高中生科学素养的培养被强化还是被弱化——基于北京市和山东省高考新政前后的调查

潘苏东，刘增泽，岳晓婷

(1. 华东师范大学 教师教育学院，上海 200062； 2. 上海师范大学 数理学院，上海 200234)

一、研究背景

2014年高考新政首先在上海市和浙江省试点，经过6年的运行，积累了许多经验，也遇到一些困难[1]。2017年第二批试点的四个省市——北京、天津、山东、海南开始实行高考新政，四省市都采用“3+6选3”取代“3+文综/理综”的选考方式，但是在选考科目的赋分上差别较大。比如，北京市的赋分采用浙江方案，每门成绩实际满分为60分，分为“五等21级”，每级相差3分[2]，与原始分数相差较大；山东的赋分方案有所突破，选考科目实际满分提高到80分，分为八个等级，又“创造性”地采用等比例转换法则和“一分一段”[3]，相对来说，比较接近原始分数。仅从赋分方案来看，北京市偏向于“激进的改革”，而山东省则偏向于“保守的改革”，在新高考改革省市中具有代表性。在高考新政前后，高中生的科学教育发生了什么样的变化？有哪些积极和消极变化？这些变化导致高中生科学素养的培养被强化还是被弱化？这些问题亟须探讨。

二、研究设计

1. 理论框架

根据中国科协第八次中国公民科学素养调查[4]、张红霞等对小学科学教师科学素养的调查研究等科学素养调查的理论框架[5]，结合我国2017年版高中物理、化学、生物课程标准，我们将科学素养确定为四个维度：科学知识、科学思维、科学探究和科学本质观。四个维度又由若干二级与三级指标构成，如科学思维的二级指标有科学推理、科学建模、科学论证等，使科学素养框架更加系统[6]。

2. 科学素养测试卷编制

由于科学本质观偏向于主观认知，通常难以通过李克特量表使用客观题目进行测试和定量分析，因此本研究没有对高中生科学本质观进行调查。我们借鉴2018年国家义务教育质量监测的做法[7]，采用纸笔测验的方式对高中生科学素养中的科学知识、科学思维和科学探究三个维度进行测试，来确定高中生的科学素养水平[6]。

我们参考国内外的科学素养测试题，编制了《高中生科学素养测试卷》(以下简称“测试卷”)，其中物理、化学、生物所占比例大致相同，涉及的科学知识不超过高一年级学生应掌握的内容。测试卷经过多次试测和修改，确定了30道题目。根据第一次正式测试后的检验，其信度为0.912，专家效度为0.908，信度和效度俱佳[6]。下面是一道仅涉及科学思维维度构建模型二级维度的样题：

【样题】为了判断出“在雨中跑淋雨少还是走淋雨少”，甲同学分析过程如下：

首先，对物理情境进行假设：在风的作用下，雨滴倾斜下落。设雨滴竖直下落的速度为u，雨滴朝向行人的分速度为w。行人在雨中相对于地面的速度为v。接着，为了解决这一问题，甲同学将行人抽象为质点。最后，当他将已有思路给李老师看后，老师指出其中一处根本性错误：行人不能看成质点。

(1)行人不能看成质点的原因；

(2)请画出适用于假设情景的行人的简化模型图。

3. 调查方法和对象

本调查采用非概率抽样，先从第二批试点的四个省市选择代表性强的山东省和北京市，再从山东省D市和北京市T区各选3所普通高中，一流、较好、一般三个层次的学校各一所(下文分别称其为A、B、C层次高中)①。然后从每所学校抽取3或4个班100名左右高二学生作为被试。每所样本校测试班级选择的规则为：2016级是按照高二年级文理科学生比例，选择3或4个平行班，使理科生和文科生的比例大致接近于该年级文理科生的比例；2017级由于选考不区分文理科班级，因此，抽取选考科目比较多样化的3或4个平行班作为样本。

本研究为纵向调查设计，测试分别在两年进行，跟踪这些样本校高考新政前后两级学生的科学素养状况。2018年6月对两省市6所样本校的高二学生(即2016级高中生，参加老高考的最后一批)进行测试，其中山东297人，北京288人，共计585人。2019年6月又对这6所样本校的高二学生(即2017级高中生，参加新高考的第一批)进行测试，其中山东332人，北京366人，共计698人。进行两次的测试工具都是编制的“测试卷”，采用闭卷形式、纸笔测试，时长60分钟左右，由任课教师或者班主任监考，结束后当堂收卷。

与此同时，为了深入了解高考新政对高中生科学素养的影响，本研究又在每个样本校每级抽取约10名学生与3名科学科目教师进行半结构访谈，共访谈高中生122名、教师35名。

4. 数据收集与处理

本研究共发放1 283份测试卷，回收1 283份，剔除35份废卷，有效卷为1 248份，有效回收率为97.27%；共收集高中生有效访谈录音118份，教师有效访谈录音31份；采用SPSS软件对测试数据进行定量分析。

本研究使用安哥夫法对三个维度进行打分，经过多轮多次邀请10名专家(包括高校科学教育专家、中学名师、博士生)对测试卷每个题目的知识、思维、探究三个维度进行打分，将三个维度的占比转变为权值，对所有题目进行各维度权值的计算，最终求和获得三个维度的得分。我们设定整套测试卷中科学知识、科学思维和科学探究三个维度的满分均为100分，总分为300分。

三、调查结果与分析

1. 高考新政前后两省市高中生科学素养的总体变化

根据数据可知，在总分300分的科学素养测试卷中，参加老高考的2016级北京市和山东省全体被试平均分为189.11分；科学素养三个维度上，知识维度为73.94分、思维维度为58.25分、探究维度为56.92分，知识维度均分高于思维维度、思维维度均分又高于探究维度。高考新政后，参加新高考的2017级全体被试平均分为179.45分；知识、思维、探究各维度得分分别为69.15分、54.59分、55.71分，知识维度均分高于探究维度、探究维度均分又高于思维维度。两省市高考新政前后科学素养及各维度平均分情况，详见表1。

高考新政前后相比，2017级比2016级高中生科学素养均分下降5.11%，p<0.001，具有显著性差异。他们的知识维度均分下降6.48%，思维维度均分下降6.28%，探究维度下降2.13%，三个维度均存在显著性差异。根据数据可知，高考新政后知识、思维和探究三个维度得分均下降，探究维度变化幅度较小，而知识维度和思维维度下降明显，思维由过去三个维度中的得分第二变成得分最低。

若将两省市分开来看，高考新政后北京和山东高中生科学素养得分均下降，且有显著性差异。对比两省市高中生科学素养的降幅，北京样本科学素养均分的降幅比山东的更大。经过独立样本t检验，高考新政前后两级学生分数具有显著性差异，科学素养发生了明显变化，具体数据见表1。

表1 北京市和山东省高考新政前后高中生的科学素养三个维度平均分情况

两省市新老高考方案对科学科目要求差别较大，新老高考方案差异对高中生科学素养的培养产生了不同影响。老高考采用“3+理综/文综”方式，理科生选考理综，满分300分；而新高考方案下，即便是物理、化学和生物三门都选(实际比例1/6左右)，有效满分总和降为180或者240分。在现阶段的高中教学中，某一高考科目的满分值、区分度一定程度上决定了该科目的地位、被师生重视的程度等。通过对样本校师生访谈发现，教师和学生们普遍认为高考新政实施后，语数英三门必考科目重要性更加凸显，科目地位显著提升，而作为选考科目的科学科目高考满分值下降较多，导致科学科目相对老高考而言对于整体分数的影响力降低，科目地位有所降低。虽然科学科目教学课时数与过去相比变化不大，但是等级赋分可能会导致科目的区分度下降，学生投入的学习时间和精力也相应地减少[8]。新政前，理科班学生除了完成教师布置的作业外，还主动找一些课外习题进行训练；新政后，许多选考科学科目的学生只是完成教师布置的作业，不再多花时间和精力于这些科目。

我们在进一步调查中发现，科学科目重视程度下降的现象在较好和一般层次学校最为明显。对于选考科学科目的高中生来说，学生对科学科目重视程度降低，课外学习时间也相应缩水，训练强度变低，导致知识基础变弱和学习能力训练水平降低。对于非选考科学科目的学生来说，教师不仅知识教得少，而且不重视对科学思维的训练，学生课外投入的学习精力则更少。因此，高中生科学素养水平，尤其是科学思维水平下降几乎是必然的。

虽然我国在科学课程中一直倡导科学探究，在课程标准中明确了科学探究内容，但是在日常教学和考试评价中却都不太重视科学探究。不多的探究活动时常流于形式。高考新政前是如此，新政后亦是如此。所以，新政前后高中生科学探究得分下降并不多。

山东高中生科学素养的降幅比北京的略小，主要是因为与北京市偏“激进”的赋分方案相比，山东的赋分方案相对更接近于老高考：实际满分值较高、“一分一段”使成绩的区分度大，学校和学生愿意投入比北京更多的时间和精力。山东是人口大省、高考大省，相对于北京而言教育资源不够丰富、就业渠道不够通畅，学生的选择余地较小，准备报考理工科专业的比例较高，选择偏理组合的比例较高。北京市教育资源比较丰富、就业渠道比较通畅，学生的选择余地较大，准备报考理工科专业的比例相对山东省要低一些。这些因素的共同作用，导致两省市得分下降幅度有所差异。

2. 高考新政前后两省市各层次高中生科学素养的变化

高考新政后，两省市6校科学素养得分均低于新政前，且A层次学校学生得分下降程度低于B层次学校，B层次学校学生得分下降程度低于C层次学校(详见表2)。这说明高考新政对一般学校影响最大，较好学校其次，一流学校影响最小。

这是由两方面原因造成的：一是生源差异。一流学校生源较好，学生自主性强，学习相对自觉主动，受高考改革不利因素影响较小。而一般层次学校生源质量一般，学生自主学习能力较差，动机不强，易受改革不利因素影响。二是学校管理水平和教学资源的差异。一流学校教育教学管理水平较高，应对新高考举措相对来说比较及时、有效，有相对充足的教学资源来应对新的变化，使其受选课、走班等因素影响较小；而一般学校教育教学管理水平不高，应对新高考举措不够及时、有效，缺少充足的教学资源来应对新变化，因此受到选课、走班等因素影响较大。这就导致一般层次高中的学生科学素养得分下降更严重。

表2 北京市和山东省6所学校高考新政前后高中生科学素养的变化情况

3. 高考新政前后两省市男女生科学素养差异的变化

高考新政前，两省市2016级男生科学素养平均得分为200.13分，女生科学素养平均得分为180.03分，女生分数比男生的低10.04%。独立样本t检验显示，男女生成绩有显著性差异(p<0.001<0.05)。高考新政后，2017级男生科学素养平均得分为181.89分，女生为175.33分，女生分数比男生低3.61%。独立样本t检验显示，男女生成绩无显著性差异(p=0.191>0.05)(详见表3)。

在高考新政后，2017级男生比2016级男生均分降低9.11%，独立样本t检验具有显著性差异(p<0.001<0.05)。2017级女生比2016级女生均分降低2.61%，独立样本t检验也具有显著性差异(p=0.002<0.05)(详见表3)。

表3 2016级与2017级男女生科学素养平均得分的描述性统计

通过数据分析可以发现，与新政前相比，新政后男女生科学素养都发生下降。但高考新政对男生影响较大，对女生影响略小。另外，由表3中的标准差可以看出，2017级科学素养得分分布的离散程度低于2016级，男女生得分的离散程度都下降了。这说明高考新政后成绩分布略趋于集中，这一现象恰好与高考新政后选考科目的区分度下降相一致。

对比高考新政前后男女生样本选考文科科目、科学科目的比例可以发现：2016级两省市样本校男生选考理综占比高达83.92%，“偏科”比较严重；女生选考理综的占59.68%，文理科相对均衡一些。高考新政后，选考科目组合多达20种，我们姑且将选考两门及以上科学科目看作是偏理组合、把选考一门及以下科学科目看作是偏文组合。2017级男生选考偏理组合的占比为72.70%，明显降低；女生选考偏理组合的比例为61.34%，有所提高(详见表4)。这说明高考新政后男女生文理界限不再像过去那样“泾渭分明”，而是趋于文理科混选。

表4 2016级与2017级男女生考试组合人数分布情况

与高考新政前相比，新政后男女生科学素养得分差距变小，主要归因于2017级男生选择偏理组合比例下降、女生选择偏理组合比例上升的缘故。

4. 高考新政前后两省市高中生选考不同数量科学科目对科学素养的影响

高考新政前，选考理综学生科学素养得分显著地高于选考文综的学生。高考新政后，按照选考科学科目数来对科学素养排序，从低到高依次为：三门均未选、选考一门、选考两门、三门都选考。将新政前后合在一起来对科学素养排序可以看到，三门均未选最低，文综其次，再次是选考一门，接下来选考两门，后面是理综，最高是三门都选(详见表5)。

表5 选考不同数量科学科目学生的科学素养得分情况

数据显示，上述各选考组合之间科学素养的差距各不相同。2016级文综的得分比2017级三门均未选组合的得分高3.95%，具有显著性差异(p=0.010<0.05)；2017级选考一门得分比2016级文综得分高出5.39%，但无显著性差异(p=0.557>0.05)，而与2017级三门都未选差距为9.55%，差异较大；选考两门与选考一门相比，得分高出25.44%，差距很大，具有显著性差异(p<0.001<0.05)，因此我们将这两种组合作为偏文、偏理的分界线是合理的。2016级理综比选考两门高出12.49%，具有显著性差异(p<0.001<0.05)；2017级三门都选比2016级理综高出7.35%,无显著性差异(p=0.888>0.05)，与2017级选考两门相比，要高出20.76%，差距也很大。

高考新政前，选择文综的同学参加的物理、化学、生物会考的成绩分为A、B、C、D四个等级，会影响到学生参与高校自主招生等。相当比例的文科生比较看重科学科目的学习，且要学习到高二年级结束。而高考新政后，非选考科学科目的同学仅学习一年相关科目，参加这些科目的合格考。成绩分为及格、不及格两档，及格率极高。而且合格考成绩在高校招生中不起作用。相当比例的未选考学生不重视它们的学习。这就导致三门科学科目都未选的高中生科学素养显著性地低于新政前的文科生。即便是选考一门科学科目的高中生科学素养也未必比高考新政前的文科生高出多少。

高考新政前，各层次高中选考理综的高中生比例都较高，选考理综的高中生在各层次学校的分布比较均衡。高考新政后，多数三门都选的学生对科学科目有较浓学习兴趣、基础较扎实、学习能力较强，且主要集中在A和B层次学校，在C层次学校较少。正是由于这种偏态分布，导致在2017级整体科学素养降低的情况下，三门都选的学生科学素养还能够高于2016级理综学生。

2017级选考一门科学科目的学生中，相当比例的是为了增加未来报考大学时有更多的报考机会或者为了获取更高的赋分，而不一定是出于兴趣爱好或者职业规划。他们该科目的学习能力一般，因此科学素养比新政前的文综考生提高不明显。与选考一门相比，2017级选择两门科学科目的学生中，相当比例的是对科学科目有一定或者较浓兴趣者，在科学知识、科学思维、科学探究等维度上投入的精力和学习时间也相对较多，故而他们的科学素养显著地高于选考一门科学科目的学生。

四、研究结论

通过以上调查结果与分析，我们可以得出如下结论：

第一，与新政前相比，高考新政后北京市和山东省高中生科学素养及科学知识、科学思维和科学探究三个维度得分均显著性下降，且科学知识和科学思维下降更明显，原因是两省市新老高考方案对科学科目要求差别较大，制约了科学素养的培养。两省市不同层次学校中，一般高中的高中生科学素养降幅最大，一流高中的高中生降幅较小，此系不同层次学校教学管理水平及学生学习主动性差异造成的。

第二，高考新政给高中生科学素养培养带来了文理“泾渭分明”的界限被打破、男女科学素养差距显著性缩小、高中科学教育上的性别更平衡等积极变化，此系新政给高中生带来了更多的选择机会，男女生选考偏文组合与偏理组合比例的差距缩小所致。但高考新政给高中生科学素养培养带来的消极变化多于积极变化，男女生科学素养差距缩小，是男女生科学素养均降低且男生比女生降低幅度更大所造成的，并非女生科学素养的提高所致，所以高中科学教育上性别平衡的积极变化所付出的代价是整体高中生科学素养的降低；文理“泾渭分明”的界限被打破所付出的代价是一定比例学生选考科学科目不是出于兴趣爱好或职业规划，而是为了采取“功利化选科”策略。

第三，高考新政后两省市第一批2017级高中生受到老高考“惯性”的影响较大，还没有充分地进行各种“博弈”，新政带来的负面效应未能充分显现。随着他们的选考考卷和成绩公布，2019级及以后高中生的“选科博弈”将加剧，科学科目选科萎缩现象会再现，上海市和浙江省遇到的困境或许会重现[6]，对两省市高中生科学素养培养造成的不利影响有可能进一步加深。

五、政策建议

第一，建立物理和化学科目的保障机制。借鉴上海市和浙江省建立物理科目保障机制的做法，其他省市应建立起物理、化学等容易被弃考科目的保障机制。保障数量可以按高校理学、工学、农学和医学等大类中与高中物理、化学密切相关专业近五年在该省市高考录取考生的平均人数确定。一旦某届选考该科目的考生人数少于保障数量，就启动该科目的保障机制，来保护选考物理、化学学生的“利益”不受到损害。

第二，提高选考学科与高校专业间的匹配度。高考新政下，选考组合向多元化发展，但也存在“策略性选考”导致“陪衬”式科目出现的现象。如，上海市的地理、浙江省的技术，它们的选考人数远远超出高校相关专业招生所需数量，供大于求，必然会使它们仅仅被当作高考取得高分的工具，与未来所选专业无关。甚至部分有意愿未来报考此类科目对应专业的学生，由于其他科目不占优势，而无法被相关专业录取，从而造成未来报非所愿、学非所用的局面。这种现象的发展又会进一步导致选考组合的固化。

因此，笔者建议，通过政策引导，高校不仅要求与物理相关的专业指定选考物理，而且对其他理工科专业也提出相应的指定选考要求，并进一步细化和完善报考专业的选考限制。高校应进一步明确大部分专业所需报考科目，以减少或者消除不限定选考科目的专业数，提升选考科目与高校专业之间所需人才的匹配性[9]。另外，不同层次高校对不同类专业可以有不同的限选要求，但层次较低高校一定要避免提出过于宽松的限选要求，致使高中选考科目与大学就读专业匹配度低而导致教学质量大幅度下滑。

第三，合格考分等第并计入高考总分。从上面的调查结果中可知，高考新政后三门科学科目均未选的高中生科学素养显著性地低于新政前的文科生，明显地拉低全体高中生的科学素养水平。因此，提高未选考科学科目高中生的科学素养就成了高考新政后的一项基础性工作。为此，笔者建议参照江苏省2008年普通高考方案，将合格考成绩折算后纳入高考成绩。例如，所有未选考某科目考生的合格考成绩按照正态分布分为A、B、C、D四个等级，A等级加3分，B等级加2分，C等级加1分，D等级不加分，等级分数直接纳入高考总分；而选考该科目高中生的合格考不参与等级划分，成绩只分合格与不合格两档。这将能够激励未选考或者未全选科学科目的高中生加强对科学科目的重视，引导他们投入一定的时间与精力到科学科目的学习，确保他们的科学素养不低于新政前文科生的水平。

第四，增加选考科目赋分的区分度和科学性。高考新政前，虽然选择文、理科的学生比例不均衡，文、理综试卷不具有可比性，但是高考录取时，各省市文、理科单独划线，分开报考与录取，保障了学生成绩的公平性、排名的科学性、报考的对口性。高考新政注重学生的选择性，使文理两种组合增加到现今20余种组合，但并未对各组合内部排序、单独划线录取，而是武断地将各科目的等级赋分(实际上各科目的等级分并不等值)直接相加后计入高考总分。这种做法既忽略不同科目学习难度和投入精力的差别，又无视选考不同科目高中生群体的差异性。例如，物理和化学具有抽象概念占比高、不易理解，知识前后关联度较高、一旦掉队难以追赶，数学运用较多、学习难度大等特点[10]，导致对它们的学习强度高，需要学生付出更多的学习精力。

因此，高考应增加选考科目赋分区分度和科学性：一是，增强等级分数的区分度，使选考科学科目的同学愿意投入更多的学习精力。可以参照山东方案，细化等级及分差，增加区分度。二是，不同科目赋分时乘以不同的科目系数以增加科学性。比如，物理和化学这样学习难度大、投入产出比低的科目使用大于1的科目系数，某些学习投入产出比高的科目使用小于1的科目系数，以减少各科目分数不等值性带来的不利影响。

注释：

① 山东省和北京市的一流、较好、一般三个层次普通高中分别对应于老牌省重点(或市重点)高中、老牌市重点(或区重点)高中、非重点高中。本研究再根据高中排名、学校生源质量、方便测试等因素，尽量在山东省和北京市找相对排位类似的高中作为样本校。