邢紅軍 蔡曉華 胡揚(yáng)洋

（1.首都師范大學(xué)物理系 100048；2.北京工業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)校 100000；3.首都師范大學(xué)教育學(xué)院 100048）

·初中園地·

初中生科學(xué)推理能力與原始問題解決能力的比較研究

邢紅軍1蔡曉華2胡揚(yáng)洋3

（1.首都師范大學(xué)物理系 100048；2.北京工業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)校 100000；3.首都師范大學(xué)教育學(xué)院 100048）

發(fā)展與促進(jìn)初中生的科學(xué)推理能力與原始物理問題解決能力具有重要意義.有鑒于此，運(yùn)用LCTSR科學(xué)推理能力測(cè)試量表與初中原始物理問題測(cè)量工具對(duì)初三學(xué)生進(jìn)行施測(cè).結(jié)果顯示，初中生科學(xué)推理能力水平較高，原始物理問題解決能力水平較低；科學(xué)推理能力與原始物理問題解決能力弱相關(guān)，表明科學(xué)推理能力與原始物理問題解決能力分屬不同的智能.研究結(jié)果啟示我們，應(yīng)全面促進(jìn)物理教育方式的生態(tài)化，扎實(shí)推進(jìn)核心素養(yǎng)課程目標(biāo)的落實(shí)，高度重視理科教育評(píng)價(jià)方式的改革，從而真正推進(jìn)課程改革的深入發(fā)展.

科學(xué)推理；原始物理問題；核心素養(yǎng)；教育生態(tài)化

科學(xué)推理（scientific reasoning）在皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展理論中被首次提出.科學(xué)推理涵蓋了設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、探究學(xué)習(xí)、推論思辨、證據(jù)評(píng)估、邏輯論證等活動(dòng)所需的推理技能和思維技能，這些活動(dòng)是形成和完善人們對(duì)自然界和人文社會(huì)的各種概念和理論認(rèn)知過程的重要步驟.［1］Lederman將科學(xué)推理定義為歸納思維和演繹思維.歸納思維即概念獲得、概念形成和概念圖示，演繹思維即基于觀察、模型建構(gòu)和經(jīng)驗(yàn)證據(jù)進(jìn)行的評(píng)價(jià).［2］Klahr和Dunbar則認(rèn)為科學(xué)推理即問題解決.

盡管研究者對(duì)于科學(xué)推理的界定還存在分歧，但對(duì)科學(xué)推理內(nèi)涵的認(rèn)識(shí)則大致相同.科學(xué)推理是個(gè)體思維能力發(fā)展到一定程度之后具有的推理類型；個(gè)體進(jìn)行科學(xué)推理一般采用演繹推理和歸納推理；個(gè)體應(yīng)用科學(xué)推理進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)或問題解決.

在引進(jìn)科學(xué)推理測(cè)驗(yàn)工具的同時(shí)，發(fā)端于我國本土的原始物理問題教學(xué)理論與教學(xué)實(shí)踐，近年來已成為我國理科教育領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).科學(xué)推理能力與原始物理問題解決能力有著怎樣的區(qū)別、聯(lián)系與相關(guān)？在理科教育教學(xué)中如何應(yīng)用這些理論？這些問題逐漸成為我們關(guān)注的研究課題.

1 初中生科學(xué)推理能力測(cè)試與分析

本研究選用兩套測(cè)量工具，LCTSR科學(xué)推理能力測(cè)試量表與初中原始物理問題測(cè)量工具.LCTSR科學(xué)推理能力測(cè)試量表在國際上得到廣泛認(rèn)可，該量表由加利福尼亞大學(xué)Anton E.Lawson教授設(shè)計(jì)，主要從6個(gè)維度對(duì)學(xué)生的科學(xué)推理能力進(jìn)行測(cè)量，包括體積質(zhì)量守恒推理、比例推理、控制變量推理、概率推理、相關(guān)推理、假設(shè)演繹推理.初中原始物理問題測(cè)驗(yàn)工具分別從抽象、圖像、賦值、物理、方法、數(shù)學(xué)6個(gè)維度對(duì)學(xué)生解決原始物理問題能力進(jìn)行測(cè)量.［3］

原始物理問題測(cè)驗(yàn)工具由4道題目構(gòu)成.原始物理問題是對(duì)物理現(xiàn)象的描述，題目中不出現(xiàn)物理量，解答問題需要的物理量需要自行設(shè)置.采用主觀試題客觀評(píng)分，每個(gè)問題均包含抽象、圖像、賦值、物理、方法、數(shù)學(xué)6個(gè)表征，完成一個(gè)表征得1分，未能答出或未能完全答出，則不給分，即每個(gè)表征的評(píng)分或者是1分或者是0分.每個(gè)題目滿分6分，4道題目滿分24分，與科學(xué)推理能力測(cè)試量表的滿分一致.

測(cè)試對(duì)象選取北京市朝陽區(qū)初中三年級(jí)學(xué)生，共計(jì)393人.分別運(yùn)用兩套測(cè)量工具測(cè)試，得到測(cè)試卷786份，其中無效試卷10份，有效試卷776份.表1是科學(xué)推理能力測(cè)試成績(jī)統(tǒng)計(jì).

對(duì)科學(xué)推理能力測(cè)試成績(jī)進(jìn)行正態(tài)分布擬合，如圖1所示.

由圖1可知，測(cè)試成績(jī)滿足正態(tài)分布，說明測(cè)試量表具有較好的信度和效度，適宜做相關(guān)分析.

表1 LCTSR測(cè)試成績(jī)統(tǒng)計(jì)

圖1

由表1和圖1可知，0—4分?jǐn)?shù)段人數(shù)為0，說明學(xué)生的科學(xué)推理能力沒有過低的.5—12分?jǐn)?shù)段人數(shù)占17.8%，表明少部分學(xué)生的科學(xué)推理能力處于較低水平；13—20分?jǐn)?shù)段人數(shù)占69.6%，表明大部分學(xué)生的科學(xué)推理能力處于中等水平；21—24分?jǐn)?shù)段人數(shù)占12.6%，表明少部分學(xué)生的科學(xué)推理能力已達(dá)到較高水平.測(cè)試平均成績(jī)?yōu)?5.93分，表明初三學(xué)生的科學(xué)推理能力整體處于較高水平.

對(duì)科學(xué)推理能力各維度得分進(jìn)一步分析，結(jié)果如表2所示.

表2 LCTSR測(cè)試各維度成績(jī)

將LCTSR測(cè)試各維度得分率生成條形圖，如圖2所示.

圖2

由表2和圖2可知：

（1）體積質(zhì)量守恒推理維度得分率為92.98%，在各維度中得分率最高，表明初三學(xué)生已具有很高的守恒推理能力.在六種推理能力中，只有守恒推理是具體運(yùn)算模式類型，其余推理能力均屬形式運(yùn)算模式類型，說明大部分初中生的認(rèn)知水平已達(dá)具體運(yùn)算階段.

（2）比例推理維度得分率為88.60%，僅次于守恒推理維度，表明初三學(xué)生已具有較好的比例推理能力.其原因或許在于，我國理科教學(xué)對(duì)運(yùn)算訓(xùn)練給予了較高重視，使得大部分學(xué)生具有較好的運(yùn)算能力，因而能夠在比例推理維度取得較好成績(jī).

（3）假設(shè)演繹推理維度得分率為69.27%，對(duì)于初中生來說，在這一形式運(yùn)算階段的推理維度上的表現(xiàn)已達(dá)較好水平.事實(shí)上，我國理科教學(xué)一直重視邏輯思維訓(xùn)練，因此，初三學(xué)生的邏輯思維能力得到了較好發(fā)展，從而能夠在假設(shè)演繹推理維度取得不錯(cuò)成績(jī).

（4）控制變量推理維度得分率為60.40%，表明學(xué)生的控制變量推理能力一般.令人不解的是，目前中學(xué)物理教學(xué)對(duì)控制變量法的教學(xué)是非常重視的，但控制變量推理維度得分卻并不理想.究其原因，是因?yàn)榻處熃虒W(xué)中僅讓學(xué)生了解控制變量法的名稱，并沒有讓學(xué)生理解其本質(zhì).測(cè)試結(jié)果顯示，初三學(xué)生并沒有很好地理解和掌握控制變量推理的內(nèi)涵.

（5）相關(guān)推理維度得分率為51.80%，表明學(xué)生的相關(guān)推理能力較弱.相關(guān)推理需要學(xué)生具有整體思維，不僅能夠?qū)φw情況進(jìn)行分析，還須找出整體中各部分間的聯(lián)系，是更高層次的能力要求，所以學(xué)生相關(guān)推理維度得分率低也在情理之中.

（6）概率推理維度得分率為30.93%，表明學(xué)生的概率推理能力最差.概率推理要求學(xué)生能夠理解概率的本質(zhì)，能解釋一些不可預(yù)言的、不可確定的觀察事實(shí)，并能識(shí)別變量之間的關(guān)系.由于概率知識(shí)是高中階段的教學(xué)內(nèi)容，初中階段較少涉及，因此導(dǎo)致初中學(xué)生的概率推理能力最差.

2 初中生原始物理問題解決能力測(cè)試與比較

對(duì)原始物理問題測(cè)試成績(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表3.

表3 原始物理問題測(cè)試成績(jī)統(tǒng)計(jì)

續(xù)表

將原始物理問題測(cè)試成績(jī)做成直方圖，如圖3所示.

圖3

由表3和圖3可知，原始物理問題測(cè)試成績(jī)整體偏低，20—24分?jǐn)?shù)段人數(shù)為零.63.1%的學(xué)生成績(jī)集中在0—3分?jǐn)?shù)段，表明大多數(shù)學(xué)生的物理問題解決能力很差；21.9%的學(xué)生成績(jī)集中在5—8分?jǐn)?shù)段，表明這部分學(xué)生的物理問題解決能力一般；11.3%的學(xué)生成績(jī)集中在9—19分?jǐn)?shù)段，表明這部分學(xué)生的物理問題解決能力稍好.

對(duì)原始物理問題測(cè)試各表征成績(jī)進(jìn)一步分析，結(jié)果如表4所示.

表4 原始物理問題測(cè)試成績(jī)

原始物理問題各維度得分直方圖如圖4所示.

圖4

以下對(duì)6個(gè)表征得分情況進(jìn)行分析.

（1）抽象表征得分率為23.32%，表明近1／4的學(xué)生具有一定的抽象表征水平.抽象表征是抽取主要因素，忽略次要因素，把問題原型轉(zhuǎn)變成模型的過程，需要運(yùn)用抽象思維.出現(xiàn)這種結(jié)果的原因可能在于，初中物理與生活聯(lián)系比較緊密，學(xué)生對(duì)源自生活實(shí)際的原始物理問題不太陌生，因此能夠在抽象表征維度取得較好成績(jī).

（2）圖像表征得分率為21.39%.圖像表征主要運(yùn)用形象思維，畫出反映事物本質(zhì)特征的理想化圖像.力學(xué)內(nèi)容對(duì)學(xué)生畫受力分析圖要求較高，使得一部分學(xué)生形成利用圖像幫助解題的習(xí)慣，從而在圖像表征維度取得相對(duì)較好的成績(jī).

（3）賦值表征得分率為14.24%.賦值表征需要運(yùn)用假設(shè)設(shè)置物理量，賦值表征是原始物理問題特有的表征，要求學(xué)生自主設(shè)置物理量，在反復(fù)思考的基礎(chǔ)上設(shè)置出物理量.由于這一表征在傳統(tǒng)習(xí)題訓(xùn)練中少有涉及，因此導(dǎo)致學(xué)生在這一維度表現(xiàn)出低水平.

（4）物理表征得分率為12.18%.物理表征需要運(yùn)用判斷的思維方法，判斷在問題解決中需要運(yùn)用的物理概念與規(guī)律有哪些？是什么？雖然物理知識(shí)的識(shí)記與應(yīng)用在我國中學(xué)物理教學(xué)中一直備受重視，但卻是在物理習(xí)題解答中應(yīng)用的，并非在原始物理問題解決中應(yīng)用，這就導(dǎo)致學(xué)生難于在生態(tài)化情境中運(yùn)用物理知識(shí).事實(shí)上，只有在解決真實(shí)物理問題時(shí)能夠提取與運(yùn)用物理知識(shí)，才表明學(xué)生真正掌握了物理知識(shí).

（5）方法表征得分率為8.89%.其原因在于，科學(xué)方法在中學(xué)物理教學(xué)中常采用隱性教育方式，由于這種教育方式不能使學(xué)生把握科學(xué)方法的真諦，不能使學(xué)生理解科學(xué)方法的內(nèi)涵，不能使學(xué)生熟練運(yùn)用科學(xué)方法，從而導(dǎo)致方法表征得分率很低.

（6）數(shù)學(xué)表征得分率為7.93%，是6個(gè)表征中最差的.數(shù)學(xué)表征是物理問題解決中的演算、推導(dǎo)過程，背后是推理思維方法的運(yùn)用.由于只有在正確完成抽象、賦值、圖像、物理、方法表征的前提下才可能完成數(shù)學(xué)表征，這就導(dǎo)致數(shù)學(xué)表征的得分最低.

進(jìn)一步，應(yīng)用SPSS19軟件，考察科學(xué)推理能力和原始物理問題解決能力的相關(guān)性.結(jié)果如表5所示.

表5 科學(xué)推理能力與原始物理問題解決能力相關(guān)性檢驗(yàn)

由表5可知，P＜0.01，在0.01水平上有極顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，由于｜r｜＜0.3，所以科學(xué)推理能力與原始物理問題解決能力弱相關(guān)，表明原始物理問題解決能力與科學(xué)推理能力可能是兩種不同性質(zhì)的能力.

測(cè)試顯示，科學(xué)推理能力測(cè)試呈正態(tài)分布，是同種智能下的典型分布.而原始物理問題解決能力測(cè)試呈雙峰分布，可視為2個(gè)正態(tài)分布的疊加，表明原始物理問題測(cè)試可以將科學(xué)推理能力同質(zhì)的群體區(qū)分為原始物理問題解決能力不同質(zhì)的群體.加德納的多元智能理論提出，每一種智能代表著一種區(qū)別于其他智能的獨(dú)特思考模式.這一理論強(qiáng)調(diào)人類智能的多元性，并以此揭示學(xué)校教學(xué)與測(cè)驗(yàn)對(duì)智能關(guān)照的局限性，進(jìn)而呼吁一種基于智能多元的因材施教.在多元智能理論的啟示下，我們認(rèn)為，科學(xué)推理能力與原始物理問題解決能力的不相關(guān)結(jié)果，極有可能表示它們分屬不同的智能.因此，對(duì)一種智能的干預(yù)并不必然導(dǎo)致對(duì)另一種智能的影響，這對(duì)中學(xué)物理教學(xué)研究與實(shí)踐領(lǐng)域帶來的啟示無疑是巨大的.

過去人們普遍認(rèn)為，我國物理教育效能低的原因在于缺乏科學(xué)探究.因此，《物理課程標(biāo)準(zhǔn)》將科學(xué)探究作為課程目標(biāo)，希籍借助科學(xué)探究提高物理教育的效能.確有證據(jù)表明，探究式的教學(xué)策略有助于提升學(xué)生的科學(xué)推理能力.［4－6］然而，由于科學(xué)推理能力與原始物理問題解決能力分屬不同的智能，因此，對(duì)“科學(xué)探究”（科學(xué)推理）的單純強(qiáng)調(diào)，就可能會(huì)造成學(xué)生物理問題解決能力培養(yǎng)的落空.這啟示我們，對(duì)于學(xué)生能力結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和多維性，還需要進(jìn)一步深入研究.

3 研究啟示

3.1 全面促進(jìn)物理教育方式的生態(tài)化

研究表明，本研究選取的初三學(xué)生原始物理問題解決能力整體處于較低水平，這反映出目前物理教育的生態(tài)化水平較低.目前，初中物理教學(xué)中使用的訓(xùn)練材料絕大部分還是習(xí)題，已經(jīng)把原始問題的一些次要細(xì)節(jié)、非本質(zhì)的聯(lián)系舍去，沒有物理現(xiàn)象與事實(shí)作為背景，甚至完全脫離物理現(xiàn)象，即學(xué)生思維的一部分已經(jīng)被習(xí)題編制人員越俎代庖完成了.由于物理教育的生態(tài)化強(qiáng)調(diào)在自然、真實(shí)情境中研究教育規(guī)律以及學(xué)生的心理活動(dòng)規(guī)律，強(qiáng)調(diào)提高教育活動(dòng)的可應(yīng)用性和普遍適用性，建立合理的教育生態(tài)環(huán)境，因此，物理教育生態(tài)化不僅有助于落實(shí)核心素養(yǎng)的要求，還有助于促進(jìn)人才的迅速成長(zhǎng)和發(fā)展.［7］

原始物理問題測(cè)驗(yàn)結(jié)果啟示我們，學(xué)生解決真實(shí)情境物理問題的能力，極有可能不通過專門訓(xùn)練就不會(huì)自動(dòng)增長(zhǎng)，習(xí)題解答能力與原始物理問題解決能力之間無法自然遷移.換言之，即使在教學(xué)中將習(xí)題演練強(qiáng)度與數(shù)量提升到極致，也可能無法促進(jìn)學(xué)生解決真實(shí)問題能力的發(fā)展.由是觀之，在物理教育中融入生態(tài)化的物理教育思想就顯得尤為迫切，即物理教育活動(dòng)應(yīng)當(dāng)在生態(tài)化的環(huán)境中開展.這一思想首先應(yīng)該納入《物理課程標(biāo)準(zhǔn)》的制訂與物理教科書的編寫中.在教材編寫中，應(yīng)在例題和習(xí)題設(shè)計(jì)中滲透適量的原始物理問題.在課堂教學(xué)中，教師應(yīng)當(dāng)適度展開原始物理問題教學(xué)，激發(fā)學(xué)生解決原始物理問題的興趣，從而讓學(xué)生真切地感受到物理學(xué)的魅力.

3.2 扎實(shí)推進(jìn)核心素養(yǎng)課程目標(biāo)的落實(shí)

當(dāng)前，培育中小學(xué)生的“核心素養(yǎng)”已成為國內(nèi)外教育改革與發(fā)展的趨勢(shì).2016年9月，《中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》研究成果發(fā)布，成為指導(dǎo)我國下階段課程教學(xué)改革的“頂層設(shè)計(jì)”.“核心素養(yǎng)”及各學(xué)科核心素養(yǎng)將成為統(tǒng)領(lǐng)課程、教學(xué)以及評(píng)價(jià)的綱領(lǐng).如何將“核心素養(yǎng)”、“頂層設(shè)計(jì)”落實(shí)成為課堂教學(xué)的“底層設(shè)計(jì)”，即將核心素養(yǎng)理念落實(shí)到操作層面，就成為一項(xiàng)非常有價(jià)值的工作.在這個(gè)意義上，原始問題教學(xué)就成為核心素養(yǎng)應(yīng)用于課堂教學(xué)的有效途徑.

扎實(shí)推進(jìn)核心素養(yǎng)課程目標(biāo)的落實(shí)，需要循序漸進(jìn)地加以展開.從一般核心素養(yǎng)到學(xué)科核心素養(yǎng)，標(biāo)志著核心素養(yǎng)的初步落實(shí).目前，新的《物理課程標(biāo)準(zhǔn)》提出“學(xué)科核心素養(yǎng)”主要由“物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個(gè)要素構(gòu)成.物理觀念主要包括物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)觀念、相互作用觀念、能量觀念及其應(yīng)用等要素；科學(xué)思維主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素；科學(xué)探究主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流和合作等要素；科學(xué)態(tài)度與責(zé)任主要包括科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)態(tài)度、社會(huì)責(zé)任等要素.怎樣在物理教學(xué)中實(shí)施與落實(shí)物理核心素養(yǎng)，新的《物理課程標(biāo)準(zhǔn)》提出應(yīng)把物理課程中所形成的物理觀念和科學(xué)思維用于分析、解決現(xiàn)實(shí)生活中的各種問題，在解決問題中進(jìn)一步提高探究能力、增強(qiáng)實(shí)踐意識(shí)、養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度，促進(jìn)核心素養(yǎng)的形成.

《物理課程標(biāo)準(zhǔn)》的論述與提法在原則上是沒有問題的，但稍顯寬泛與籠統(tǒng)，在物理核心素養(yǎng)達(dá)成的操作層面有所欠缺.而原始物理問題不僅對(duì)問題進(jìn)行了嚴(yán)格界定，而且給出了抽象、圖像、賦值、物理、方法、數(shù)學(xué)6個(gè)維度，從而有助于物理核心素養(yǎng)的達(dá)成趨于規(guī)范和操作.

3.3 高度重視理科教育評(píng)價(jià)方式的改革

目前，中考作為初中生能力評(píng)價(jià)的考察方式，既是備受全社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)，也是教育改革的難點(diǎn).然而，中考和初中學(xué)業(yè)評(píng)價(jià)究竟測(cè)試學(xué)生的何種能力？能否真正測(cè)量出學(xué)生的能力？仍然需要基于理論與實(shí)踐的深入研究.

在目前理科中考及其導(dǎo)向下的教學(xué)中，“實(shí)驗(yàn)與探究題”、“科普閱讀題”等“新題型”已然對(duì)傳統(tǒng)中考試題與課堂教學(xué)產(chǎn)生了前所未有的沖擊.中考命題改革突出科學(xué)探究、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、閱讀能力、知識(shí)積累以及科學(xué)方法考查，對(duì)傳統(tǒng)理科中考“復(fù)雜計(jì)算”、“大題壓軸”模式及其影響下的教學(xué)構(gòu)成了重要轉(zhuǎn)型.從理論本源上考察，“實(shí)驗(yàn)與探究題”、“科普閱讀題”等“新題型”到底考察了哪些維度，是否與核心素養(yǎng)的要求相一致，是否包含了科學(xué)推理能力等等，還需要做進(jìn)一步的實(shí)證研究，而不能單純滿足命題形式上的標(biāo)新立異，還須追問試題形式背后蘊(yùn)含的素養(yǎng)真諦與本質(zhì).只有如此，才能真正實(shí)現(xiàn)理科教育評(píng)價(jià)方式的根本改變.在這個(gè)意義上，中考教育評(píng)價(jià)改革應(yīng)積極穩(wěn)健地納入原始問題命題形式，以此實(shí)現(xiàn)核心素養(yǎng)評(píng)價(jià)的有效性以及對(duì)課堂教學(xué)的積極引領(lǐng).

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2017－03－26）

本文系北京市教育委員會(huì)社科基金重點(diǎn)項(xiàng)目（SZ20171002815）“北京市理科中考改革導(dǎo)向的前瞻性研究”階段性成果.