学生科学素养及其评测体系的国际比较研究

杨基瑜 徐欣蕾 权梦娅 柏 毅

（东南大学 学习科学研究中心，江苏 南京 210096）

目前国际上普遍认为，科学素养（Scientific Literacy）是指运用科学知识，确定问题和作出具有证据的结论，以便对自然世界和通过人类活动对自然世界的改变进行理解和作出决定的能力［1］。而对科学素养的研究，最终还是要落实到科学素养的评测，所以科学素养的操作性定义就显得尤为重要。国际上关于科学素养的操作性定义历来就有多种说法，但普遍将科学素养分为三个维度。其中，影响较大、较为科学的有：“米勒”界定（科学素养的三个维度即科学知识、科学方法、科学意识），PISA组织的定义（科学方法和技能、科学概念和内容、科学语境），我国国务院颁布的《全民科学素质行动计划纲要》（科学知识、科学能力、科学意识）。［2］而国际上有关科学素养评测的组织主要有：The National Assessment of Educational Progress（NAEP），The Programme International Student Assessment（PISA），The Trends in International Mathematics and Science Study（TIMSS）和National Assessment Programme（NAP），等等。

我们对学生科学素养及其评测体系进行国际比较研究的主要目的是对学生个人的创新意识培养及国家建立合理的科学素养评测体系提出合理建议。本文旨在对科学素养的维度及以上提及的四大评测组织的评测进行比较研究，按逻辑顺序组织材料，所引文献属于教育学范畴，起于1966年，止于2013年，对适于我国的科学素养测评体系提出建议。

一、学生科学素养的研究意义与科学素养维度的研究背景

（一）科学素养的研究意义

国际科学教育界普遍认为，在义务教育阶段，科学素养教育应该是学校理科教育的首要目标。深入研究学生科学素养的操作性定义，有助于科学素质教育的落实。不仅如此，从长远角度看，我们生活在高科技时代，与科技密不可分，如果不具备一定的科学素养，轻者降低其社会生存能力，重者甚至无法立足于社会。而对于一个国家，这种危害性影响甚至还会放大，影响社会发展。所以，学生科学素养的研究有着极其重要的意义，有了学生科学素养的评测体系，我们不仅可以提高学生的创新意识，还可以对教学改革提出建议，探索更适合科学素养培养的教育方式。

（二）科学素养维度的研究背景

科学素养的维度即科学素养的操作性定义有多种。1966年，Pella和他的合作者系统地挑选了出版时间为1946年到1964年之间的100种报刊文章，从中检索各种与科学素养有关主题的出现频率。经统计发现，一个具有科学素养的人应了解以下这些方面的内容:（1）科学和社会的相互关系；（2）知道科学家工作的伦理原则；（3）科学的本质，等等。

而Showalter在1974年总结了50年代末至70年代初有关科学素养的文献后，认为具有科学素养的人必须达到以下七个条件（seven dimensions）:（1）明白科学知识的本质；（2）在和环境交流时，能准确运用合适的科学概念、原理、定律和理论；（3）采用科学的方法解决问题，做出决策，增进其对世界的了解；（4）和世界打交道的方式和科学原则是一致的；（5）明白并接受科学、技术和社会之间的相关性；（6）对世界有更丰富、生动和正面的看法；（7）具有许多和科学技术密切相关的实用技能。二人都认为科学素养是多维度概念。［3-4］

最早对科学素养做出定义并进行度量的是美国，素养促进中心主任乔恩·米勒博士（Dr.Jon Miller）提出了“米勒”界定［5］，即认为科学素养具有三个维度：科学知识、科学方法、科学意识。

而目前国内外对学生科学素养维度的研究，大体见下表［2］［6］。

组织或研究者 科学素养的维度J．D．米勒 科学知识、科学方法、科学意识OECD／PISA 科学方法和技能、科学概念和内容、科学语境J．杜兰特 理解基本科学观点、理解科学方法、理解科学研究机构的功能《全民科学素质行动计划纲要》 科学知识、科学能力、科学意识

其中，OECD/PISA（the Organization for Economic Cooperation and Development/the Program for International Student Assessment，OECD/PISA）为世界经济合作与发展组织开发的国际学生测评项目；J.杜兰特为欧盟国家科学素养调查的领导人；《全民科学素质行动计划纲要（2006-2010-2020）》［7］由我国国务院根据党的十六大及十六届三中、四中、五中全会精神，依照《中华人民共和国科学技术普及法》和《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》，制定并实施。

二、科学素养评测的发展脉络

（一）全国教育进展评估NAEP对科学素养的评测

NAEP是由美国全国教育进展评议中心组织的全国教育进展评估，1996年起定期实施，测评全美中小学生在多个科学领域的学术表现及发展趋势。研究对象不仅为科学素养，还有阅读素养、数学素养等。NEAP的评测形式包括：主评估（Main NAEP）、长期趋势评估（Long-term Trend NAEP）和专项研究（Special Studies），这三种评估分别在不同时间，使用不同的评估和数据收集方式，对不同的学生样本进行评估，其中主评估使用频率最高。［8］NAEP主评估（以下简称NAEP）以四年级、八年级和十二年级的学生为测评对象，主要评估学校课程和国家课程共同包括的知识和技能，即特定的内容主题和广泛的思考技能［9］。

而关于科学素养，美国于1990年开始在全国范围内进行NEAP科学素养的评估。此后，1996、2000、2005、2009年NAEP都曾经测评过科学素养 （此处不包括NAEP长期趋势评估测评的科学素养）。

NAEP2009科学评估框架相对于1996～2005年框架来说，在保持历史连贯性的同时也作了一些调整，以适应时代的变化。首先，在科学知识维度上，具体内容都是物质科学、生命科学和地球空间科学这三个领域，只是维度方面不同；新框架对综合性主题的评价侧重于具体学科内容的交叉；1996～2005年框架提出“至少要有15%的评价内容围绕科技发展史以及对科技发展有重大影响的科学本质的重视”。2009框架将科学本质归类到科学能力的维度进行评价。第二，在科学能力维度的评价上，2009框架评价四类科学能力：识别科学原理、运用科学原理、运用科学探究、运用技术设计。而1996～2005年框架评价定义的概念理解、科学研究、实践推理三类科学能力，更模糊不明确。2009框架结合学生的认知需求评价其能力，而1996～2005年框架对科学能力的考查大部分是基于学生经验的。第三，2009框架增加了两类评价项目——组合题和计算机交互式任务，更贴近学生的现实生活。

在美国2014年NAEP技术与工程素养框架的预出版稿中，这种历史变化更为显著［10］。技术与工程素养是科学素养的重要方面，它有三个评价要素——实践、情境、评估区域。当对评估任务和项目做出响应时，学生应表现出一般类型的思维和推理，实践环节正是通过清晰明确地表达出这些思维和推理，从而有助于该框架评估目标的实现；为确保学生有机会在基于问题的情境下展示出他们所知道的和能做的事情，该框架将技术和工程素养评估的任务和项目放在一系列情境中。本框架的重要特点就是强调实践与情境、贴近生活、深入评价。

（二）国际数学和科学评测趋势——TIMSS

国际教育成就评价协会IEA（International Association for the Evaluation of Educational Achievement）主持的TIMSS，原为第三次国际数学和科学评测的缩写，TIMSS于1995年开始实施。为了更好地延续这项有意义的研究活动，2003年TIMSS正式成为国际数学和科学测评趋势的缩写。TIMSS每四年开展一次调查，目的是比较不同国家的学生在数学和科学学科方面的学业成就。最近的一次评估是在2011年开展的，参与的国家有60多个，评估的对象是四年级和八年级的学生。［11］［12］

如何把科学素养这个理念性的含义落实到科学素养水平的测试中是一个亟待解决的问题。TIMSS研究人员最初认为科学素养测试要集中于两个方面:首先是科学概念和技能，其次是关于科学的信念和态度，因而科学素养的定义应为“科学内容及相应的社会影响、推理过程、社会/历史发展和态度”。这个定义对科学的社会意义等重视不够，于是，在各方面的建议下，认为科学素养应该包括：科学内容；数学、科学和技术中的推理；数学、科学和技术对社会的影响。

TIMSS2011科学评估框架主要由内容维度和认知维度两部分构成。四年级和八年级的内容领域有所差异，反映了每个年级科学教育的重点和难点。四年级更重视生命科学；八年级更强调物理和化学。两个年级认知维度的框架则相同。［13］

（三）PISA——OECD组织的国际学生评价项目

国际经济合作与发展组织OECD主持的国际学生评价项目PISA于2000年开始，针对32个国家的15岁学生实施教育评价。PISA是一项多维度、实质性的国际教育调查研究，每三年一次。它的重要特征是“政策导向”性，服务于教育政策调整和教育改革［14］。PISA在阅读素养、数学素养和科学素养领域内有各自的评估，每轮PISA评估都在这三个领域中选择一个，并确定为主要领域，用大部分时间评估主要领域。2006年科学素养是主要领域。

1997年，经合组织设立“国际学生评估项目”（PISA），由其教育司教育统计处负责主持，各成员国教育部派代表组成了“PISA项目理事会”，由此正式启动PISA测试，并随即进入前期研究、设计和命题阶段。经过三年的准备，经合组织于2000年正式举行了第一次PISA测试，参加第一次测试的是来自32个国家共25万名15岁学生。直到2009年，PISA参与国多达60个，还有其他5个教育组织参与。［15］

而关于科学素养，PISA2000和PISA2003中科学素养还处于次要领域地位。当时对科学素养的界定为：“科学素养是运用科学知识来界定问题，得出基于证据的结论的能力，以便理解并帮助作出关于自然界的决定，并且通过人类的活动作出调整”［16］。PISA2006中科学素养是指个体能够：“掌握的科学知识，应用科学的知识来确定问题，获得新知识，解释科学现象，得出科学相关问题的有根据的结论；理解作为人类获取知识和探究方式的科学的特征，关注科技塑造我们的物质、精神和文化生活的方式；认识科学技术如何塑造我们的物质、智力和文化环境；愿意从事科学相关事务，有科学观念，成为会思考的公民”。PISA对科学素养的界定范围越来越广了。［17］

关于科学素养的评测，以PISA2006为例进行介绍。不同于传统的学生科学素养评测，PISA不限于测量学生对具体的科学内容的掌握程度。它侧重于衡量学生认识科学问题，科学地解释现象与使用科学证据在科学技术方面解决问题和做出决定的能力。PISA以考察三种能力为特点：识别科学问题，解释科学现象，使用科学证据。其评估框架如下图所示。［18］

（四）2008年启动的澳大利亚国家评估项目NAP

澳大利亚国家评估项目NAP（National Assessment Program）包括中小学信息素养评估、澳大利亚参与的PISA与TIMSS1等组成部分。信息素养Literacy with Information and Communication Technology（ICT Literacy）与科学素养密不可分，学校已在他们的教育计划中使用信息和通信技术，帮助学生有效地学习。根据教育考试服务中心在2002年的报告，信息素养是指“使用数字技术、通信工具或网络来访问，管理，整合，评估和创造为了在知识型社会中发挥作用的信息”。［19］“中小学信息素养评估是该项目的一个组成部分，开始于2005年，随后在2008年、2011年每隔三年进行一次评估。澳大利亚信息素养评估与传统测试方式的最大区别在于，要求学生‘在真实的情境下完成真实的任务’，这被认为是澳大利亚信息素养评估设计的基础，其评估系统正是基于这样的理念进行设计的。强调在虚拟的真实情境中去完成日常生活中校内校外会发生的任务，在考查学生信息知识技能的同时，也考察了学生的信息意识、信息思维，同时还涉及与人交流、社会责任等问题，这无疑是信息素养评估的新的有力尝试”。

（五）四大组织科学素养评测的比较

第一，在评价目的方面，TIMSS和NAEP比较接近。PISA是在教育框架之外对教育成效的评价。而TIMSS和NAEP是对课程实施成效的评价。TIMSS更关注学校教育，了解学生对科学课程方面的掌握情况，PISA则更关注学生的实际能力，了解学生科学决策能力情况［13］。NAP评估要求模拟学生在“真实世界中”使用信息通信技术，展示信息素养水平，即关注实际能力。

第二，在评价设计的哲学基础方面，TIMSS与NAEP有些类似。TIMSS是检验习得课程与目标课程之间的关系，而NAEP是以课程标准为主要依据设计题目。PISA则是以终身学习模型为基准设计题目考查学生为适应不断变化的社会所应具备的能力。NAP是以真实生活情境为基础的。

第三，在对内容领域和认知能力的考查方面，四者的表述和界定差异较大。TIMSS2007的科学测试中包括四个内容领域：生物、化学、物理、地理。考查的认知能力包括三个层次：了解、应用、推理。其中对应用能力和推理能力考查的比重较大。“PISA2006和NAEP2000&2005中都包括三个内容领域：物质科学、生命系统、地球和空间系统，其中PISA2006考查的科学能力包括三个方面：确立科学问题、解释科学现象和运用科学证据。NAEP2000考查的三种过程技能包括：概念理解、科学研究、实际推理”。再比如，TIMSS2011与PISA2009科学评估框架虽然对科学知识具体的定义略有差异，但都很重视科学知识及其应用，都强调科学探究能力的评估。TIMSS2011科学评估框架与课程结合紧密，更具层次性，更加具体细致，每一阶段的评估结构相对独立和完整。而PISA2009科学评估框架与实际生活相结合，更强调不同生活情境中解决问题的能力，它的评估的领域关联性更强［13］。而在最新的2014NAEP技术与工程素养框架中，其领域包括：技术与社会、设计与系统、信息与通信技术。很明显，NAEP也包括了信息与通信技术，这与NAP中的信息素养有异曲同工之处。［20］［21］

三、目前科学素养评测的研究水平及其存在的问题

目前国内研究PISA与NAEP的研究者相对比较多。随着PISA、TIMSS、NAEP与NAP的展开，研究者们越来越趋向把几个国际学生评价项目联系起来，比较评价。

至于目前科学素养评测所存在的问题就是，大部分测试还停留在纸笔化的阶段，没有充分利用计算机，因此大范围的测试不方便普及开来。此外，没有充分利用计算机进行人机交互式交流测评，也没创设十分贴近生活的真实情境。虽然NAP信息素养的评估进行了这种尝试，NAEP2009使用了计算机交互式任务，PISA2006也强调了情境的重要性，但是这些尝试并没有普及开来，或者说，没有很好地将这些新特征融为一体的测评体系。我们认为，这种新型的尝试将会是今后科学素养评估方式的发展方向。

四、对我国科学素养及其评测的一些建议

虽然NAEP、NAP、TIMSS、PISA都有评估科学素养，它们制定的框架却不尽相同。这是因为NAEP针对的只是美国特定年级的学生，NAP针对澳大利亚的公民，TIMSS、PISA都是基于国际组织，适用对象不同，对象们的年龄、学业水平、使用教材都不一样，所以它们的框架、试题都不尽相同。因此，我们国家测评科学素养要根据国情，先明确测评目标和框架，在深入研究学生教材的基础上设计相应试题。受国际上素养调查热潮的影响，1990年，中国科学技术协会开始策划全国性的科学素养调查。而这些调查都采用国际通用的科学素养评测标准。［22］

关于测评方法和工具，也应根据具体情况确定。国际项目都充分利用分层抽样等测试工具，利用相似的心理测量学方法处理数据［18］。不仅如此，国际项目还通过循环测试和锚题设计，对学生学业成就进行纵向的趋势研究，比如PISA每三年展开一次测评等。

收集数据固然重要，合理解释也不容忽视。不仅要运用统计学知识，还要联系测评对象的生活实际来解释，从而对我国部分学生科学素养做出评价。

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