中学生科学探究能力表现及现状测查

2018-09-14刘东方

东北师大学报（哲学社会科学版） 2018年5期

刘东方

(沈阳师范大学教师专业发展学院，辽宁沈阳 110034)

科学探究能力的培养是国际科学教育的核心内容，国内外的教育体系中都对科学探究能力表现提出了系统要求。我国教育部于2018年1月印发了《普通高中课程标准(2017年版)》，其中，物理、化学、生物学科凝练的学科核心素养都包含“科学探究”。美国2013年春季颁布的新一代《科学教育标准》中提出基于科学工程的实践活动，将工程实践融入探究过程中，赋予科学探究以更深刻的实践性[1]。国际的大型学业成就测试也明确考查科学探究能力。理科课程中关于科学探究的目标、内容及水平要求设定，教材围绕科学探究内容的选取、组织与呈现，课堂探究教学过程的设计，科学探究能力的考试评价设计等方面，都与我们对科学探究能力的构成、表现水平及形成发展的研究密切相关。科学探究能力有怎样的构成，如何对其进行评价，如何以发展科学探究能力为目标进行教学诊断和改进？这些问题正是本文要研究的内容。

一、科学探究能力构成及其表现的理论研究

(一)科学探究能力的已有研究成果

国内外研究者对于科学探究能力进行了深入的研究，主要从技能属性、要素属性、思维属性、结构属性几个方面进行探讨。早期传统能力理论认为，科学探究能力是过程技能的集合，如观察、交流、估计、测量、收集数据、分类、推断、预测、制作模型等。由于其过于细碎和微观，后来国际大型学业评价项目(TIMSS、PISA和NAEP)将科学探究能力要素化，以一般探究过程的能力要素作为评价单元和目标，从确定探究问题、确定证据、得出或评估结论、传播结论、证明对科学概念的理解等方面刻画探究能力并进行测评。我国学者也参考这种测评方式取得一些研究成果[2]101-109。国际上基本达成共识的过程要素主要包括提出问题、猜想与假设、制定计划、进行实验、收集证据、解释与结论、反思与评价、表达与交流。从心理学的角度，研究者认为科学探究能力是一种科学思维和科学推理能力[3]73-75，具有思维属性。将探究过程划分为三个阶段：假设空间的搜索、实验空间的搜索和证据评价，强调实验设计中的变量控制能力和运用逻辑推理、解释相关证据能力。这种视角重视内在的科学思维培养，但对学生科学概念的认识并未能提高到应有的高度。后来，研究者试图从能力的整体结构的角度来建立联系，进入到了科学探究能力构成模型的研究，建构科学探究内容、过程和品质的三维模型[4]86-90。综上所述，科学探究能力的已有研究成果较为深入和丰富，但同时也发现，科学探究能力结构的建立过程中缺失与学科知识和探究活动的关联，较多片面的、侧重性的研究，缺少对其内涵本质、思维机制和能力表现的整体研究。同时，科学探究能力的理论研究、能力表现评价以及科学探究教学实践的连贯性研究相对缺乏。

建立基于探究任务的、将一般探究过程与思维机制相结合的探究能力表现模型，使其在具体操作中可测评、可调控，并普遍适用于科学学科领域。

(二)科学探究能力及其表现的理论模型

本研究以能力的“二因素”理论及智力三维度理论为基础，基于对探究活动的心理机制分析，以及对国内外课程标准中科学探究能力要素的综合提炼，构建科学探究能力活动表现构成及其发展水平的模型，如图1所示。该模型既是科学探究能力及表现的测评和诊断框架，也是科学探究能力培养可遵循的路径。

图1科学探究能力表现模型

1.基于一般探究过程的科学探究能力要素及其表现

“科学探究指的是科学家们用来研究自然界并根据研究所获事实证据做出解释的各种不同途径，”同时“也指学生构建知识、形成科学观念、领悟科学研究方法而进行的各种活动”[5]7。科学探究能力是保证学生顺利完成科学探究活动所需的个性心理特征[4]86-90。科学探究能力表现是学生应用学科知识顺利完成特定类型的科学探究活动的表现。如前文所说，目前一般认为一般探究过程包括8个环节，即提出问题、猜想与假设、制定计划、进行实验、收集证据、解释与结论、反思与评价、表达与交流。每个环节又包含具体二级能力要素[6]44-49。具体如表1所示。

表1 一般探究过程的二级能力要素

2.以学科知识、探究角度与探究思路为核心的科学探究能力实质

首先，学科知识是能力发展的主要基础，是科学探究能力形成的中介[7]67。不论完成哪种类型的探究任务，都需要应用学科知识。

其次，探究角度和探究思路是科学探究能力的核心机制。各个学科领域都有特定的科学探究任务，需要特定的探究思路和探究角度与学科知识相匹配。当学科知识发挥其认识功能时，便转化为认识角度、认识思路和推理路径[8]83-92，125。而科学认识在建构过程中的本质特征就是科学探究，从古至今，科学认识方式之所以推动科学的发展，是因为它对科学探究过程具有方法论意义。人们有何种科学认识方式，就会用何种方式去探究。因此，认识角度和认识思路自然成为科学探究过程中的探究角度与探究思路。

3.影响科学探究能力发展及表现水平的变量

学生的科学探究能力之所以有差异，反映在完成相应的科学探究活动表现不同，包括能够顺利完成的科学探究活动类型不同、对一般探究过程和方法的掌握程度不同以及完成探究活动时的探究角度和探究思路不同。影响学生的科学探究能力发展及表现的变量：一是对一般探究过程能力，即对过程和方法的掌握，决定完成科学探究活动的程序性、科学性和规范性；二是知识，知识的积累与运用决定了学生科学探究能力的基础；三是不同水平的探究角度与探究思路。探究角度和探究思路的从无到有，从外部提示到自主调用，决定了科学探究能力的发展水平；四是探究活动任务及类型，不同学科领域的探究任务和类型都具有独特性，对学生的特定要求不同，同时，其任务本身也蕴含着开放度的差异。

综上可以看出，越是探究任务开放度大、探究过程完整的探究活动，越没有探究角度和探究思路的引导，越经历规范科学的程序，就越需要学生自主地将知识结构化、程序化、思路化，也越能体现出学生科学探究能力的最高水平。以科学探究能力表现模型为基础，测查出的学生科学探究能力发展状况，会对理科课程建设和教学具有借鉴意义。

二、科学探究能力表现测评工具的开发

基于科学探究能力表现模型，结合物理、化学、生物的学科特点选取具体内容和主题建构评价指标体系，并开发科学探究能力表现的测评工具。

(一)评价指标的建立

1.一般探究过程能力要素的水平界定

在评价一般探究过程时，以每个二级能力要素为单位，将其划分表现水平，主要依据是系统性、深刻性、相关性、创造性[4]86-90，其表现水平分别为“孤立—系统”“局部—完整”“表象—本质”“无关—相关”“简单情境—复杂情境”等。例如，“猜想与假设”能力的第一个二级要素“基于观察和所学习知识，从不同角度建构可检验的假设”，从低到高分为2个水平，水平1为“基于问题的表面和简单经验提出猜想与假设”；水平2为“基于理论指导和事物本质提出猜想与假设”，分别代表“表象”和“本质”水平。

2.探究角度与探究思路的水平界定

根据探究角度对问题本质的揭示程度来划分表现水平，不同表现水平划分的主要依据是系统性、深刻性、精确性、创造性，主要表现为“孤立—系统”“宏观—微观”“定性—定量”“误差—精度”“陈旧—新颖”。例如，化学学科“物质分离与提取”的主要探究角度有：“相”不同物质的分离、“相”相同物质的复杂转化与分离，这三个角度分别代表“孤立”“系统”“创新”三个水平。探究思路的水平界定是根据思路的关键点和完整性，主要表现为“关键点的有无”、思路的“局部—完整”。

(二)测评工具的质量

应用Rasch模型检验测试工具的信度。根据初测分析结果，对测量工具进行修订，并重新进行测试的质量检验。最终得到的试题整体信度为0.98，试卷题目的INFIT MNSQ均值为0.97，在0.7—1.3范围内，表明测试题可信，并与理想模型具有良好的匹配度。试卷题目分离指数为18.35，对能力测试的分离度较好。题目的一维性指数为89.5%，表明测试题目能够共同指向并反映学生的科学探究能力。

三、科学探究能力表现评价的主要结果

本次测试样本包括辽宁省12所学校的中学生，分别来自城市、农村中学，普通、重点学校的实验班及普通班，具有代表性。有效样本总量为1 409 份，其中九年级总计330份，高一年级362份，高二年级356份，高三年级361份。

采用BookMark法划定科学探究能力表现水平等级，先综合考虑试题的一般探究过程能力要素指标、探究角度和探究思路指标以及Rasch模型处理测试数据后得到的试题难度值三个因素，通过逻辑分析初步划定水平等级；再用SPSS17.0对各水平进行单因素方差分析，检验其显著性差异；最后确定各水平所对应的试题难度值范围。科学探究能力总体表现由低到高划分为四个水平层级，将一般探究过程的能力要素由低到高划分三个水平层级。

(一)中学生科学探究能力总体表现水平

中学生科学探究能力总体表现水平分布如图2所示。

图2 中学生科学探究能力的总体表现水平分布

3.8%的学生处于水平1，即能够在简单情境下，基于表象性的经验提出少量简单的问题，问题的角度较为单一和孤立。这些问题与研究对象初步相关，对问题的表述具有一定清晰度，但问题浅显并与研究问题的相关性较低；探究思路不够明确。

63.2%的学生处于水平2，即具有一定的问题意识，有局部的探究思路；在较为陌生的情境下，以知识和理论作为指导，主动从多个角度提出探究问题，问题具有一定相关性和深刻性；能够使用科学语言并较为完整地表述问题；用所学习的科学知识和原理，针对问题的本质提出假设，该假设与研究对象有一定相关度且可以检验，但提出的有效猜想较少；有建立模型来陈述现象或预测的意识但还不能够独立建立模型；基于知识和理论为提出的假设提供依据；有局部的探究思路，有变量控制的意识；能够选择部分实验装置及条件；根据经验孤立地考虑所需要收集的证据；所收集的证据初步与实验目的匹配，根据提示收集证据；能根据证据得出一定相关度的结论，但对结论的表述不够完整或逻辑性不强；较为孤立地反思探究过程所使用的方法；从定性的角度交流探究过程、方法以及结论和观点；初步交流所获得的数据；初步学会运用科学符号或术语撰写探究报告，但表达不够完整或逻辑性不强。

27.1%的学生处于水平3，即能主动基于理论指导从多个角度提出问题；提出的问题与研究对象相关性高；能够解决情境较为复杂的、开放度较大的探究任务，能够建立完整的模型并使用模型进行预测；提出与研究对象相关性高的、可检验的假设；能够找出变量，并描述出各变量的关系；能初步选择部分实验材料；初步选择简单的实验方法；在理论指导下系统地设计需要收集的证据；有局部的探究思路，设计简单的实验方案；系统地记录实验现象和数据；使用图、表等方式收集并有序组织和呈现实验数据和现象；通过归纳、演绎等方法得出证据高度相关的、可信的结论；利用较为复杂的证据和逻辑推理确立因果关系，得出结论；用准确完整的科学语言描述结论或做出解释；系统地评价所选择的证据能否支持结论，提出判断的依据；对较简单的方案提出改进的建议或需要进一步解决的问题；定量地交流探究结论和观点，有系统的数据支持和论证过程。

5.9%的学生处于水平4，即有较为完整的探究思路，能够系统地对所建立的模型进行解释说明；系统合理地选择实验材料；系统地选择可行的实验方法；系统地选择和安装实验装置；在复杂、陌生的信息中对比、选择可以用的证据，并系统地评价所选择的证据是否能够支持结论；系统设计完整、有序的实验方案；定量、系统地交流所获得的数据并阐述数据之间的关系；系统地评价所使用的方法；对于复杂情境的方案创造性地提出改进的建议或需要进一步解决的问题；定量、系统地交流所获的数据，并阐述数据间关系；准确完整地运用科学符号或术语撰写探究报告。

(二)各学段的学生科学探究能力表现的发展情况

根据学生能力分布，能够分别找出初中、高一、高二、高三四个学段的学生探究能力表现的发展水平，如图3所示。

图3 各学段的学生科学能力的发展情况

初中生有41.8%处于水平1，45.4%处于水平2，很少部分处于水平3；高中阶段，水平1的学生逐渐减少，水平2的学生有所增多，有21.0%—29.4%的学生进入到水平3，几乎没有学生达到水平4。可以看出，不同学段的学生科学探究能力表现出不同的水平层级，随着年级的增长，学生在低水平的分布有所下降，在中高水平的分布呈增长趋势。说明随着年级增长，科学探究能力的总体水平逐渐升高，但总体来看，大部分学生处于中等偏低水平。

(三)中学生一般探究过程的能力要素表现水平

中学生一般探究过程的能力要素表现水平如图4所示。

图4 中学生一般探究过程的能力要素表现水平

从图中可以看出，在所划分出的三个水平上，处于低水平即水平1的学生比例较高，最高为收集证据能力86.6%，最低为提出问题能力为37.3%；处于中等水平的学生比例最高为提出问题能力57.0%，最低为反思与评价能力7.2%，提出问题能力、猜想与假设能力、制定计划能力、表达与交流能力超过20%；在较高水平即水平3上的学生比例，各要素能力均仅有2.8%—9.9%。以解释与结论能力表现的水平分布为例，各水平的内涵描述如表2所示。

表2 解释与结论能力表现的水平描述与分布

上述研究表明，在目前的理科教学背景下，中学生科学探究能力总体为中等偏低水平，主要表现为一般探究过程的能力要素的表现水平较低，同时，大部分学生没有表现出主动利用学科知识、一般探究程序和方法以及推理思维进行各类型探究任务的解决。

四、研究结论与建议

(一)科学探究能力发展及表现水平的影响因素

从研究结果可以看出，科学探究能力表现具有不同的水平层级。总体来看，处于高水平能力表现的学生非常少，大部分学生处于中等偏低水平，并随着年级的提升呈现逐渐上升的趋势。具体来看，一般探究过程的能力要素表现水平偏低，提出问题能力表现水平相对高于其他能力，收集证据能力和反思与评价能力相对较低。

利用影响科学探究能力发展及表现水平的变量可以分析上述结果。首先，学生科学探究能力表现水平的不同主要反映在一般探究过程的能力要素表现不同，对程序性的知识和方法的掌握对完成探究任务具有方法论意义。其次，学生科学探究能力表现的差异还表明完成特定学科探究任务时的表现水平不同，实质上是探究思路和探究角度的不同。对探究任务的切入角度，决定了探究的深刻性，探究思路的完整与否，决定了在具备一般探究程序与方法的基础上，能否顺利地将其结合核心知识并应用到特殊的任务解决中。再次，当探究任务是熟悉的情境或者有一定提示时，学生能够沿着提示调动头脑中的知识局部地解决问题。但当探究任务的开放度增大，需要学生自觉调用头脑中的探究角度，并设计完整的探究思路，难度就增大了，这也是科学探究能力的最高水平。

因此，本研究所建构的科学探究能力内涵构成与活动表现的模型有利于对科学探究能力的培养。抓住一般探究过程的能力要素、各类型科学探究任务，以及探究角度与探究思路的关键机制，就使科学探究能力的培养有方可循。

(二)促进学生科学探究能力发展的建议

1.促进学生科学探究能力的理科课程与教材建设

第一，要重视对一般探究过程能力要素的全面培养。首先，在理科课程标准中已经明确了科学探究一般过程的8个能力要素，在教科书中对这8个能力要素培养的设计要全面。例如，不能仅侧重于制定实验方案而忽略提出问题和猜想与假设等能力要素的培养；不能仅侧重于研究结论的得出而忽视对探究过程的甄别与反思。其次，一般探究过程的二级能力要素的确定，进一步明确了“探究能力具体是什么”。因此，在对课程内容和课程资源进行选择时，应该选择适合于培养这些二级能力要素的内容。

第二，理科课程标准与教科书要建构科学探究能力的学习进阶。应结合学生实际，在课程标准中合理建构科学探究能力表现的水平进阶要求[9]66-72[10]1623-1630，即要设计在不同的学段或阶段，学生科学探究能力表现应达到哪些水平。同时，在教科书中要有明确的体现。例如，在对反思评价能力要素的培养方面，第一阶段让学生反思自己的结论是否正确且符合逻辑；第二阶段，让学生反思所使用的方法是否还能有所改进；第三阶段，让学生评价他人的实验方案并给出进一步修改的建议。这样，体现了从孤立到系统、从熟悉到陌生、从指导到开放、从局部到完整的学习进阶。使得学生在科学探究能力上，能够分阶段地、循序渐进地、符合规律地逐步发展。

2.促进学生科学探究能力的理科教学改进

第一，理科教师要将探究教学观念进一步向行为转变。需要将知识为本的教学转化为促进学生科学探究能力发展为本的教学。教师重视对一般探究过程能力要素的培养，重视将学科知识转化为学生的实践能力。

第二，理科教师要设计多样的开放性探究任务，强化真实情境。学生习惯于纯粹知识背景下的问题解决，而科学学习的意义就在于能够迁移应用到真实的社会、科技、环境等综合性问题。真实的背景具有复杂性、陌生性的特点，有助于促进学生自主调用探究角度进行深度思考，并自主建立完整的探究思路。因此，在设计科学探究任务时，应适当设置真实情境，例如科学前沿知识、科学技术知识等，同时增大任务的开放度，增强学生自主性。

第三，要让探究教学从表象向实质转化，提高学生的科学探究表现水平。现行教学中，教师对科学探究能力的培养不足，主要表现在不知如何教，科学探究活动流于形式。要将每一个环节的教学与展开落到实处，真正给学生自主思维的空间。同时，教师要培养学生科学探究能力表现的系统性、深刻性、相关性、创造性向更高水平进展。例如，在提出问题环节，不仅由学生发现并提出问题，还要指导他们用科学、具有逻辑性的语言完整清晰地表述问题，对提出的若干问题进行价值判断和筛选。在猜想与假设环节，不仅要提出假设，还要让学生提供猜想的依据，增加猜想的科学性与规范性，猜想可以是语言结论的形式表达，也可以采用物理模型、数学模型等形式，使定性与定量的判断相结合，增强了逻辑思维容量。在制定计划环节，从指导到独立，开放度逐渐增强，不仅要关注方案的局部，更要有问题解决思路与完整的解决方案。对不同的方案要进行评价和筛选，使其充分、完备。在收集证据环节，不仅要指导学生记录数据，更要对比数据与信息，用图表等简明的方式收集数据并寻找规律，便于做出推论与解释。要鼓励和指导学生完成反思评价和表达交流环节，将知识和思路在头脑中重整与建构，并形成稳定的问题解决思路与程序。通过这些方式，促使教学中科学探究能力向高品质、高水平发展。

第四，注重在科学探究过程中培养学生的探究思路。此次测试成绩偏低的一个因素是学生对开放性试题缺乏整体探究思路，他们更适应结构良好性试题，已知条件充分且指向性清晰，套用解题模式即可，而对于开放度较大的试题便显得力不从心。因此，需要重点培养学生的整体探究思路。例如，化学学科的“有机物的组成与结构”这类探究问题，探究思路是：首先，根据元素定性及定量测定，得出有机物的元素组成(元素原子个数比)，再用质谱仪测定有机物的相对分子质量，通过计算得出有机物的分子式；其次，计算不饱和度，根据不饱和度推测结构，根据化学实验或光谱分析的方法，得出官能团种类、数目、位置和碳骨架结构，最终确定结构，具体思路如图5所示。