中学生科学推理能力发展规律及启示

杜明荣 郭江

摘 要：本文通过学者Lawson建立的科学推理能力测试体系，研究高中学生科学推理能力的发展现状，并深入解析学生在阶段性学习过程中，守恒推理、比例推理、控制变量推理、概率推理、相对性推理和假设演绎推理六个维度能力的差异，发现问题并寻求相应的解决方案。

关键词：中学生；科学推理能力；发展规律

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）6-0013-3

1 问题的提出

科学推理能力是运用逻辑思维依据科学事实进行推理、进而作出解释或得到结论的能力。2009年《Science》杂志发表了一篇题为《Learning and Scientific Reasoning》的文章[1]，文章给出了中美大学新生的科学推理能力和科学知识的测试比较结果。结果显示，尽管中国学生在科学知识上的成绩远远超过美国学生，但两国学生的科学推理能力却相差无几。这一结果从一个侧面反映出我国学生科学知识与推理能力之间发展的不平衡，引起了国内外科学教育研究者的普遍关注。

具备基本的科学推理能力是进行科学探究的必要条件，培养学生的科学推理能力是培养他们科学探究能力的基础[2]。科学推理还是需要相对完善的知识体系作为支撑，而中学生从低年级到高年级的学习过程中，一方面不断地接受新知识，并将其内化，储备到自身的知识体系中，另一方面他们的思维方式也在发生着阶段性的改变，即从前运算阶段到具体运算阶段再到形式运算阶段。在不同的思维发展阶段，中学生将运用已有的知识，采取科学的研究方法，理解和解释已有的现象和规律，进而不断认识世界和探索世界，这种认识世界和探索世界的能力就是科学推理能力。

本文希望通过研究可以了解普通高中生在获取科学知识的过程中科学推理能力的发展状况；分析对于普通高中生，科学推理能力的哪些维度较为薄弱；判断高一到高三的跨度里他们的科学推理能力有没有得到有效的提升。

2 研究的设计

在普通高中的教学进程中，高一学生的科学知识体系才刚开始建构，科学知识的掌握尚不完善，而经过两年系统的学习，高三阶段学生的知识体系相对完备。所以，本研究以高一和高三两个年级的学生为研究对象，解析他们的科学推理能力的发展现状，并通过文献研究找到适当的提高策略，解决研究中发现的学科性问题。

本研究以笔者所在市的一所有代表性的普通高中为例，从高一和高三分别随机抽取两个班，对抽中的四个班学生进行科学推理能力测试。在问卷调查环节，发放问卷240份，回收213份，有效问卷196份。样本分布情况如表1所示。

研究采用美国Lawson教授修订的“Lawson科学推理能力测试量表”[3]，量表共有24道题目，全部为选择题，每道题1分，共计24分。测试量表所设计的推理背景都是现实情境或实验情境，要求学生运用科学推理得出结论或作出解释。为了检验量表对所选样本的适用性和测试数据的可靠性，对测试结果进行信度分析，经过数据处理，得到量表的Cronbach Alpha[4]值都较接近0.8，因此可以认为本问卷的信度是比较好的。量表测试的推理类型可分为6个维度，每个维度对应的测试题目编号如表2所示。

3 数据的分析

3.1 科学推理能力的整体分布

利用Lawson科学推理能力测试量表对样本进行测试，结果显示高一学生平均得分为13.66分，标准差为4.3分，高三学生平均得分为13.89分，标准差为4.65分，在集中趋势和差异趋势上没有较大差异，两者的分布态势也比较接近，如图1所示。针对两个班级样本的非参数独立样本K-S检验结果Sig值0.785>0.10，表明高一学生和高三学生的科学推理能力在一定程度上没有显著性差异。值得关注的是高三学生的科学推理能力平均得分为13.89分，与中国大学生平均值17分之间存在着明显的差距[5]，表明高中阶段的學生在科学推理能力上依然存在较大的发展空间。

3.2 科学推理能力各维度的分析

通过独立样本的T检验，对高一和高三学生科学推理能力各维度的显著性差异进行分析，结果如表3所示。

高一和高三两个班级学生的科学推理能力中，守恒推理T检验的双侧Sig值[6]0.974>0.10，即在0.10的显著性水平上，高一和高三学生的守恒推理能力没有明显差异。比例推理和相关性推理能力也没有显著性的差异。在0.10的显著性水平上，两个年级学生的控制变量推理能力有些许差异，并且高三学生强于高一学生。高一和高三学生的概率推理能力和假设演绎推理能力都有明显差异。统计图2表明，高一的概率推理成绩要优于高三，高三的假设演绎推理成绩要优于高一。可见，高一学生经过三年的学习，在控制变量推理、假设演绎推理和相关性推理等方面的能力都有了一定的提高。由此我们推测，高中阶段的教学对学生控制变量推理和假设演绎推理以及相关性推理方面的训练成效显著，而在概率推理方面的训练有所欠缺。

表4展示了被试在各个维度上的得分率，可见，在两个年级中守恒推理和比例推理的成绩较高，尽管相关性推理在高一到高三的阶段性学习中有了很大的提升，但是其正确率依然处于较低的状态。另外，概率推理的正确率也比较低，原因可能是高一学生还没有开设相关概率问题的课程，但生活中的一些实例给了他们很大的启发，比如掷筛子、抛硬币，高三学生虽然经过了一系列系统的概率类的学习，但是量表的题目是掷筛子这类与生活密切相关的问题，所以高一学生概率推理维度的得分率反而比高三学生的要高一些[7]。

4 结论与启示

本研究表明，高一和高三阶段学生的科学推理能力呈现以下特点：其一，高一到高三这样一个阶段性的学习过程中，学生的科学推理能力总体上没有得到很显著的提升，表明本研究中被试所在区域的教学对高中生科学推理能力的培养有待提升。其二，高中学生由于其守恒推理能力和比例推理能力在初中阶段有了较好的基础，已经得到充分的发展，测试中表现为两个年级中成绩跨度不明显。高三学生在控制变量推理、相关性推理和假设演绎推理方面的能力有较大程度的提升，但是相关性推理能力依然处于较低层次。另外，概率推理能力表现为有所降低，表明本研究中被试所在区域的教学对高中生科学推理能力的培养，侧重于学生的控制变量推理和假设演绎推理能力的训练，并且有了较突出的效果，但在概率推理和相关性推理能力的培养上略显不足。

因此，提升高中学生的概率推理能力和相关性推理能力成为亟待解决的问题。科学推理能力是科学探究活动中极为重要的能力之一，它渗透在科学探究活动的每一个环节之中，学生需要依靠这种能力体验科学探究的具体过程，感受科学探究中隐含的科学奥秘。提高学生的科学推理能力需要学生在教师的引导下，真正地切身参与到科学探究活动中，遵守科学探究的一般步骤，逐步透过现象来理解科学的本质。

量表中测试概率推理能力的题目表达方式与生活中掷筛子的问题极为相似，高一学生能够依据基本的生活常识去解决量表里的问题，而高三学生同样也拥有这样的生活常识，但其接受的系统化的概率知识却成为了解决生活问题的障碍，得分反而低于高一学生。学生缺乏概率意识，不能客观地理解概率问题的本质，认为概率是不可预测的。因此，教师需要引导学生树立正确的概率推理意识，从源头上帮助学生提高概率推理能力。

其次，高中课程学习中存在模式化训练的现象，使得学生难以花时间认真解读问题，久而久之造成了学生的思维惰性，对付类似的概率问题善于使用固定的公式计算，不能进一步地分析思考问题，容易造成简单问题复杂化，不利于问题的解决[8]。在这样的情况下，教师需要在课堂上去讲解概率推理的科学步骤，要引导学生学会自主分析类似问题，能够轻松自如地运用概率推理来解决遇到的常识性问题和复杂类问题。

在相关性推理能力的培养中，教师首先要帮助学生克服思维定势。在日常的题海训练中，学生很容易陷入思维定势，加重了思维的惰性，导致学生遇到问题时急于得到结果，寻找相关的捷径，从而使学生忽略了问题之间的本质联系[9]。教师要在学生原有的基础上适当引导，鼓励学生积极参与探究式学习，让学生真正理解日常生活中蕴含的科学原理，学会观察事物整体与局部之间的关联，透过事物的表面现象深入理解问题的本质，并且能够有意识地应用于解决实际的问题之中。

参考文献：

[1][3]Lei Bao，Tianfang Cai，e.g. Learning and Scientific Reasoning[J]. Science ，Vol.323， January 2009：586-587.

[2]杨燕，郭玉英，魏昕，等. 高师理科教学与学生科学推理能力的培养[J]. 教育学报，2010（2）：42-47.

[4][5][6]杜強，贾丽艳，严先锋. SPSS统计分析从入门到精通[M].北京：人民邮电出版社，2014：113-121.

[7]周思琪. 中学生科学推理能力的比较和分析[D].武汉：华中师范大学硕士学位论文，2012.

[8]梁美怡.初中物理学习与科学推理能力相关性分析与研究[J].物理教师，2014，35（5）：37-39.

[9]黄昭.宁夏中学生科学推理能力现状及培养策略研究[D].银川：宁夏大学硕士学位论文，2011.

（栏目编辑 赵保钢）