探究式教学：异化实施效应的外显与启示

贝伟浩　张金恒　黄都

【摘 要】本文对某高中二年级666名学生的化学探究素养进行调查，发现探究素养整体水平仅为及格、探究素养发展近乎停滞、探究思维和探究实践相互消解等问题，提出重建科学探究文化、整合科学探究学习课程资源、重构理科教学质量评价体系等建议。

【关键词】探究式教学 高二化学 探究素养 异化效应

【中图分类号】G  【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2021）22-0037-04

科学探究与创新意识是《普通高中化学课程标准（2017年版）》所界定化学学科核心素养五个维度中的过程性维度，素养结构的知识、观念和能力层面，只有通过开展科学探究才有可能真正实现。然而，从近年的普通高中化学学业水平考试和普通高考应答数据分析中发现：考生在结构良好的知识立意型试题上正确率较高，而在涉及原因解释、复杂推理、科学本质、方法创新等问题上的正确率却很低，即多数考生的复杂认知和高阶思维的化学素养尚未形成。

基于数据分析和实践反思，笔者认为造成上述问题的原因在于高中阶段的化学教学在科学探究这一过程性目标维度上落实不够。为此，笔者设计了调查问卷，以高二学生为调查对象，期望通过对高二学生的化学科学探究素养评估和科学探究过程的水平描述，探析高中化学科学探究式教学实施现状和存在问题，为化学学科核心素养教学实践提供参考。

一、调查方法

参考刘东方和王磊教授的《科学探究能力的构成要素—— 基于国外科学课程文件的分析》中关于国外科学课程文件中科学探究能力的构成要素，依托化学科学探究的经典题目，从猜想与假设能力、制订计划能力、选择探究方法能力、进行实验能力、反思与评价能力、探究态度和探究现状等7个方面进行设计，编制高二学生化学科学探究素养调查问卷，调查内容主要包括7个方面，共18题，其中第1题为对问卷填写者基本信息的采集。根据查测的不同内容，相应设置了4种题型：单选题、不定项选择题、排序填空题和填空题。此次调查对象为高二年级学生666名（男生300名，女生366名）。收回有效问卷666份，各题均采用计分的方式量化结果。

对调查数据的处理方法是：（1）通过描述性统计分析，了解高二年级科学探究素养整体水平;（2）采用主成分分析法，探析化学科学探究素养的主要构成维度;（3）使用聚类方法，对化学探究素养水平进行分层比较、水平划分;（4）采用方差分析方法，对探究素养主成分和层级分布进行多重比较。期待通过统计分析，生成有利于验证观点、解决问题的重要发现。

二、调查结果分析

（一）总体分析

1.高二学生探究素养整体偏低

为直观了解高二学生化学探究素养水平，笔者进行描述性统计分析（见表1）。从统计结果看，偏度（sk）都比1小，符合正态分布。化学探究素养整体得分43.2分（比率为61.7%），35～50分数相对集中。从统计指标平均分可以看出，制订计划能力5.2分，得分率仅为52%，为不及格水平;其他猜想与假设能力6.0分、探究方法能力6.3分、进行实验能力6.5分、反思与评价能力6.0分、探究态度6.3分、探究现状整体得分6.9分，得分仅为及格水平（各要素满分10分，满分70分）。

得分显示，学生制订计划能力偏低，猜想与假设能力和反思与评价能力欠缺。这说明学生在创新设计、质疑批判、观念建构、反省认知、本质洞察等高阶探究思维活动亲历较少，相应的探究素养维度表现水平并不乐观。

2.多数学生科學探究素养水平为及格层次

化学核心素养作为高中生发展核心素养的重要组成部分，每一个核心素养在学业质量水平要求上划分为四级水平。化学科学业水平质量更多是学科内容层面上的要求，还不是单一素养内涵的结构划分。本研究被试群体人数666人，样本不小，所反映的化学探究素养水平应有层次参差。如何划分被试学生整体化学探究素养的水平层次，尚未有文献提及。文献已有物理科的科学探究水平划分的研究，比如划分为四级等，但未提供划分依据和方法。受统计学聚类分析的启发，本研究尝试用聚类方式（K-Means法）研究化学探究素养，尝试进行化学科学探究素养的有效层级划分。本文用肘部法则判断合理聚类K值。在SPSS 25中选择因子分析—— 降维，变量为7项探究素养能力，选择旋转矩阵—— 碎石图（见图1）。

K值为3时畸变程度得到大幅改善，考虑选取K=3作为聚类数量，即将全体样本划分为3类较合理，亦即化学探究素养应当划分为三层水平。为了研究三类人群对应素养的情况，在SPSS 25中输出获得聚类中心（总得分）和人数情况（见表2）。

第一层次人群162人，占比24.3%，聚类中心为49.8（得分率为71.1%），该水平界定为中等水平;第二层次人群351人，占比52.7%，聚类中心为43.1（得分率为62%），该水平界定为及格水平;第三层次人群153人，占比23.0%，聚类中心为36.4（得分率为52%），该水平界定为不及格水平。

从水平划分看，学生的科学探究素养未发现有优秀、良好水平，总体水平偏低，而且及格水平的学生占50%左右。这表明从初三、高一到高二，化学教学的科学素养落地教育水平实效不佳，进步迟缓，多数学生停留于及格水平，学生个体间差异并不显著。这意味着，学生在日常考试中虽然能够答对一些复杂的探究题，考试总分看起来也不错，但是学生的科学探究素养并未达到良好的状态;学生答对科学探究题并不是通过科学探究素养真正落地的方式达成的，而是通过强化训练、机械训练、套答套作来获得高分。

（二）结构分析

1.化学科学探究素养构成维度及水平界定

第一，化学科学探究素养可分为探究实践和探究思维两个维度。为更方便描述化学探究素养，有必要把7项能力变量进行因子分析，提取主要维度进行描述。进行KMO和巴特利特检验，显示KMO取样适切性量数为0.676，说明该数据可做因子分析。在SPSS 25中输出成分得分系数矩阵（见表3）和旋转后空间中的组件图（见图2）。

得分系数中，根据相关度的紧密程度，将科学素养分为两个维度：维度一，制订计划能力（0.016）、选择探究方法能力（-0.017）、进行实验能力（0.1017），命名为探究实践;维度二，猜想与假设能力（0.323）、反思与评价能力（0.327）、探究态度（0.435），命名为探究思维。从各维度对探究素养整体得分的贡献度看，探究实践的贡献度最小，探究思维贡献度最大，两者差异显著。

第二，探究素养的两维度三水平结构模型。在划定化学探究素养为三层水平，并找到各层次划分点后，笔者尝试按层次描述化学探究素养。研究方法：各层均抽取30份答卷，三层次共抽取90份答卷，对90份答卷进行研究。抽取办法是围绕每一层的聚类中心抽取答卷，围绕聚类中心抽取样本研究，充分考虑了样本的代表性。依据普通高中化学课程标准与学业质量水平的要求，尝试以两维度三水平层次对化学探究素养进行描述，表4为化学科探究素养水平划分框架。

通过对两维度三水平的多重比较分析表明，各维度的构成因子之间均存在显著性差异，说明上述内容分析及等级划分是合理的。

2.被试三个层次类群的素养维度得分分析

对中等、及格、不及格三个层次被试的探究实践和探究思维进行得分统计（见表5）发现，中等水平学生的探究实践略高于探究思维，说明这个水平的学生，即使在未能经常亲历科学探究历程，但凭借其想象力、日常观察、理解力和其他未知途径的探究实践活动，其探究实践水平与探究思维水平得以协同提升，呈现实践引领思维的发展趋势。而及格、不及格学生群体的探究实践得分明显低于探究思维得分，说明对这类群体学生而言，探究实践并未能够转化为支撑探究思维发展的动力，或者探究思维的发展是脱离于探究实践而前行的。

为了进一步探索探究思维与探究实践之间的协同关系，笔者还需要进行两者的相关分析。

3.探究素养不同维度及其构成因子的相关分析

将探究思维与探究实践的各构成因子进行相关分析（见表6、表7），结果发现：两者总体呈负相关关系，其中，猜想与假设和探究实践、实验操作与探究思维相关不显著，探究态度、反思评价与探究实践显著负相关，数据处理、实验设计与探究思维显著负相关。

上述结果令人意外，与学习科学中的“知行合一，知行并进”的教育思想和教学预期相背而行。高二阶段的科学探究，应当体现在认知层面上基于实验现象和实验数据的证据推理与模型建构，在问题解决层面上的项目式学习。然而事实上，笔者真正实施的是脱离动手操作的认知建构和探究性问题解决。因此，可以推测，出现上述结果是笔者长期采取以解题为载体的科学探究素养教育模式的结果。

为了证明“实践与思维呈正相关”的推测，笔者进一步统计不同层次学生的探究实践与探究思维的相关程度（见表8），但统计结果并不支持笔者的推测。

上述统计结果表明，探究实践与探究思维总体上是显著相关的，但教师的教学处理却使两者发生显著负相关。其原因是探究实践的空无以及探究实践活动过程中思维参与的缺席。未来的教学中，不仅要进一步补足本应实施的探究实践，而且还要提升探究实践的思维参与水平。

4.化学探究素养两维度三水平性别比较

进行探究素养两维度性别间的比较，发现探究实践能力上男生（18.239）略高于女生（17.695），但没有显著性差异;探究思维上男生（18.015）和女生（18.489）存在显著性差异，女生得分稍高。女生在探究思维上优于男生，与日常观察基本相符。但与教育愿景可能相背离。

三、结论、讨论与建议

（一）结论

1.化学探究素养可划分为三层水平和两维度

用聚类法进行化学科学探究素养的划分，获得有效层级三层。化学探究素养整体得分比率61.7%，仅达合格水平，其中学生制订计划能力、猜想与假设能力和反思与评价能力尤其欠缺。多数学生属及格水平，个体差异不显著。

进行因子分析，化学探究素养可分为探究实践和探究思维。探究实践对探究素养整体得分的贡献度最小，探究思维贡献度最大，两者差异显著。

2.构建了探究素养的两维度三水平结构模型

建构了化学探究素养结构模型。围绕聚类中心抽取样本研究，进行探究实践和探究思维两维度各三水平的描述。探究实践包括实验设计（前设计、简单设计、复杂设计）、实验操作（操作导向、数据导向、目的导向）、数据处理（事实性结论、概念性结论、规律性结论），探究思维包括提出问题（边缘性问题、本质性问题、系统性问题）、提出假设（直觉假设、逻辑假设、理据假设）、结论解释（先验式推理、证据式推理、发现式推理）。具体见图3。

3.素养维度、性别得分相关性分析

总体而言，探究实践得分略低于探究思维，即探究实践的思维参与水平不高。探究实践能力上男生略高于女生，探究思维上女生得分显著高于男生。

（二）讨论

高中阶段的科学探究能力发展停滞不前，多数学生探究能力仅近乎及格水平。化学科学探究素养的培育，从初三开始启动，要求学生能通过实证活动来生成化学智识、观念和方法，这种教学方式要求学生亲历动手做实验，让学生的探究素养扎根于充满默会知识的实践土壤中逐阶发展。然而，很多初中教师认为“初中化学不用做实验”，很多高中老师则提到实验室被挪作他用、实验员缺乏、实验仪器不足等。学生的探究实践变成了解题实践，从纸得来到纸上应用，自然趋于浅薄、困惑，这导致学生的探究素养停滞不前，趋于群体平庸。

上一轮课改努力追求的科学探究式学习方式，在实际操作中异化效应得以显现。探究式学习的浪潮，发源于2003年启动的新课程改革，持续近15年，但这种教学方式仍未能得到有效实施，教师的科学探究之教育理念，仍然仅限于表演课、比赛课中使用。

（三）建议

第一，重建科学探究文化。学校要崇尚科学精神，宣传科学家先进事迹，倡导师生参与创新实践活动。这样，才能彻底反思“唯分数”“唯升学”教育行为，以“挖骨疗伤”之勇气，找准问题，忍痛祛除思想“毒瘤”，促进教育新发展。

第二，整合科学探究学习课程资源。学校要把经费投入实验室扩建、重建中，提升实验员或实验老师待遇和地位，吸引优秀教师从事实验教学工作;构建以科学探究为核心的研学课程体系，开发以研究性学习为核心内容的科学实践教学活动课程。

第三，重构理科教学质量评价体系。建立面向学科课程的教学和科研质量评估体系，建立理科课程教学首席专家团队，将学科管理重心转向学科课程教学。理科课堂教学的质量评价指标和文科课堂评价指标应有所区别，并把探究精神的培养设定为刚性指标。

总之，实施新一轮核心素养为本的教学改革，需要聚焦于学科教学的公平性和科学性，实施新颖、高效的教学方式，为实现立德树人和科技强国之目标而回归初心、重建态度、重构体系。

【参考文献】

[1]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]刘东方，王磊.科学探究能力的构成要素——基于国外科学课程文件的分析[J].化学教育，2012（9）.

[3]张昊旻，沈兰.物理学科核心素养中的“科学探究”水平研究[J].物理教学，2019（12）.

注：本文系2019年廣西教育科学规划课题“新高考背景下普通高中课程设置和教学改革的实践探索——以南宁市第三中学为例”（编号：2019A056）的研究成果。

【作者简介】贝伟浩（1972— ），男，广西昭平人，硕士研究生学历，高级教师，科研处主任，研究方向为中学教育教学及教育管理研究;黄 都，通讯作者，教育学博士，广西民族大学三级教授。

（责编 李 言）