017)

Szybki rozwój technologii i duży wpływ osiągnięć w naukach przyrodniczych na codzienne życie powoduje, że zdobywanie wiedzy przyrodniczej jest ważnym celem edukacji. Wiedza ta jest niezbędna do rozumienia docierających do ludzi informacji i podejmowania świadomych decyzji. Poniżej przedstawiono zakres treści przyrodniczych uwzględnionych w założeniach badania

Treści przedmiotowe

Wiedza o życiu (biologia)

A. Charakterystyka oraz procesy życiowe organizmów:

a. różnice między obiektami żyjącymi i nieżyjącymi oraz czynniki niezbędne do życia

– rozpoznaje i opisuje różnice między obiektami przyrody ożywionej i nieożywionej,

– wskazuje czynniki niezbędne do życia.

b. cechy morfologiczne i wzorce zachowań głównych grup organizmów 

– porównuje i określa różnice w cechach morfologicznych i wzorcach zachowań między grupami organizmów (np. owadów, ryb, gadów, ptaków, ssaków i roślin okrytonasiennych),

– rozpoznaje i podaje przykłady organizmów z głównych grup organizmów (np. owadów, ryb, gadów, ptaków, ssaków i roślin okrytonasiennych),

– rozróżnia grupy organizmów należące do kręgowców od grup organizmów należących do bezkręgowców.

c. funkcje podstawowych struktur organizmów

– odnosi elementy budowy zwierząt do pełnionych przez nie funkcji (np.: zęby rozdrabniają pokarm, kości podtrzymują ciało, serce pompuje krew, żołądek trawi pokarm, mięśnie poruszają ciałem),

– odnosi elementy budowy roślin do pełnionych przez nie funkcji (np.: korzenie pobierają wodę i składniki odżywcze oraz mocują roślinę, liście produkują pożywienie, łodyga transportuje wodę i pożywienie, płatki wabią zapylaczy, kwiaty produkują nasiona, z nasion wyrastają nowe rośliny).

B. Cykle życiowe, rozmnażanie i dziedziczenie pospolitych/typowych organizmów

a. etapy i różnice w cyklach życiowych

– rozpoznaje etapy cykli życiowych roślin (kiełkowanie, wzrost, rozwój, rozmnażanie, rozsiewanie),

– rozpoznaje, porównuje i określa różnice w etapach cykli życiowych znanych roślin i zwierząt (np. drzew, fasoli, ludzi, żab, motyli). 

b. dziedziczenie oraz strategie rozmnażania

– identyfikuje rozmnażanie jako proces, w którym rośliny i zwierzęta tego samego gatunku tworzą potomstwo o cechach, które są bardzo podobne do cech rodziców,

– rozróżnia cechy roślin i zwierząt, które są dziedziczone od rodziców (np. liczba i kolor płatków w kwiecie, kolor oczu, kolor włosów) od tych, które nie są dziedziczone (np. połamane gałęzie w drzewie, długość ludzkich włosów),

– rozpoznaje i opisuje różne strategie zwiększające liczbę osobników, które przeżyją (np.: rośliny produkują wiele nasion, ssaki opiekują się młodym

C. Organizmy i środowisko przyrodnicze oraz relacje między nimi

a. cechy morfologiczne lub zachowania warunkujące przeżycie organizmów w ich środowisku życia

– przypisuje cechy fizyczne roślin i zwierząt do środowiska, w którym żyją, i opisuje sposób, w który ułatwiają one im przeżycie (np.: gruba łodyga, pokrycie woskiem i długie korzenie są przystosowaniem do środowiska o małej dostępności wody, kolory zwierząt kamuflują przed drapieżnikami),

– przypisuje zachowania roślin i zwierząt do środowiska w którym żyją i opisuje sposób, w który ułatwiają one im przeżycie (np.: migracje i hibernacja są przystosowaniem do ograniczonej dostępności pożywienia).

b. reakcje organizmów na zmiany środowiskowe

– rozpoznaje i opisuje reakcje roślin na zmiany warunków środowiska (np.: ilości światła słonecznego, dostępności wody),

– rozpoznaje i opisuje reakcje zwierząt na zmiany warunków środowiska (np.: światło, temperatura, zagrożenia); rozpoznaje i opisuje reakcje ludzkiego ciała na wysokie i niskie temperatury, ćwiczenia fizyczne i zagrożenie.

c. wpływ człowieka na środowisko

– rozpoznaje, że zachowania człowieka mogą mieć negatywny i pozytywny wpływ na środowisko (negatywne skutki zanieczyszczeń wody i powietrza, pozytywne skutki ograniczania zanieczyszczeń wody i powietrza);

– podaje ogólne opisy i przykłady skutków zanieczyszczeń dla ludzi, roślin i zwierząt oraz środowisk w których żyją. 

D. Ekosystemy

a. typowe ekosystemy

– przypisuje powszechne rośliny i zwierzęta (np.: wiecznie zielone drzewa, żaby, lwy) do ich środowisk życia (lasy, stawy, obszary trawiaste).

b. zależności w prostych łańcuchach pokarmowych

– rozpoznaje, że wszystkie rośliny i zwierzęta potrzebują pożywienia do produkcji energii oraz substancji odżywczych do wzrostu i odbudowy; wyjaśnia, że rośliny do produkcji pożywienia wymagają światła, podczas gdy zwierzęta, by zdobyć pożywienie, zjadają rośliny lub inne zwierzęta, 

– uzupełnia schematy prostych łańcuchów pokarmowych, używając powszechnych roślin i zwierząt ze znanych ekosystemów, takich jak las i pustynia,

– opisuje znaczenie organizmów w  każdym z  ogniw łańcucha pokarmowego (np.: rośliny produkują pożywienie, niektóre zwierzęta jedzą rośliny, podczas gdy inne zwierzęta jedzą zwierzęta, które jedzą rośliny),

– rozpoznaje i opisuje powszechne drapieżniki i ich ofiary. 

c. konkurencja w ekosystemach

– rozpoznaje i wyjaśnia współzawodnictwo o pożywienie i przestrzeń do życia między niektórymi organizmami w ekosystemie. 

E. Zdrowie człowieka

a. objawy chorób zakaźnych oraz przenoszenie i zapobieganie tym chorobom

– wiąże rozprzestrzenienie powszechnych chorób zakaźnych z kontaktami z ludźmi (np. dotyk, ziewanie, kasłanie),

– identyfikuje lub opisuje niektóre z  metod zapobiegania rozprzestrzeniania chorób (np. szczepienia, mycie rąk, unikanie osób chorych);

– rozpoznaje powszechne objawy chorobowe (np.: wysoka temperatura ciała, kasłanie, ból brzucha).

b. metody utrzymania dobrego stanu zdrowia

– opisuje codzienne zachowania wspierające dobry stan zdrowia (np.: zbilansowana dieta, regularne ćwiczenia fizyczne, mycie zębów, wysypianie się, stosowanie filtrów przeciwsłonecznych);

– identyfikuje powszechne źródła pożywienia w zbilansowanej diecie (np.: owoce, warzywa, ziarna)

Wiedza o materii nieożywionej (fizyka)

A. Właściwości i klasyfikacja substancji oraz zmiany stanu skupienia materii

a. stany skupienia materii i charakterystyczne różnice między nimi

– identyfikuje i opisuje trzy stany materii (np.: ciało stałe ma określony kształt i objętość, ciecz ma określoną objętość, ale nieokreślony kształt, a gaz nie ma ani określonego kształtu, ani określonej objętości).

b. klasyfikacja przedmiotów i materiałów na podstawie właściwości fizycznych

– porównuje i grupuje przedmioty i materiały na podstawie właściwości fizycznych (np.: ciężaru/masy, objętości, stanu skupienia, zdolności do przewodzenia ciepła lub energii elektrycznej, zdolności do unoszenia się lub opadania w  wodzie, zdolności do przyciągania przez magnes). [Uwaga: od uczniów czwartej klasy nie oczekuje się rozróżnienia między masą a ciężarem],

– identyfikuje właściwości metali (np.: przewodnictwo prądu elektrycznego i przewodnictwo ciepła) i łączy te właściwości z zastosowaniami metali (np.: miedziany przewód elektryczny, żelazny garnek do gotowania),

– opisuje przykłady mieszanin i sposoby ich fizycznego oddzielania (np.: przesiewanie, filtrowanie, odparowywanie, przyciąganie magnetyczne).

c. siły magnetycznego przyciągania i odpychania

– rozpoznaje, że magnesy mają dwa bieguny oraz, że bieguny jednoimienne odpychają się, a bieguny różnoimienne przyciągają,

– rozpoznaje, że magnesy mogą być używane do przyciągania niektórych metalowych przedmiotów.

d. Przemiany fizyczne znane z codziennego życia

– identyfikuje możliwe do zaobserwowania zmiany w substancjach, które nie powodują powstawania nowych substancji o odmiennych właściwościach (np.: rozpuszczanie, kruszenie puszki aluminiowej),

– rozpoznaje, że materia może zmieniać stan skupienia z jednego stanu na drugi przez ogrzewanie lub chłodzenie; opisuje zmiany stanu skupienia wody (tj. topnienie, zamarzanie, wrzenie, parowanie i skraplanie),

– rozróżnia sposoby zwiększania szybkości rozpuszczania się ciał stałych w danej ilości wody (tj. zwiększania temperatury, mieszania i rozbijania ciał stałych na mniejsze części); rozróżnia silne i słabe stężenia prostych roztworów.

e. przemiany chemiczne znane z codziennego życia

– rozpoznaje możliwe do zaobserwowania zmiany w substancjach, które powodują powstawanie nowych substancji o  odmiennych właściwościach (np.: gnicie, psucie się żywności, spalanie, rdzewienie).

B. Formy energii i przekazywanie energii

a. typowe źródła energii i wykorzystanie energii

– identyfikuje źródła energii (np.: Słońce, płynąca woda, wiatr, węgiel, ropa naftowa, gaz) i rozpoznaje, że energia jest potrzebna do przemieszczania obiektów oraz do ogrzewania i oświetlenia.

b. światło i dźwięk w życiu codziennym

– łączy znane zjawiska fizyczne (takie jak cienie, odbicia i tęcze) z zachowaniem się światła,

– łączy znane zjawiska fizyczne (takie jak wibrujące obiekty i echa) z wytwarzaniem i zachowaniem się dźwięku.

c. przenoszenie ciepła

– rozpoznaje, że cieplejsze obiekty mają wyższą temperaturę niż obiekty chłodniejsze;

– opisuje, co się stanie, gdy zostaną skontaktowane obiekty: gorący i  zimny (tzn. temperatura obiektu gorącego spadnie, a temperatura obiektu zimnego wzrośnie).

d. elektryczność i proste obwody elektryczne

– zauważa, że energia elektryczna w obwodzie może być przekształcona w inne formy energii (np.: ciepło, światło, dźwięk),

– wyjaśnia, że proste układy elektryczne (np. latarka) wymagają kompletnej (nieprzerwanej) sieci elektrycznej.

C. Siły i ruch

a. siły znane z życia codziennego oraz ruch obiektów

– identyfikuje grawitację jako siłę przyciągającą obiekty do Ziemi,

– rozpoznaje, że siły (np.: pchanie i  ciągnięcie) mogą spowodować zmianę ruchu obiektu; porównuje skutki oddziaływania tych sił na obiekt z różną mocą w tych samych lub przeciwnych kierunkach;

– rozpoznaje, że siła tarcia działa w kierunku przeciwnym do kierunku ruchu (np.: tarcie działające na pchanie lub ciągnięcie utrudnia przemieszczanie obiektu po powierzchni).

b. maszyny proste

– rozpoznaje, że maszyny proste (np.: dźwignie, bloczki, koła zębate, rampy) ułatwiają ruch (np.: ułatwiają podnoszenie przedmiotów, zmniejszają wymaganą siłę, zmieniają odległość, zmieniają kierunek działania siły).

Wiedza o Ziemi (geografia)

A. Cechy fizyczne, zasoby i historia Ziemi

a. charakterystyka Ziemi

– rozpoznaje, że powierzchnia Ziemi składa się z wód i lądów w nierównych proporcjach (więcej wód niż lądów) i jest otoczona powietrzem; opisuje, gdzie można znaleźć wody słodkie i słone oraz rozpoznaje, że wody ze strumieni i rzek spływają z gór do jezior i oceanów.

b. zasoby Ziemi

– identyfikuje niektóre z zasobów Ziemi wykorzystywanych w życiu codziennym (np.: woda, wiatr, gleba, lasy, ropa, gaz ziemny, minerały),

– wyjaśnia istotność odpowiedzialnego używania energii odnawialnej i nieodnawialnej (np.: paliwa kopalne, lasy, wody).

c. historia Ziemi

– rozpoznaje, że wiatr i woda zmieniają krajobrazy Ziemi oraz że niektóre elementy krajobrazów (np.: góry, doliny rzeczne) są skutkiem powolnych zmian zachodzących w bardzo długim czasie,

– rozpoznaje, że szczątki (skamieniałości) niektórych roślin i zwierząt, które żyły na ziemi dawno temu można znaleźć w skałach i przeprowadza proste wnioskowanie dotyczące zmian powierzchni Ziemi na podstawie lokalizacji skamieniałości.

B. Pogoda i klimat na Ziemi

a. pogoda i klimat na Ziemi

– wykorzystuje wiedzę na temat zmian stanów skupienia wody do opisu powszechnych zjawisk pogodowych (np.: powstawanie chmur, rosy, wyparowywanie kałuż, śnieg, deszcz),

– opisuje jak pogoda (tj. dobowe zmiany temperatury, wilgotność, opady deszczu lub śniegu, zachmurzenie i wiatr) może się różnić wraz ze zmianą lokalizacji geograficznej,

– opisuje, jak średnia temperatura i opady zmieniają się wraz ze zmianą pory roku i lokalizacji.

C. Ziemia w Układzie Słonecznym

a. obiekty Układu Słonecznego i ich ruch,

– identyfikuje Słońce jako źródło ciepła i światła w Układzie Słonecznym; opisuje Układ Słoneczny jako Słońce oraz okrążające je planety,

– rozpoznaje, że Ziemia posiada okrążający ją Księżyc, oraz że Księżyc wygląda z Ziemi różnie w różnych momentach miesiąca.

b. ruchy Ziemi i ich następstwa obserwowane na Ziemi

– wyjaśnia, w jaki sposób dzień i noc są związane z ruchem obrotowym Ziemi wokół własnej osi oraz przedstawia dowód na ten ruch w postaci zmieniającego się w ciągu dnia wyglądu cienia,

– opisuje, w jaki sposób pory roku na północnej i południowej półkuli Ziemi są związane z dorocznym obiegiem Ziemi wokół Słońca.

Umiejętności (poznawcze)

Na kompetencje przyrodnicze mierzone w badaniu złożyły się trzy główne umiejętności opisane i scharakteryzowane w tabeli poniżej – wiedza, stosowanie, rozumowanie. W każdej z umiejętności wyróżniono kilka obszarów doprecyzowujących sprawdzane w zadaniach kompetencje uczniów.

Opis umiejętności poznawczych badanych w części matematycznej TIMSS 2019

Źródło: Opracowanie własne na podstawie Mullis i Martin (2017)