李夢宇 李建彬 胡象嶺

(曲阜師范大學物理學系,山東 曲阜 273165)

1 引言

科學思維是指具有意識的人腦對科學事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及事物間的相互聯(lián)系和關(guān)系的間接與概括的反映,是物理核心素養(yǎng)的構(gòu)成要素之一．[1]科學推理(scientific reasoning)指的是個體對一個多變量系統(tǒng)進行推斷時表現(xiàn)出的思維能力,[2]是科學思維的重要組成部分．因此,開展關(guān)于科學推理能力的研究,是發(fā)展學生核心素養(yǎng)的必然要求．

科學推理能力水平的測量是科學推理能力研究的一項基礎(chǔ)性的工作．關(guān)于科學推理能力測量的工具有很多,例如美國學者Lawson編制的科學推理能力測試卷[3](Lawson’s Classroom Test of Scientific Reasoning,簡稱“LCTSR”,作者于2000年對該問卷進行了修訂,修訂版簡稱“LCTSR 2000”)．該測試卷在教育研究中有著廣泛的應(yīng)用,如包雷等[4-6]利用該測試卷比較了中美大學生科學推理能力的發(fā)展水平,郭玉英等[7,8]研究了我國學生科學推理能力隨年級發(fā)展的規(guī)律．高中階段是學生發(fā)展的關(guān)鍵時期,研究該階段學生的科學推理能力的發(fā)展水平并基于此開展教學有助于學生的發(fā)展．但目前針對高中學生科學推理能力的研究卻比較少．為此,本研究擬使用LCTSR 2000測試卷,測量高中階段學生的科學推理能力發(fā)展狀況,以期為相關(guān)研究提供參考．

2 研究方法

2.1 測量工具

LCTSR 2000測試卷共有24道試題,測量了6個維度的科學推理能力,分別是質(zhì)量與體積守恒推理(Reasoning of conservation of mass and volume)(簡稱“守恒推理”)、比例推理(Proportional reasoning)、控制變量推理(Control variable reasoning)、概率推理(Probabilistic reasoning)、相關(guān)推理(Correlation reasoning)以及假設(shè)演繹推理(Hypothetical-deductive reasoning)．測試卷的題目分布見表1．

表1 LCTSR 2000測試卷的題目分布

測試卷的24道題目均為有多個選項的單選題,每2道題目為一組,共描述了12個問題情境．每組題目中,前一道題目提出問題,后一道題目要求被試回答原因．本研究采用獨立計分法進行計分,即被試每答對一題計1分,答錯計0分,測試卷的總分為24分．

2.2 研究樣本

高二年級是學生的思維認知發(fā)展趨于成熟階段的關(guān)鍵時期,為此本研究選擇高二學生為研究群體．被試是從曲阜師范大學附屬中學高二年級隨機抽取的2個普通理科教學班的94名學生,被試作答時間為35min．被試信息見表2．

表2 有效被試分布信息

3 研究結(jié)果

3.1 測試卷的測量學指標

3.1.1 測試卷的難度

用全體被試得分率來表征題目的難度系數(shù),數(shù)值越小表明難度越大．基于測量數(shù)據(jù)計算了所有試題的難度系數(shù),結(jié)果見表3．

表3 24道試題的難度系數(shù)

由表3,試題難度系數(shù)大小介于0.28到0.98之間．難度最低的是第5、6題和第15、16題,難度較大的是第12題,難度系數(shù)達到了0.28．以0.5和0.7為界,簡單、適中和較難試題的比例為14∶5∶5,表明該測試卷的難度分布較為合理．

3.1.2 測試卷的區(qū)分度

利用高低分組法計算了測試卷的區(qū)分度,結(jié)果見表4．

表4 24道測試題的區(qū)分度

由表4,除第5、6題和第15、16題的區(qū)分度過低外,其他題目的區(qū)分度均較為理想．上述4道題目區(qū)分度過低與題目的難度過小有關(guān),高二學生已對這些題目有了相當成熟的認知,從測量學的角度看,這4道試題已不適宜區(qū)分高二學生的科學推理能力水平,但試卷整體仍具有較好的區(qū)分度．

3.2 科學推理能力得分的總體情況

3.2.1 總分分布情況

使用SPSS 18做出被試總分的分布情況,見圖1．

由圖1可知,學生科學推理能力的得分區(qū)間為4-24分,大部分被試的科學推理能力處于中等偏上的水平,位于17-18分數(shù)段的人數(shù)最多,其次是20-22和13-16分數(shù)段,位于低分區(qū)間和獲得滿分的人數(shù)均較少．在文獻[4]研究中,大學生的科學推理能力得分的峰值出現(xiàn)在20分左右(見圖2)．可見,與大學生相比,高二學生的科學推理能力仍有一定的發(fā)展空間．

圖1 高二學生科學推理能力得分分布

圖2 中美大學生科學推理能力得分分布

3.2.2 各維度得分情況

計算出被試在各能力維度的均值和標準差,結(jié)果見表5．

表5 各能力維度的均值和標準差

由于各維度題目數(shù)目不同,不易直接比較被試在各維度上的能力強弱．將上表中各維度的均值除以該維度的題目總數(shù),并做出雷達圖,如圖3所示．

圖3 被試各科學推理能力維度雷達圖

由表5和圖3,被試的守恒推理、比例推理和概率推理水平較高,其次是假設(shè)演繹推理,控制變量推理和相關(guān)推理的水平則較低．同時,水平較低的兩個維度的標準差較大,表明被試個體在這兩個維度上的能力水平存在較大的差異．這一結(jié)果與張軼炳[5]研究中的大學生得分情況(見圖4)相比,本研究中被試的相關(guān)推理能力明顯偏弱．

圖4 中美大學生各科學推理能力維度雷達圖

3.3 學生科學推理能力與性別的關(guān)系

被試在科學推理能力總分和6個維度得分的性別差異,結(jié)果見表6．

表6 科學推理能力總分及各維度得分的性別差異

不同性別的被試只在相關(guān)推理維度上存在顯著差異(t=2.044*,P<0.05),但在總分及其他能力維度上均不存在顯著差異．總的說來,男女學生的科學推理能力水平相當,不存在顯著的性別差異．

3.4 科學推理能力與物理學習成績的關(guān)系

為了研究科學推理能力是否會影響物理學習成績,本研究采集了被試高二上學期的期末物理成績,與科學推理能力測試成績做了相關(guān)性分析,結(jié)果見表7．

表7 科學推理能力及其各維度得分與物理成績的相關(guān)性

相關(guān)分析結(jié)果表明,物理學習成績與科學推理能力成績呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.313,在0.01水平上顯著相關(guān)．具體到科學推理的各個維度,假設(shè)演繹推理與物理學習成績的相關(guān)最高,二者的相關(guān)系數(shù)為0.440,在0.01水平上顯著相關(guān)．其次是相關(guān)推理,與物理學習成績的相關(guān)系數(shù)為0.217,在0.05水平上表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性,其他維度對物理學習成績的影響不大．

4 討論

4.1 高二學生的科學推理能力

一般認為,科學推理能力是個體的一般能力,不依賴于某一專門領(lǐng)域．比對包雷、[4]張軼炳[5]等對大學生科學推理能力水平的研究,高二學生的科學推理能力尚處于一個不完全成熟的階段．處于該階段學生的科學推理能力已經(jīng)達到中等偏上的水平,其守恒推理、概率推理和比例推理已近乎完善,但假設(shè)演繹推理能力、控制變量推理和相關(guān)推理能力則需要進一步發(fā)展．如何發(fā)展學生的科學推理能力是需要進一步研究的課題．Benford等人[9]發(fā)現(xiàn),個體科學推理能力的強弱、是否增長,與教學方式相關(guān),采用探究式教學可以顯著提高學生的科學探究能力．為此,在物理教學中應(yīng)積極開展探究式教學,并重視培養(yǎng)學生在假設(shè)演繹推理方面的能力．

4.2 科學推理能力的性別差異

馮秀梅等[6]在探討中美大學生科學推理能力的性別差異中發(fā)現(xiàn),中美大學生的總體表現(xiàn)都存在性別差異,而中國學生的性別差異相對較?。盍χ鄣萚10]對甘南藏族地區(qū)中學生科學推理能力的抽樣調(diào)查中也認為男生、女生之間科學推理能力水平存在著一定的差異,女生在高一階段科學能力的發(fā)展情況略優(yōu)于男生．不同的是,本研究并未發(fā)現(xiàn)高二學生在科學推理能力上存在顯著的性別差異,與孫慧娟等[11]對寧夏地區(qū)理科生的科學推理能力測量結(jié)果相似．研究結(jié)果的不同可能與樣本的選取有關(guān),男女生的科學推理能力是否存在差異,仍需進一步探討．

4.3 物理學習成績與科學推理能力

不少研究都考查了科學推理能力與學習成績的關(guān)系．包雷[4]運用對比的方法,發(fā)現(xiàn)中美兩國學生雖然在物理學習成績方面存在較大差異,但是兩國學生科學推理能力卻近乎相同,即物理成績的優(yōu)劣對學生科學推理能力的影響不大．但包雷研究的是兩種不同教育環(huán)境下學生的情況,成績的差異可能更多地受到教育環(huán)境的影響．與此不同的是,本研究選擇同一教學環(huán)境下的兩個平行班級,盡可能排除了無關(guān)因素的影響．梁美怡[12]計算了初中生物理學習成績與科學推理能力的相關(guān),結(jié)果表明兩者的相關(guān)系數(shù)在0.25-0.3之間,與本研究結(jié)果相似．本研究還發(fā)現(xiàn),科學推理能力對高中生物理學習成績的影響主要體現(xiàn)在假設(shè)演繹推理和相關(guān)推理兩個能力維度上,其中假設(shè)演繹推理維度的影響最為顯著．梁美怡[12]對初中生的研究表明,控制變量和假設(shè)演繹推理對物理學習成績影響較大．可見,不論是初中生還是高中生,假設(shè)演繹推理能力對物理考試的成敗具有顯著影響．我國的物理試題一般都是給出問題情境,由學生分析作答,在這一過程中,恰好需要用到假設(shè)演繹推理．這就提示我們,提高中學生的物理學習成績的重要途徑便是培養(yǎng)學生的假設(shè)演繹推理能力．

5 研究結(jié)論

本研究主要得到以下結(jié)論: (1) LCTSR 2000測試卷具有較為理想的難度和區(qū)分度．(2) 大部分高二學生的科學推理能力處于中等偏上的水平,與大學生相比,仍有一定的發(fā)展空間．(3) 高二學生在概率推理、守恒推理和比例推理上能力水平較高,其次是假設(shè)演繹推理能力,控制變量推理和相關(guān)推理能力水平則較低．(4) 高二學生的科學推理能力不存在顯著的性別差異．(5) 科學推理能力與物理學習成績的相關(guān)為0.313,其中,假設(shè)演繹推理對成績的影響最為顯著．