物理学科背景下高中生科学论证能力测评研究

刘晓坤 胡象岭

(曲阜师范大学物理学系，山东 曲阜 273165)

1 引言

近年来，论证在科学教育研究领域引发广泛关注.《普通高中物理课程标准(2017年版)》将“科学论证”列为科学思维的基本要素，科学论证能力帮助学生更好地理解概念、促进推理能力以及批判性思维能力的发展.[1,2]论证能力的培养对物理核心素养的形成有着至关重要的作用.在教学中，了解学生科学论证能力所处的水平，是有针对性地培养学生科学论证能力的基础.为此，有国内研究者在科学情景下广泛开展学生的科学论证能力测评研究.例如，邓阳基于化学学科背景，设计书面和口语科学论证任务，评价被试在“主张”、“证据”、“理由”和“反证”4个要素上的表现.[3]韩葵葵基于Toulmin论证模式，设计了“铁钉生锈”、“化学，我该不该爱你”、“黄金粮食”、“动物趋性”、“温室效应”、“万能的抗生素”6个论证任务对被试科学论证能力展开测评.[4]在物理学科背景下，郑颖依据SOLO理论划分了物理科学论证能力的认知表现层次.[5]陈颖评价被试在“观点”、“事实证据”、“理论依据”、“推理过程”和“反驳”5个要素上的表现.[6]以上研究设计了18个论证项目，部分项目所涉及的物理知识对初入高中的学生尚有难度.能力测试应尽量避免未知知识对结果造成的影响，同时降低项目难度才能更好地对处于高中各阶段的学生展开测量.本研究关注被试论证时物理概念的运用情况以及使用证据的特征和进行推理的能力，过多的项目不利于学生对问题情境展开充分论述，应对问题情境的数量加以控制.因此，本文在已有研究的基础上，构建评价框架、设计评价工具，对高中生的科学论证能力展开测量与评价.

2 研究设计

2.1 评价框架设计

科学教育领域分析论证时常常基于图尔明论证模式(Toulmin Argument Pattern，简称TAP).图尔明认为数据(Data)、主张(Claim)、正当理由(Warrant)、支持(Backing)、限制条件(Qualifiers)和反驳(Rebuttal)6个要素组成论证，出现更多的结构要素意味着具有更高水平的科学论证能力.[7]这种评价方式仅关注结构要素的多少，不关注各要素如何连接在一起，也不关注内容是否表述准确，可以摆脱情境依赖，具有广泛适用性.然而，仅凭借单一指标并不能够全面地评价论证质量，还应从结构(Structure)、正当性(Justification)和内容(Content)对论证进行评估和描述.[8]

基于此，N. Brown设计了如图1所示的“证据使用框架(Using Evidence Framework)”.[9]与图尔明论证模式不同，“证据使用框架”中包含“要素”和“流程”两类信息.其中，“要素”共有5个：主张(Claim)和数据(Data)这两个要素与图尔明论证模式中含义相同；前提(Premise)、规则(Rule)、证据(Evidence)分别对应于图尔明论证模式中的限制条件(Qualifiers)、正当理由(Warrant)和支持(Backing).“流程”体现的是论证过程中的推理过程，共有3个：应用(Application)是规则(Rule)在前提(Premise)所描述的特定情况下发挥作用的过程；解释(Interpretation)是比较和整合多个证据(Evidence)的过程；分析(Analysis)是对多个数据(Data)进行比较、整合的过程.[10]该框架强调使用证据进行推理在论证过程中的重要性，推理过程是否合乎逻辑，是衡量论证是否有效的重要标准.[11]

图1 证据使用框架

应用“证据使用框架”在物理学科背景下进行论证时，物理“概念”是基础；可靠的“证据”是得到主张的前提，精确的“规则”是证据与主张连接的桥梁；有效的“推理”是论证的关键.因此，本研究将科学论证能力解构为“概念复杂性”、“规则精确性”、“证据可靠性”、“推理有效性”4个维度.其中，“概念复杂性”评价的是被试在特定的问题情境中调用相关知识进行论证的能力.在这一维度，依据郭玉英等设计的概念复杂度模型，划分为“关联”、“系统”、“整合”3个水平；[12]“规则精确性”维度依据规则表述的精确程度，划分为“模糊”、“不准确”和“精确”3个水平；“证据可靠性”旨在评价被试在科学论证中引用证据的能力.在这一维度，依据证据的数量与相关充分性划分了从“没有证据或是无效的证据”到“一个以上有效的证据”3个水平；“推理有效性”检验将规则与主张联系起来的推理的质量.在这一维度，依据推理的复杂程度划分为从“在证据和观点之间建立直接联系”到“在证据和观点之间建立科学的逻辑关系链”3个水平.

2.2 评价工具设计

在评价框架的基础上设计科学论证能力测试题.为了避免因未知知识对论证能力造成的影响，题目情境涉及到的知识应是被试学过的、熟悉的物理学科核心概念和重要内容.因此，依据《义务教育物理课程标准》和《普通高中物理课程标准(2017年版)》的学业要求，确定了以力与运动、磁现象、物态变化等作为问题情境的知识载体，设计了5个书面论证任务.由于篇幅限制，仅列举情境1具体的题目设计.

情境1：跳伞者从500 m高的飞机上跳下，下落125 m时将伞打开.表1为跳伞过程中距地高度与速度对照表：(重力加速度，g=10 m/s2)

表1 距地高度与速度对照表

小赵和小钱看到上述资料后，各自对跳伞的过程提出了自己的看法：

小赵说：跳伞的过程中，所受到合力的方向一直是向下的.

小钱说：跳伞者开伞后，一直有受到重力的影响.

1a. 依据上述资料，你认为小赵和小钱谁的说法是合理的？说明你同意他的观点的理由.并通过表格提供的数据详细分析跳伞者的运动情况，说明你将如何反驳你不同意的观点.

1b. 小孙说：“跳伞者是因为受到了力的作用才得以运动，如果没有力就不动了”.因此，小孙以此为证据，得出“力是维持物体运动的原因，即有力有运动，没力没运动”.你同意小孙的观点吗?若同意请说明理由，若不同意请通过列举实例详细说明你将如何反驳小孙.

随后，依据科学论证能力评价框架，设计了针对每道题目的评分标准.对于情境1-4的每个问题均分别从“概念复杂性”、“规则精确性”、“证据可靠性”和“推理有效性”4个维度进行评价.情境5以“CO2排放量与地球温度的关系”这一热点话题作为问题情境，由于社会科学议题更关注问题背后蕴含的伦理道德问题.因此，不对情境5中的问题进行“概念复杂性”维度评分.具体评分标准以题目1a为例进行说明，如表2所示.

表2 题目1a评分标准设计

续表

2.3 研究对象

为检验拟定评价工具的有效性，进行了两轮实测.第1轮实测，从山东省Z中学高一年级随机抽取一个班的学生作为测试对象，实测50人，收回有效问卷44份；第2轮实测263人，回收有效问卷250份，两轮实测样本信息如表3所示.Z中学生源丰富，学生群体之间存在着一定的差异，而且被试已学完测试题中所涉及的全部知识，可以作为本次测试的研究对象.

表3 两轮实测样本信息

3 研究结果

3.1 评价工具质量检验

在潜在特质理论基础之上建立的项目反应理论，克服经典测量理论中测试工具依赖和样本依赖，具有“参数分离”、“参数恒定”的特点.[13,14]个体能力值和题目难度值经Rasch模型共同转化为logit scale单位，这样就可以在同一单维度尺上进行比较.[13]在这种情况下，个体能力值和题目难度值的取值范围为负无穷到正无穷，有效避免经典分数极值是0或100的问题，能够更好地区分高、低水平被试之间表现的差异.考虑到Rasch模型具有上述优势，选择其作为本研究的数据分析模型，使用Winsteps软件检验数据.针对第1轮实测数据指标，对评价工具进行有针对性地修改，修改后再进行实测，直到各个指标均达理想值.本研究共进行两轮实测，数据结果如表4所示.

表4 科学论证能力两轮实测数据结果

可见，经过修改后的评价工具各个指标体现良好特征.意味着设计的科学论证能力评价工具可以用来测量、评价被试的科学论证能力.

3.2 科学论证能力表现分析

使用SPSS软件分析全体被试科学论证能力测试logit分，表5是被试得分描述性统计数据，图2是科学论证能力测试得分频率分布直方图.

表5 科学论证能力测试得分描述性统计

图2 科学论证能力测试logit分数分布直方图

由表5可知，被试的科学论证能力测试得分全距为9.33，标准差为1.29，被试科学论证能力水平分布广，差异显著；得分均值为1.08，均值标准误为0.08，测量数据具有较高的可信度.图2显示被试科学论证能力测试得分大致呈正态分布，说明大多数被试的科学论证能力处于中等水平.

为了解被试在科学论证能力不同维度上的表现，统计被试在各维度得分率情况，结果如表6所示.

表6 科学论证能力不同维度得分率描述性统计

不难发现，全体被试在“规则精确性”和“推理有效性”维度得分率相当，且高于“概念复杂性”和“证据可靠性”维度，“概念复杂性”维度得分率最低.意味着在科学论证能力测试中，被试对规则表述精确，且能够基于证据进行合理、有效的推理得到结论，但是并不能很好地联系多个概念，解决特定的物理问题.

3.3 科学论证能力与性别的关系

为了探讨不同性别被试科学论证能力的差异，对不同性别被试科学论证能力进行独立样本T检验，结果如表7所示.

表7 科学论证能力总分及各维度得分率的性别差异

表7可以看出，男生被试在科学论证能力4个维度的得分率均略高于女生.其中，“概念复杂性”和“规则精确性”这两个维度得分率的性别差异最为明显，“推理有效性”维度得分率的性别差异最小.对于科学论证能力测试得分，男生均值为1.0929，女生均值为1.0405.可见，男生比女生的科学论证能力稍高，但是差异微小.经检验，不同性别被试科学论证能力不存在显著性差异.

3.4 物理学业成就与科学论证能力相关分析

为了探讨科学论证能力及不同维度得分率与物理学业成就之间的关系，对数据进行二元变量相关性分析，具体结果如表8所示.其中，物理成绩数据采用的是被试在高一下学期期中考试的物理成绩，处于该阶段的被试已学完本研究所设计测试工具包含的所有知识.而且，期中考试是一次较大规模的规范性考试，具有一定代表性.

表8 科学论证能力及其各维度得分率与物理学业成就的相关性

从表8可以看出：全体、男生、女生被试在科学论证能力各维度与物理学业成就之间均呈现显著相关性.不同维度与物理学业成就的相关性，全体被试在“概念复杂性”维度相关性最高(r=0.598,p<0.01)，“证据可靠性”维度相关性最低(r=0.537,p<0.01)；男生被试在“概念复杂性”维度相关性最高(r=0.599,p<0.01)，“规则精确性”维度相关性最低(r=0.425,p<0.01)；女生被试在“推理有效性”维度相关性最高(r=0.618,p<0.01)，在“证据可靠性”维度相关性最低(r=0.555,p<0.01).

可见，科学论证能力4个维度均与物理学业成就显著相关，对于物理学业成就的影响，男生被试“概念复杂性”维度影响最大，女生被试“推理有效性”维度影响最大.总的来看，科学论证能力与物理学业成就呈现显著正相关(r=0.595,p<0.01)，被试科学论证能力越高，越可能获得更高的物理学业成就.女生被试科学论证能力与物理学业成就的相关性大于男生被试，说明科学论证能力对物理学业成就的影响因性别不同而不同.

为进一步考察科学论证能力对物理学业成就的预测情况，对数据进行一元线性回归分析，其中，将科学论证能力作为自变量，学业成就作为因变量.经分析得到一元回归系数为7.072(t=7.409,p<0.01)，测定系数为0.348.说明科学论证能力对物理学业成就具有显著的预测性，可以解释物理成绩变异的34.8%.

4 讨论

4.1 被试科学论证能力表现

以往针对初、高中生以及大学生开展科学论证能力的测评研究的相关文献指出：我国学生的科学论证能力普遍较弱.[3]本研究发现，科学论证能力处于中等水平的被试占到全体被试的大多数.其中，被试在“规则精确性”和“推理有效性”这两个维度表现较好，“概念复杂性”这一维度表现较差.说明被试在本次测试中，能够精确地表述将“证据”与“观点”联结的“规则”，“推理”严谨且有逻辑.但是，不能深入地挖掘题目情境背后蕴含的知识，致使在作答中不能很好地整合多个物理“概念”.这启发我们，在教学中，学生学习了某个新知识后，应及时地帮助其梳理相关知识之间的联系，辨析相近概念和相似概念，帮助学生形成完整的物理知识网络，从而加强在科学论证能力“概念复杂性”这一维度的表现.

4.2 科学论证能力的性别差异

关于性别对科学论证能力的影响，有研究者在物理学科背景下研究科学论证能力时发现初中生的科学论证能力与性别之间不存在相关性.[15]也有基于化学学科的科学论证能力实证研究发现中学生的科学论证能力存在着显著的性别差异，其中初中阶段女生的科学论证能力明显高于男生；高中阶段男生的科学论证能力明显高于女生.[4]本研究发现，高中阶段男生相较于女生，在科学论证能力各维度表现较好，在测试中得分也略高，但是不同性别被试科学论证能力并不存在统计学上的差异(t=0.312,p>0.05).造成研究结果差异的原因可能与选取的学科背景有关，也可能与选取的样本有关，科学论证能力是否与性别有关值得进一步探究.

4.3 物理学业成就与科学论证能力

大量研究证明科学论证能力与学业成就二者有显著的相关性.本研究发现：科学论证能力与物理学业成就之间存在着显著相关性(r=0.595,p<0.01)，女生被试科学论证能力与物理学业成就的相关性大于男生被试.科学论证能力各维度与物理学业成就均呈现显著相关性，其中“概念复杂性”维度与物理学业成就相关性最高，“证据可靠性”维度与物理学业成就相关性最低.这意味着如果学生在论证时能够调用复杂的物理知识，那么他在物理测试中同样会有较好的表现.同时，研究发现，科学论证能力能解释物理成绩变异的34.8%.虽然影响物理成绩的原因众多，科学论证能力对物理学业成就具有显著的预测性.总的来看，培养学生的科学论证能力可以有效提高物理成绩.对于科学论证能力的培养，可以在日常的教学中显化科学论证的结构要素.可以进行论证式教学，也可以通过向学生展示“图尔明论证框架”和“证据使用框架”，说明框架中每个结构要素的含义，介绍应用框架进行论证的方法和基于证据进行论证的重要性.在此基础上，学生才能更好地应用教师在教学中所使用的论证方式，有意识地培养科学论证能力.

5 结论

本研究结果显示：设计的科学论证能力评价工具信度、效度和区分度良好；实测结果和模型拟合良好，试题具有单维性特征，均考察的是科学论证能力；评分分档设置也较为合理，能够较好地区分被试在各试题上表现的差异.因此，本研究所设计的科学论证能力评价工具科学、有效.通过分析对高中生科学论证能力实证研究的结果，得到如下结论： (1) 大多高中生的科学论证能力处于中等水平，被试在“规则精确性”和“推理有效性”这两个维度表现较好，“概念复杂性”这一维度表现较差. (2) 不同性别被试科学论证能力不存在显著性差异(t=0.312,p>0.05).(3) 科学论证能力与物理学业成就之间存在着显著相关性 (r=0.595,p<0.01).不同性别被试的科学论证能力对学业成就的影响不同.科学论证能力能解释物理成绩变异的34.8%.