初中生科学推理能力与原始问题解决能力的比较研究

邢红军 蔡晓华 胡扬洋

（1.首都师范大学物理系 100048；2.北京工业大学实验学校 100000；3.首都师范大学教育学院 100048）

·初中园地·

初中生科学推理能力与原始问题解决能力的比较研究

邢红军1蔡晓华2胡扬洋3

（1.首都师范大学物理系 100048；2.北京工业大学实验学校 100000；3.首都师范大学教育学院 100048）

发展与促进初中生的科学推理能力与原始物理问题解决能力具有重要意义.有鉴于此，运用LCTSR科学推理能力测试量表与初中原始物理问题测量工具对初三学生进行施测.结果显示，初中生科学推理能力水平较高，原始物理问题解决能力水平较低；科学推理能力与原始物理问题解决能力弱相关，表明科学推理能力与原始物理问题解决能力分属不同的智能.研究结果启示我们，应全面促进物理教育方式的生态化，扎实推进核心素养课程目标的落实，高度重视理科教育评价方式的改革，从而真正推进课程改革的深入发展.

科学推理；原始物理问题；核心素养；教育生态化

科学推理（scientific reasoning）在皮亚杰的认知发展理论中被首次提出.科学推理涵盖了设计实验、探究学习、推论思辨、证据评估、逻辑论证等活动所需的推理技能和思维技能，这些活动是形成和完善人们对自然界和人文社会的各种概念和理论认知过程的重要步骤.［1］Lederman将科学推理定义为归纳思维和演绎思维.归纳思维即概念获得、概念形成和概念图示，演绎思维即基于观察、模型建构和经验证据进行的评价.［2］Klahr和Dunbar则认为科学推理即问题解决.

尽管研究者对于科学推理的界定还存在分歧，但对科学推理内涵的认识则大致相同.科学推理是个体思维能力发展到一定程度之后具有的推理类型；个体进行科学推理一般采用演绎推理和归纳推理；个体应用科学推理进行假设检验或问题解决.

在引进科学推理测验工具的同时，发端于我国本土的原始物理问题教学理论与教学实践，近年来已成为我国理科教育领域的研究热点.科学推理能力与原始物理问题解决能力有着怎样的区别、联系与相关？在理科教育教学中如何应用这些理论？这些问题逐渐成为我们关注的研究课题.

1 初中生科学推理能力测试与分析

本研究选用两套测量工具，LCTSR科学推理能力测试量表与初中原始物理问题测量工具.LCTSR科学推理能力测试量表在国际上得到广泛认可，该量表由加利福尼亚大学Anton E.Lawson教授设计，主要从6个维度对学生的科学推理能力进行测量，包括体积质量守恒推理、比例推理、控制变量推理、概率推理、相关推理、假设演绎推理.初中原始物理问题测验工具分别从抽象、图像、赋值、物理、方法、数学6个维度对学生解决原始物理问题能力进行测量.［3］

原始物理问题测验工具由4道题目构成.原始物理问题是对物理现象的描述，题目中不出现物理量，解答问题需要的物理量需要自行设置.采用主观试题客观评分，每个问题均包含抽象、图像、赋值、物理、方法、数学6个表征，完成一个表征得1分，未能答出或未能完全答出，则不给分，即每个表征的评分或者是1分或者是0分.每个题目满分6分，4道题目满分24分，与科学推理能力测试量表的满分一致.

测试对象选取北京市朝阳区初中三年级学生，共计393人.分别运用两套测量工具测试，得到测试卷786份，其中无效试卷10份，有效试卷776份.表1是科学推理能力测试成绩统计.

对科学推理能力测试成绩进行正态分布拟合，如图1所示.

由图1可知，测试成绩满足正态分布，说明测试量表具有较好的信度和效度，适宜做相关分析.

表1 LCTSR测试成绩统计

图1

由表1和图1可知，0—4分数段人数为0，说明学生的科学推理能力没有过低的.5—12分数段人数占17.8%，表明少部分学生的科学推理能力处于较低水平；13—20分数段人数占69.6%，表明大部分学生的科学推理能力处于中等水平；21—24分数段人数占12.6%，表明少部分学生的科学推理能力已达到较高水平.测试平均成绩为15.93分，表明初三学生的科学推理能力整体处于较高水平.

对科学推理能力各维度得分进一步分析，结果如表2所示.

表2 LCTSR测试各维度成绩

将LCTSR测试各维度得分率生成条形图，如图2所示.

图2

由表2和图2可知：

（1）体积质量守恒推理维度得分率为92.98%，在各维度中得分率最高，表明初三学生已具有很高的守恒推理能力.在六种推理能力中，只有守恒推理是具体运算模式类型，其余推理能力均属形式运算模式类型，说明大部分初中生的认知水平已达具体运算阶段.

（2）比例推理维度得分率为88.60%，仅次于守恒推理维度，表明初三学生已具有较好的比例推理能力.其原因或许在于，我国理科教学对运算训练给予了较高重视，使得大部分学生具有较好的运算能力，因而能够在比例推理维度取得较好成绩.

（3）假设演绎推理维度得分率为69.27%，对于初中生来说，在这一形式运算阶段的推理维度上的表现已达较好水平.事实上，我国理科教学一直重视逻辑思维训练，因此，初三学生的逻辑思维能力得到了较好发展，从而能够在假设演绎推理维度取得不错成绩.

（4）控制变量推理维度得分率为60.40%，表明学生的控制变量推理能力一般.令人不解的是，目前中学物理教学对控制变量法的教学是非常重视的，但控制变量推理维度得分却并不理想.究其原因，是因为教师教学中仅让学生了解控制变量法的名称，并没有让学生理解其本质.测试结果显示，初三学生并没有很好地理解和掌握控制变量推理的内涵.

（5）相关推理维度得分率为51.80%，表明学生的相关推理能力较弱.相关推理需要学生具有整体思维，不仅能够对整体情况进行分析，还须找出整体中各部分间的联系，是更高层次的能力要求，所以学生相关推理维度得分率低也在情理之中.

（6）概率推理维度得分率为30.93%，表明学生的概率推理能力最差.概率推理要求学生能够理解概率的本质，能解释一些不可预言的、不可确定的观察事实，并能识别变量之间的关系.由于概率知识是高中阶段的教学内容，初中阶段较少涉及，因此导致初中学生的概率推理能力最差.

2 初中生原始物理问题解决能力测试与比较

对原始物理问题测试成绩进行统计分析，结果如表3.

表3 原始物理问题测试成绩统计

续表

将原始物理问题测试成绩做成直方图，如图3所示.

图3

由表3和图3可知，原始物理问题测试成绩整体偏低，20—24分数段人数为零.63.1%的学生成绩集中在0—3分数段，表明大多数学生的物理问题解决能力很差；21.9%的学生成绩集中在5—8分数段，表明这部分学生的物理问题解决能力一般；11.3%的学生成绩集中在9—19分数段，表明这部分学生的物理问题解决能力稍好.

对原始物理问题测试各表征成绩进一步分析，结果如表4所示.

表4 原始物理问题测试成绩

原始物理问题各维度得分直方图如图4所示.

图4

以下对6个表征得分情况进行分析.

（1）抽象表征得分率为23.32%，表明近1／4的学生具有一定的抽象表征水平.抽象表征是抽取主要因素，忽略次要因素，把问题原型转变成模型的过程，需要运用抽象思维.出现这种结果的原因可能在于，初中物理与生活联系比较紧密，学生对源自生活实际的原始物理问题不太陌生，因此能够在抽象表征维度取得较好成绩.

（2）图像表征得分率为21.39%.图像表征主要运用形象思维，画出反映事物本质特征的理想化图像.力学内容对学生画受力分析图要求较高，使得一部分学生形成利用图像帮助解题的习惯，从而在图像表征维度取得相对较好的成绩.

（3）赋值表征得分率为14.24%.赋值表征需要运用假设设置物理量，赋值表征是原始物理问题特有的表征，要求学生自主设置物理量，在反复思考的基础上设置出物理量.由于这一表征在传统习题训练中少有涉及，因此导致学生在这一维度表现出低水平.

（4）物理表征得分率为12.18%.物理表征需要运用判断的思维方法，判断在问题解决中需要运用的物理概念与规律有哪些？是什么？虽然物理知识的识记与应用在我国中学物理教学中一直备受重视，但却是在物理习题解答中应用的，并非在原始物理问题解决中应用，这就导致学生难于在生态化情境中运用物理知识.事实上，只有在解决真实物理问题时能够提取与运用物理知识，才表明学生真正掌握了物理知识.

（5）方法表征得分率为8.89%.其原因在于，科学方法在中学物理教学中常采用隐性教育方式，由于这种教育方式不能使学生把握科学方法的真谛，不能使学生理解科学方法的内涵，不能使学生熟练运用科学方法，从而导致方法表征得分率很低.

（6）数学表征得分率为7.93%，是6个表征中最差的.数学表征是物理问题解决中的演算、推导过程，背后是推理思维方法的运用.由于只有在正确完成抽象、赋值、图像、物理、方法表征的前提下才可能完成数学表征，这就导致数学表征的得分最低.

进一步，应用SPSS19软件，考察科学推理能力和原始物理问题解决能力的相关性.结果如表5所示.

表5 科学推理能力与原始物理问题解决能力相关性检验

由表5可知，P＜0.01，在0.01水平上有极显著统计学意义，由于｜r｜＜0.3，所以科学推理能力与原始物理问题解决能力弱相关，表明原始物理问题解决能力与科学推理能力可能是两种不同性质的能力.

测试显示，科学推理能力测试呈正态分布，是同种智能下的典型分布.而原始物理问题解决能力测试呈双峰分布，可视为2个正态分布的叠加，表明原始物理问题测试可以将科学推理能力同质的群体区分为原始物理问题解决能力不同质的群体.加德纳的多元智能理论提出，每一种智能代表着一种区别于其他智能的独特思考模式.这一理论强调人类智能的多元性，并以此揭示学校教学与测验对智能关照的局限性，进而呼吁一种基于智能多元的因材施教.在多元智能理论的启示下，我们认为，科学推理能力与原始物理问题解决能力的不相关结果，极有可能表示它们分属不同的智能.因此，对一种智能的干预并不必然导致对另一种智能的影响，这对中学物理教学研究与实践领域带来的启示无疑是巨大的.

过去人们普遍认为，我国物理教育效能低的原因在于缺乏科学探究.因此，《物理课程标准》将科学探究作为课程目标，希籍借助科学探究提高物理教育的效能.确有证据表明，探究式的教学策略有助于提升学生的科学推理能力.［4－6］然而，由于科学推理能力与原始物理问题解决能力分属不同的智能，因此，对“科学探究”（科学推理）的单纯强调，就可能会造成学生物理问题解决能力培养的落空.这启示我们，对于学生能力结构的复杂性和多维性，还需要进一步深入研究.

3 研究启示

3.1 全面促进物理教育方式的生态化

研究表明，本研究选取的初三学生原始物理问题解决能力整体处于较低水平，这反映出目前物理教育的生态化水平较低.目前，初中物理教学中使用的训练材料绝大部分还是习题，已经把原始问题的一些次要细节、非本质的联系舍去，没有物理现象与事实作为背景，甚至完全脱离物理现象，即学生思维的一部分已经被习题编制人员越俎代庖完成了.由于物理教育的生态化强调在自然、真实情境中研究教育规律以及学生的心理活动规律，强调提高教育活动的可应用性和普遍适用性，建立合理的教育生态环境，因此，物理教育生态化不仅有助于落实核心素养的要求，还有助于促进人才的迅速成长和发展.［7］

原始物理问题测验结果启示我们，学生解决真实情境物理问题的能力，极有可能不通过专门训练就不会自动增长，习题解答能力与原始物理问题解决能力之间无法自然迁移.换言之，即使在教学中将习题演练强度与数量提升到极致，也可能无法促进学生解决真实问题能力的发展.由是观之，在物理教育中融入生态化的物理教育思想就显得尤为迫切，即物理教育活动应当在生态化的环境中开展.这一思想首先应该纳入《物理课程标准》的制订与物理教科书的编写中.在教材编写中，应在例题和习题设计中渗透适量的原始物理问题.在课堂教学中，教师应当适度展开原始物理问题教学，激发学生解决原始物理问题的兴趣，从而让学生真切地感受到物理学的魅力.

3.2 扎实推进核心素养课程目标的落实

当前，培育中小学生的“核心素养”已成为国内外教育改革与发展的趋势.2016年9月，《中国学生发展核心素养》研究成果发布，成为指导我国下阶段课程教学改革的“顶层设计”.“核心素养”及各学科核心素养将成为统领课程、教学以及评价的纲领.如何将“核心素养”、“顶层设计”落实成为课堂教学的“底层设计”，即将核心素养理念落实到操作层面，就成为一项非常有价值的工作.在这个意义上，原始问题教学就成为核心素养应用于课堂教学的有效途径.

扎实推进核心素养课程目标的落实，需要循序渐进地加以展开.从一般核心素养到学科核心素养，标志着核心素养的初步落实.目前，新的《物理课程标准》提出“学科核心素养”主要由“物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任”4个要素构成.物理观念主要包括物质观念、运动观念、相互作用观念、能量观念及其应用等要素；科学思维主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素；科学探究主要包括问题、证据、解释、交流和合作等要素；科学态度与责任主要包括科学本质、科学态度、社会责任等要素.怎样在物理教学中实施与落实物理核心素养，新的《物理课程标准》提出应把物理课程中所形成的物理观念和科学思维用于分析、解决现实生活中的各种问题，在解决问题中进一步提高探究能力、增强实践意识、养成科学态度，促进核心素养的形成.

《物理课程标准》的论述与提法在原则上是没有问题的，但稍显宽泛与笼统，在物理核心素养达成的操作层面有所欠缺.而原始物理问题不仅对问题进行了严格界定，而且给出了抽象、图像、赋值、物理、方法、数学6个维度，从而有助于物理核心素养的达成趋于规范和操作.

3.3 高度重视理科教育评价方式的改革

目前，中考作为初中生能力评价的考察方式，既是备受全社会关注的热点，也是教育改革的难点.然而，中考和初中学业评价究竟测试学生的何种能力？能否真正测量出学生的能力？仍然需要基于理论与实践的深入研究.

在目前理科中考及其导向下的教学中，“实验与探究题”、“科普阅读题”等“新题型”已然对传统中考试题与课堂教学产生了前所未有的冲击.中考命题改革突出科学探究、实验能力、阅读能力、知识积累以及科学方法考查，对传统理科中考“复杂计算”、“大题压轴”模式及其影响下的教学构成了重要转型.从理论本源上考察，“实验与探究题”、“科普阅读题”等“新题型”到底考察了哪些维度，是否与核心素养的要求相一致，是否包含了科学推理能力等等，还需要做进一步的实证研究，而不能单纯满足命题形式上的标新立异，还须追问试题形式背后蕴含的素养真谛与本质.只有如此，才能真正实现理科教育评价方式的根本改变.在这个意义上，中考教育评价改革应积极稳健地纳入原始问题命题形式，以此实现核心素养评价的有效性以及对课堂教学的积极引领.

1 C Zimmerman.The Development of Scientific Reasoning：What psychologists contribute to an Understanding of Elementary Science Learning？Paper cornisioned by the National Academies of Science（National Research Council＇s Board of Science Education，Consensus Study on Learning Science，Kindergarten through Eighth Grade）（2005）：46－52.

2 C Stuessy.Path Analysis：A Model for the Development of Scientific Reasoning Abilities in Adolescents.Journal of Research in Science Teaching，1984，26（1）：41－53.

3 邢红军，石尧，胡扬洋，田海霞.初中原始物理问题测量工具：编制与研究［J］.课程·教材·教法，2015（02）：69－73.4 A E Lawson，S Alkhoury，R Benford，et al.What kinds of scientific concepts exist？Concept construction and intellectual development in college biology［J］.Journal of Research in Science Teaching.2000，37（9）：996.

5 A E Lawson，M Johnson.The validity of Kolb learning styles and Neo－Piagetian developmental levels in College Biology［J］.Studies in Higher Education，2002，27（1）：79.

6 A M L Cavallo.Meaningful learning，reasoning ability，and students understanding and problem solving of topics in genetics［J］.Journal of Research in Science Teaching，1996，33：625.

7 邢红军.物理教育的生态化及其对物理课程改革的启示［J］.教育科学研究，2010（01）：59－61，64.

2017－03－26）

本文系北京市教育委员会社科基金重点项目（SZ20171002815）“北京市理科中考改革导向的前瞻性研究”阶段性成果.