幼儿科学思维发展评估*

彭杜宏，田丽丽，张 迅

(苏州科技大学 教育学院，江苏 苏州 215009)

科学的核心在于探究，科学教育的核心在于科学思维(Scientific Thinking)。科学思维是一种建立在事实和逻辑基础上的理性的思维方式[1]，是一个循环和累积的目的性知识寻求过程[2-3]。科学思维是儿童认知发展的一个核心特征[4]，是儿童领域知识获得的重要机制[5]。与科学过程相关的一些技能早在婴儿期便开始出现，如儿童用他们的感觉器官和提出各种问题来探索他们周围的世界。[6]启蒙儿童一些基本科学思维能力既是顺应儿童发展的需要，又是适应21世纪人才发展的需要。由此，国际上一些有关儿童早期学习与发展标准的文件，如美国开端计划和威斯康星等州的儿童早期学习标准，都将科学领域的学习与发展目标界定为“科学思维”。[7]国内专家也提出，科学教育的目标之一就是启蒙孩子的科学思维、教儿童科学地思考。[8]然而，目前我国幼儿园在如何开展科学教育方面仍存在一些问题。例如：过多关注科学知识掌握而忽略幼儿简单问题解决能力的培养[9]；看似热闹的教学却不能体现科学教育的探究本质，缺少“科学思维”这一灵魂[1]；将探究混为“动手操作”，为探究而探究的现象屡见不鲜[10]；让儿童穿梭在各种活动和材料中而较少引发深度思考[11]；等等。鉴于当前国内较缺乏着眼幼儿科学思维发展测评的实证探索，笔者拟对国外聚焦幼儿科学思维发展测评的研究进行全面梳理，引进与提炼相应的观测与评估方法，为我国幼儿园儿童科学思维的发展评估提供支持，为有效了解幼儿科学思维发展特点、个性化支持幼儿科学思维发展提供保障，也为幼儿园科学教育活动设计的优化、幼儿园科学教育政策决策提供借鉴。

一、幼儿科学思维的本质与内涵

科学思维通常被认为是一种有目的的知识寻求，包括提问、检验假设、进行观察、识别模式、做出推论[12]；成熟的科学思维本质上是通过有意控制的方式使理论与证据协调的[13]。克拉赫(Klahr)指出，科学推理包含三个核心成分：提出假设、实验和证据评估。[14]之后，库恩(Kuhn)等进一步明确提出成熟的科学思维有三个不可或缺的重要基础：实验能力，如厘清多种因果关系对结果影响的策略能力；论证能力，即理论与证据协调的能力；对科学本质的认识论理解。[15]

那么，年幼儿童的科学思维由哪些成分构成？有学者指出，儿童的科学思维能力包含了基于理论、数据以及对过程的反思而提出、检验与评价假设的系列能力。[16]从心理学领域考察儿童科学思维的研究主要聚焦于形成假设、设计与执行实验、观察、评价证据。[17]例如：朱厄特(Jewett)等着重从变量控制策略(Control of Variables Strategy,简称CVS，即设计非混淆实验的能力)考察儿童的实验能力[18]；科尔伯(Koerber)等主要从实验、数据解释(或证据评估)、对科学本质的理解等方面考察了儿童的科学思维。[19]这些研究中的“儿童”多为年龄长于幼儿的儿童，新近一些指向幼儿园儿童科学思维的研究可提供更为针对性的信息。例如：格拉夫(Graaf)等从实验、证据评估、领域知识三个维度对幼儿的科学思维进行了考察[5]；科尔伯等从实验、数据解释/证据评估、对科学本质的理解三个维度对幼儿科学思维进行了考察[4]。在上述跨度十余年的相关研究中，学者们对于通过形成假设、检验假设、实验(如变量控制策略等)、证据评估/数据解释、对科学本质的理解、科学领域知识等来测评儿童科学思维形成一定的共识。这些过程性能力也是幼儿科学思维的本质表现，为我们认识幼儿科学思维的发展表现、测量与评估幼儿科学思维的具体内容提供了直接参考。

二、幼儿科学思维发展的评估方法

思维的发展具有抽象性、隐蔽性等特点。因此，对个体科学思维进行准确与动态的测评无论对研究者还是教育者都有挑战性。[20]对学龄前幼儿的科学思维评估更是如此。基于此，笔者着重对国外面向幼儿科学思维发展研究中的测评方法与技术进行梳理提炼。

(一)基于动手操作实验的动态评估

该方法取向是让幼儿自己动手操作来设计实验进行假设-检验和变量控制，是基于动手操作的评估(Hands-on Assessment)，由此考察幼儿的科学思维能力。例如，格拉夫等运用两个斜坡来考察幼儿对变量控制的理解(实验能力)。[21]评估使用两个木制斜坡，斜坡包括坡道、坡道下的平坦区域(表面有标记距离的线条)。实验主试先让幼儿观察斜坡上的起点门打开后球会怎样滚下去；然后让幼儿自己打开门来观察球会滚下去多远(通过数平坦区域的线条格可以看到球滚了多远)；接着告诉幼儿，这两个坡道很特别，可以用不同的方式来改变，并考察做了某个改变后球可以滚多远。用来考察幼儿变量控制策略的变量共有四类:(1)斜坡的陡度(陡/不陡)；(2)球在斜坡上的起始点(高/低)；(3)斜坡表面(粗糙/光滑)；(4)球的质量(重/轻)。动态评估的过程体现在：幼儿先从一类变量(水平1)设计实验，然后可以逐渐增加变量(最多四类变量)。每一水平设计4个实验，每个实验考察不同的变量。水平1设计4个实验，每个实验考察一类变量，如实验1考察其他条件一致的情况下球在光滑还是粗糙的坡面上滚得更远，实验2考察球在起点高的位置还是起点低的位置放下时滚得更远，依此类推；水平2同时设计两类变量，如坡度和坡面；水平3设计三类变量，如坡度、坡面和起始点；水平4设计四类变量。评估共设计16个实验，涉及40个变量。测试提供两次机会，幼儿只有在第一次尝试不正确的情况下才能进行第二次尝试；同时，幼儿只有至少正确设计了上一个水平中的一个实验，才允许进入下一水平的实验设计，否则停止测试。对幼儿实验能力的评估是基于幼儿正确设计实验的总数和正确设置变量的总数，即幼儿可获得实验正确得分和变量正确得分。实验得分即设计正确实验的个数，最高16分，无论是第一次还是第二次尝试，每个正确设计得1分，不正确得0分。变量得分即所有实验中正确设计变量的个数，最高40分，每正确设计一个变量得1分，不正确得0分。

此外，设置影子任务、闪烁探测器任务(the Blicket Detector Paradigm)等也是基于动手操作实验的动态评估。设置影子任务包含物体的大小、物体与光源的距离两个变量；如果要设计一个非混淆的实验，就需要控制其中的一个变量，由此探测幼儿对变量控制的理解。闪烁探测器任务是一台可以发光和播放音乐的机器，只有在上面放某种特定物品时才会发光和播放音乐，它也被一些学者用来考察幼儿的假设-检验水平。[22-23]

该评估取向的突出特点体现在：(1)自主动手操作的真实验；(2)聚焦控制变量的实验能力评估；(3)水平递进的动态评估。基于动手操作的评估让我们能观测到幼儿如何观察情境、如何运用材料、如何控制变量等，由此可以直观地看到幼儿解决问题的过程、方法与水平。相对于用问卷(要求回答有关实验设计的问题)来考察儿童对CVS的理解，该方法具有更直观、更有趣、更不受语言表达能力限制等优势。我国《3—6岁儿童学习与发展指南》提出“引导幼儿通过观察、比较、操作、实验等方法，学习发现问题、分析问题和解决问题”，基于动手操作实验的动态评估方法与该指南的理念不谋而合，其动手操作、观察比较、实验设计与调整尝试等完全符合幼儿阶段的认知特点与学习规律。同时，这一评估方法存在很大的问题空间和水平层级，是一个可以引发深度思考、深度学习的问题情境与评估任务。例如，实验的自变量可以不断增加，实验设计可以不断变得复杂，任务可以实现递进式探测与评估。整个过程幼儿有很大的自主性，可以由幼儿当前的操作水平来决定进退。因此，该评估方法能有效实现动态的、个性化的测评，挖掘幼儿的科学思维潜力。

(二)基于故事情境的递进性访谈评估

该方法取向是先设置故事情境，在此情境下连续设置几个问题(结合图片呈现)询问幼儿，然后根据幼儿的回答情况来评估其科学思维能力。以口香糖任务为例，该任务是通过幼儿的回答表现来测评幼儿的证据评估能力或数据解释能力，即幼儿如何评估各类证据(如确凿性证据、部分证据、不确定性证据)、如何理解各类证据。[24-25]具体操作程序为：首先，一堆印着小朋友的卡片显示着小朋友的牙齿或好或坏，每张卡片印有一个手里拿着或红色或绿色口香糖的小朋友；告诉幼儿，有一只小白兔名叫莱昂，它认为绿色的口香糖会导致牙齿不好，之后就莱昂的这一“信念”对幼儿提问，即莱昂认为咀嚼哪种颜色的口香糖会导致牙齿不好？当幼儿没有回答“绿色”时，给幼儿解释莱昂的“信念”三次，如果幼儿仍没有正确回答问题，就停止测试。其次，给幼儿出示卡片，呈现确凿证据卡片，即所有卡片都指向是红色而不是绿色口香糖会导致坏牙，向幼儿提问：“你认为当莱昂仔细看过这些卡片后，他此刻相信什么？莱昂会认为哪种颜色的口香糖导致坏牙齿？”最后，让幼儿回顾一下莱昂最初的想法。测试共8个问题，如果幼儿在回答上述3个问题时错了一个或两个，那么测试就停止；如果答对，就继续问幼儿5个问题，其中，3个问题是关于部分证据的，即大部分卡片指向同一个结论(如20张卡片中有16张指向同一个结论)，1个问题是关于确凿证据的，还有1个问题是关于不确定证据的，即不能作出结论的证据(如4张卡片指向一个结论，另4张卡片指向另一个结论)，这5个问题交替出现，每个问题回答正确得1分。在考察幼儿数据解释能力(证据评估能力)时，科尔伯等也通过提问性访谈来考察[4]，另有学者采取非结构化的深度访谈考察学习者的科学思维[26]。

该评估取向的突出特点体现在：(1)以某个特定故事情境展开，并以图片方式呈现问题情境；(2)所设计的问题均围绕该故事情境，聚焦评估幼儿科学思维某一维度的表现(如证据评估能力或数据解释能力)；(3)以提问-回答的方式进行评估。该测评方法以简要的故事情境导入，借助图片展现故事中的人物与具体表现，围绕故事情境一步步询问幼儿的意见/反馈，继而集中考察幼儿科学思维某个方面的表现。这样的情境导入与测评程序既符合幼儿具体形象认知的发展特点，也能吸引幼儿的兴趣与注意。

(三)基于多个独立问题的选择性评估

该方法取向是对幼儿提出多个简短的独立问题后，提供多个(一般3个)以图片方式呈现的选项，让幼儿从中选出一个他/她认为正确的，据此评估幼儿科学思维多个方面的表现。以科尔伯等的研究为例，问题1：如果红红想知道明明是否擅长拼图，那么她需要做什么呢？给幼儿提供三个选项：一是让明明把他喜欢的拼图拼起来；二是让明明把只含几块图片的拼图拼起来；三是让明明把含许多图片的拼图拼起来(正确选项)。这个任务需要幼儿能区分检测条件(如给受测者许多拼图图片由此考察他是否擅长拼图)与效果产生条件(如给受测者很少的拼图图片由此可以看到他能很快地拼好)。如果幼儿运用了科学思维，他们就能正确区分，由此考察幼儿对结论性实验的理解程度(如理解产生效应与检验假设的区别)。问题2:如果红红想检测植物是在冷水中还是在温水中生长得更好，那么她需要进行哪种实验？给幼儿提供三个选项：一是给一棵棕榈树浇温水，给另一棵棕榈树浇冷水(正确选项)；二是给一棵棕榈树浇温水，给一棵雪花莲浇冷水(缺乏实验控制)；三是给一棵玫瑰树浇温水，给另一棵雪花莲浇温水(隔离了错误变量)。由此考察他们能否在多种变量中找出某个变量的效果，或是否能应用变量控制策略，如知道分离变量、控制变量的原则(幼儿对CVS的掌握情况)。问题3:这儿有三个小朋友，他们哪一个是在做科学研究呢？呈现三个图片选项：一是红红在思考为什么黄色与蓝色颜料混合会变成绿色(正确选项)；二是明明看他的爸爸把不同颜色的颜料混合起来；三是丁丁帮他爸爸给墙壁刷上颜料。由此考察幼儿对科学本质的理解，如能否区分科学是思考为什么还是帮助他人，或幼儿是否理解科学家们努力提出关于世界现象的解释(而不是简单地收集关于世界状况的事实)，以及科学家以系统的方式描述世界以产生系统的证据。[4]另外，格拉夫等在考察幼儿特定领域知识(如植物与生长、漂浮与下沉、太阳与影子、纸飞机)时设计了40个问题，都是先提出简短问题，然后以图片形式呈现三个答案选项，让幼儿从中进行选择，每选对一个题得1分，由此评估幼儿的领域知识掌握情况。[5]

该评估取向的突出特点体现在：(1)以某个假设情境提出问题或以图片方式呈现选项；(2)问题之间相互独立，如要评估幼儿科学思维不同方面的表现可设计不同的独立问题；(3)以幼儿在多个选项(均以图片方式呈现)中做出的选择情况进行评估。该方法可以设计多个独立问题，不同问题涉及幼儿科学思维的不同方面，由此实现对幼儿科学思维多个方面的考察。

综上所述，这些评估方法以幼儿感兴趣的方式和符合幼儿认知发展特点的形式展开，具有良好的年龄适宜性(如动手操作、故事情境、图片呈现问题与选项等)；评估的终极目标具有一致性，即都是对幼儿科学思维能力的评估，探测的都是科学思维本质以及指向综合的科学思维能力(如实验能力、证据评估能力等)；测评都需要采用一对一的方式。当然，不同评估方法各有特点，包括评估的具体维度和内容范围、评估的操作程序、任务的难度大小、具体适宜的年龄段等等。比如，基于动手操作实验的动态评估，该取向抓取了科学思维的关键与重点——实验，通过设置变量或控制变量的真实实验来考察幼儿的科学思维，这无论是对于准备材料的实验者还是对于接受测评的幼儿都具有一定的挑战。相比之下，另外两种取向的评估是从其他构成要素或维度来考察科学思维的，其每一个测评过程相对独立、清晰和简单。相比于动手操作的实验评估，后两者在测评任务准备和实际测评时间上显得更为经济。当然，研究或实践中根据特定目标可以选用不同的评估取向与测量任务，或者综合使用多种方法。

三、结 语

当今时代，大国之间尖端科技竞争日益激烈，科学创新人才培养十分迫切。高素质创新大军的建立与科技原创能力的涌现都离不开全民科学素养的普遍提高。2021年国务院印发《全民科学素养行动规划纲要(2021—2035年)》，正是为日后拔尖科技创新人才涌现夯实群众基础。激发每一个儿童的科学探究热情，培养每一个儿童的科学思维能力，形成重视科学的教育环境与文化氛围，具有深远的社会价值和现实意义。尤其是在当前我国幼儿园科学教育实践极少触及儿童科学思维的现实背景下，笔者所归纳的幼儿科学思维发展评估方法可为我国幼儿园儿童科学思维的观察测评打开一扇窗。具体的启发与借鉴包括：

(1)科学思维在幼儿期已开始萌芽，幼儿园科学教育需启蒙儿童的科学思维、满足儿童的认知发展需求。

(2)幼儿的科学思维不仅包括观察、比较、分类、测量、交流等基本的科学思维[27]，或提问、假设、检验、观察、作结论、分享等一般过程性思维；而且包括综合的科学思维，如变量控制思维、基于结果或数据的证据评估思维、对科学本质理解的思维。

(3)幼儿园一日活动可以实现幼儿基本科学思维的观察记录。例如：在一日活动的不同环节中，有的儿童爱提问，提出科学性问题，提出自己的假设，或要求老师帮忙一起检验/验证自己的预测等等，此时可以用核查表的方式做记录，或用“学习故事”方式做记录——文本、图片、视频记录下当时的情境和儿童科学思维的具体表现。园所教师与幼儿家长可以在日常生活情境中随时观察并保持记录，形成鲜活生动的评估。

(4)对于平时非系统的随机观察记录所发现的基本科学思维发展突出个体，可以运用一对一测评或小组测评方式，进一步评估考察幼儿综合科学思维水平、科学创新创造潜力。具体评估方法可采用“基于动手操作实验的动态评估”取向，选用斜坡任务，可实现对幼儿综合科学思维能力发展的充分评估。当然，时间和条件允许的情况下，综合运用本文归纳的其他方法，可以提供更丰富的数据参考。

(5)对于平时非系统的随机观察记录所发现的科学思维发展滞后个体，可以运用一对一测评方式，进一步考察该个体幼儿科学思维具体滞后的程度和表现。具体评估方法可采用“基于多个独立问题的选择性评估”或“基于故事情境的递进性访谈评估”，以获得确切的数据参考。

(6)幼儿园大范围的幼儿科学思维发展正式评估和实证测评可以通过与相关机构研究人员或高校专家学者合作来实现。当前，我国幼儿园班级规模大，师幼比相对较小，单纯依托幼儿园班级教师会有较大的难度。大范围的观测与评估并非不需要，但更需要区域层面的政策、人力和财力支持。

青少年科学创造力的国际比较研究发现，英美德青少年科学创造力均显著高于中国青少年。[28]那么，我国青少年的科学创造力在哪里丢失了？又在哪里受挫了？对幼儿科学思维发展的观察与测评有助于我们追溯问题的源头，有助于园所机构、家庭和社会启蒙所有儿童的科学思维，也有助于园所、学校对科学创造力资优儿童的早期发掘和及时支持，为日后青少年科学思维与科学创造力的整体发展奠定基石，为拔尖创新人才早期呵护与培养奠定基石。由此，未来研究可以考察儿童早期科学思维发展对日后成熟的科学思维能力的影响[29]，或探索我国幼儿科学思维的发展机制、影响因素、早期培养与支持质量等。