劉曉坤 胡象嶺

(曲阜師范大學(xué)物理學(xué)系，山東 曲阜 273165)

1 引言

近年來(lái)，論證在科學(xué)教育研究領(lǐng)域引發(fā)廣泛關(guān)注.《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》將“科學(xué)論證”列為科學(xué)思維的基本要素，科學(xué)論證能力幫助學(xué)生更好地理解概念、促進(jìn)推理能力以及批判性思維能力的發(fā)展.[1,2]論證能力的培養(yǎng)對(duì)物理核心素養(yǎng)的形成有著至關(guān)重要的作用.在教學(xué)中，了解學(xué)生科學(xué)論證能力所處的水平，是有針對(duì)性地培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)論證能力的基礎(chǔ).為此，有國(guó)內(nèi)研究者在科學(xué)情景下廣泛開展學(xué)生的科學(xué)論證能力測(cè)評(píng)研究.例如，鄧陽(yáng)基于化學(xué)學(xué)科背景，設(shè)計(jì)書面和口語(yǔ)科學(xué)論證任務(wù)，評(píng)價(jià)被試在“主張”、“證據(jù)”、“理由”和“反證”4個(gè)要素上的表現(xiàn).[3]韓葵葵基于Toulmin論證模式，設(shè)計(jì)了“鐵釘生銹”、“化學(xué)，我該不該愛你”、“黃金糧食”、“動(dòng)物趨性”、“溫室效應(yīng)”、“萬(wàn)能的抗生素”6個(gè)論證任務(wù)對(duì)被試科學(xué)論證能力展開測(cè)評(píng).[4]在物理學(xué)科背景下，鄭穎依據(jù)SOLO理論劃分了物理科學(xué)論證能力的認(rèn)知表現(xiàn)層次.[5]陳穎評(píng)價(jià)被試在“觀點(diǎn)”、“事實(shí)證據(jù)”、“理論依據(jù)”、“推理過程”和“反駁”5個(gè)要素上的表現(xiàn).[6]以上研究設(shè)計(jì)了18個(gè)論證項(xiàng)目，部分項(xiàng)目所涉及的物理知識(shí)對(duì)初入高中的學(xué)生尚有難度.能力測(cè)試應(yīng)盡量避免未知知識(shí)對(duì)結(jié)果造成的影響，同時(shí)降低項(xiàng)目難度才能更好地對(duì)處于高中各階段的學(xué)生展開測(cè)量.本研究關(guān)注被試論證時(shí)物理概念的運(yùn)用情況以及使用證據(jù)的特征和進(jìn)行推理的能力，過多的項(xiàng)目不利于學(xué)生對(duì)問題情境展開充分論述，應(yīng)對(duì)問題情境的數(shù)量加以控制.因此，本文在已有研究的基礎(chǔ)上，構(gòu)建評(píng)價(jià)框架、設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)工具，對(duì)高中生的科學(xué)論證能力展開測(cè)量與評(píng)價(jià).

2 研究設(shè)計(jì)

2.1 評(píng)價(jià)框架設(shè)計(jì)

科學(xué)教育領(lǐng)域分析論證時(shí)常?；趫D爾明論證模式(Toulmin Argument Pattern，簡(jiǎn)稱TAP).圖爾明認(rèn)為數(shù)據(jù)(Data)、主張(Claim)、正當(dāng)理由(Warrant)、支持(Backing)、限制條件(Qualifiers)和反駁(Rebuttal)6個(gè)要素組成論證，出現(xiàn)更多的結(jié)構(gòu)要素意味著具有更高水平的科學(xué)論證能力.[7]這種評(píng)價(jià)方式僅關(guān)注結(jié)構(gòu)要素的多少，不關(guān)注各要素如何連接在一起，也不關(guān)注內(nèi)容是否表述準(zhǔn)確，可以擺脫情境依賴，具有廣泛適用性.然而，僅憑借單一指標(biāo)并不能夠全面地評(píng)價(jià)論證質(zhì)量，還應(yīng)從結(jié)構(gòu)(Structure)、正當(dāng)性(Justification)和內(nèi)容(Content)對(duì)論證進(jìn)行評(píng)估和描述.[8]

基于此，N. Brown設(shè)計(jì)了如圖1所示的“證據(jù)使用框架(Using Evidence Framework)”.[9]與圖爾明論證模式不同，“證據(jù)使用框架”中包含“要素”和“流程”兩類信息.其中，“要素”共有5個(gè)：主張(Claim)和數(shù)據(jù)(Data)這兩個(gè)要素與圖爾明論證模式中含義相同；前提(Premise)、規(guī)則(Rule)、證據(jù)(Evidence)分別對(duì)應(yīng)于圖爾明論證模式中的限制條件(Qualifiers)、正當(dāng)理由(Warrant)和支持(Backing).“流程”體現(xiàn)的是論證過程中的推理過程，共有3個(gè)：應(yīng)用(Application)是規(guī)則(Rule)在前提(Premise)所描述的特定情況下發(fā)揮作用的過程；解釋(Interpretation)是比較和整合多個(gè)證據(jù)(Evidence)的過程；分析(Analysis)是對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)(Data)進(jìn)行比較、整合的過程.[10]該框架強(qiáng)調(diào)使用證據(jù)進(jìn)行推理在論證過程中的重要性，推理過程是否合乎邏輯，是衡量論證是否有效的重要標(biāo)準(zhǔn).[11]

圖1 證據(jù)使用框架

應(yīng)用“證據(jù)使用框架”在物理學(xué)科背景下進(jìn)行論證時(shí)，物理“概念”是基礎(chǔ)；可靠的“證據(jù)”是得到主張的前提，精確的“規(guī)則”是證據(jù)與主張連接的橋梁；有效的“推理”是論證的關(guān)鍵.因此，本研究將科學(xué)論證能力解構(gòu)為“概念復(fù)雜性”、“規(guī)則精確性”、“證據(jù)可靠性”、“推理有效性”4個(gè)維度.其中，“概念復(fù)雜性”評(píng)價(jià)的是被試在特定的問題情境中調(diào)用相關(guān)知識(shí)進(jìn)行論證的能力.在這一維度，依據(jù)郭玉英等設(shè)計(jì)的概念復(fù)雜度模型，劃分為“關(guān)聯(lián)”、“系統(tǒng)”、“整合”3個(gè)水平；[12]“規(guī)則精確性”維度依據(jù)規(guī)則表述的精確程度，劃分為“模糊”、“不準(zhǔn)確”和“精確”3個(gè)水平；“證據(jù)可靠性”旨在評(píng)價(jià)被試在科學(xué)論證中引用證據(jù)的能力.在這一維度，依據(jù)證據(jù)的數(shù)量與相關(guān)充分性劃分了從“沒有證據(jù)或是無(wú)效的證據(jù)”到“一個(gè)以上有效的證據(jù)”3個(gè)水平；“推理有效性”檢驗(yàn)將規(guī)則與主張聯(lián)系起來(lái)的推理的質(zhì)量.在這一維度，依據(jù)推理的復(fù)雜程度劃分為從“在證據(jù)和觀點(diǎn)之間建立直接聯(lián)系”到“在證據(jù)和觀點(diǎn)之間建立科學(xué)的邏輯關(guān)系鏈”3個(gè)水平.

2.2 評(píng)價(jià)工具設(shè)計(jì)

在評(píng)價(jià)框架的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)科學(xué)論證能力測(cè)試題.為了避免因未知知識(shí)對(duì)論證能力造成的影響，題目情境涉及到的知識(shí)應(yīng)是被試學(xué)過的、熟悉的物理學(xué)科核心概念和重要內(nèi)容.因此，依據(jù)《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》和《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》的學(xué)業(yè)要求，確定了以力與運(yùn)動(dòng)、磁現(xiàn)象、物態(tài)變化等作為問題情境的知識(shí)載體，設(shè)計(jì)了5個(gè)書面論證任務(wù).由于篇幅限制，僅列舉情境1具體的題目設(shè)計(jì).

情境1：跳傘者從500 m高的飛機(jī)上跳下，下落125 m時(shí)將傘打開.表1為跳傘過程中距地高度與速度對(duì)照表：(重力加速度，g=10 m/s2)

表1 距地高度與速度對(duì)照表

小趙和小錢看到上述資料后，各自對(duì)跳傘的過程提出了自己的看法：

小趙說：跳傘的過程中，所受到合力的方向一直是向下的.

小錢說：跳傘者開傘后，一直有受到重力的影響.

1a. 依據(jù)上述資料，你認(rèn)為小趙和小錢誰(shuí)的說法是合理的？說明你同意他的觀點(diǎn)的理由.并通過表格提供的數(shù)據(jù)詳細(xì)分析跳傘者的運(yùn)動(dòng)情況，說明你將如何反駁你不同意的觀點(diǎn).

1b. 小孫說：“跳傘者是因?yàn)槭艿搅肆Φ淖饔貌诺靡赃\(yùn)動(dòng)，如果沒有力就不動(dòng)了”.因此，小孫以此為證據(jù)，得出“力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因，即有力有運(yùn)動(dòng)，沒力沒運(yùn)動(dòng)”.你同意小孫的觀點(diǎn)嗎?若同意請(qǐng)說明理由，若不同意請(qǐng)通過列舉實(shí)例詳細(xì)說明你將如何反駁小孫.

隨后，依據(jù)科學(xué)論證能力評(píng)價(jià)框架，設(shè)計(jì)了針對(duì)每道題目的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn).對(duì)于情境1-4的每個(gè)問題均分別從“概念復(fù)雜性”、“規(guī)則精確性”、“證據(jù)可靠性”和“推理有效性”4個(gè)維度進(jìn)行評(píng)價(jià).情境5以“CO2排放量與地球溫度的關(guān)系”這一熱點(diǎn)話題作為問題情境，由于社會(huì)科學(xué)議題更關(guān)注問題背后蘊(yùn)含的倫理道德問題.因此，不對(duì)情境5中的問題進(jìn)行“概念復(fù)雜性”維度評(píng)分.具體評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)以題目1a為例進(jìn)行說明，如表2所示.

表2 題目1a評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)

續(xù)表

2.3 研究對(duì)象

為檢驗(yàn)擬定評(píng)價(jià)工具的有效性，進(jìn)行了兩輪實(shí)測(cè).第1輪實(shí)測(cè)，從山東省Z中學(xué)高一年級(jí)隨機(jī)抽取一個(gè)班的學(xué)生作為測(cè)試對(duì)象，實(shí)測(cè)50人，收回有效問卷44份；第2輪實(shí)測(cè)263人，回收有效問卷250份，兩輪實(shí)測(cè)樣本信息如表3所示.Z中學(xué)生源豐富，學(xué)生群體之間存在著一定的差異，而且被試已學(xué)完測(cè)試題中所涉及的全部知識(shí)，可以作為本次測(cè)試的研究對(duì)象.

表3 兩輪實(shí)測(cè)樣本信息

3 研究結(jié)果

3.1 評(píng)價(jià)工具質(zhì)量檢驗(yàn)

在潛在特質(zhì)理論基礎(chǔ)之上建立的項(xiàng)目反應(yīng)理論，克服經(jīng)典測(cè)量理論中測(cè)試工具依賴和樣本依賴，具有“參數(shù)分離”、“參數(shù)恒定”的特點(diǎn).[13,14]個(gè)體能力值和題目難度值經(jīng)Rasch模型共同轉(zhuǎn)化為logit scale單位，這樣就可以在同一單維度尺上進(jìn)行比較.[13]在這種情況下，個(gè)體能力值和題目難度值的取值范圍為負(fù)無(wú)窮到正無(wú)窮，有效避免經(jīng)典分?jǐn)?shù)極值是0或100的問題，能夠更好地區(qū)分高、低水平被試之間表現(xiàn)的差異.考慮到Rasch模型具有上述優(yōu)勢(shì)，選擇其作為本研究的數(shù)據(jù)分析模型，使用Winsteps軟件檢驗(yàn)數(shù)據(jù).針對(duì)第1輪實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)指標(biāo)，對(duì)評(píng)價(jià)工具進(jìn)行有針對(duì)性地修改，修改后再進(jìn)行實(shí)測(cè)，直到各個(gè)指標(biāo)均達(dá)理想值.本研究共進(jìn)行兩輪實(shí)測(cè)，數(shù)據(jù)結(jié)果如表4所示.

表4 科學(xué)論證能力兩輪實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果

可見，經(jīng)過修改后的評(píng)價(jià)工具各個(gè)指標(biāo)體現(xiàn)良好特征.意味著設(shè)計(jì)的科學(xué)論證能力評(píng)價(jià)工具可以用來(lái)測(cè)量、評(píng)價(jià)被試的科學(xué)論證能力.

3.2 科學(xué)論證能力表現(xiàn)分析

使用SPSS軟件分析全體被試科學(xué)論證能力測(cè)試logit分，表5是被試得分描述性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，圖2是科學(xué)論證能力測(cè)試得分頻率分布直方圖.

表5 科學(xué)論證能力測(cè)試得分描述性統(tǒng)計(jì)

圖2 科學(xué)論證能力測(cè)試logit分?jǐn)?shù)分布直方圖

由表5可知，被試的科學(xué)論證能力測(cè)試得分全距為9.33，標(biāo)準(zhǔn)差為1.29，被試科學(xué)論證能力水平分布廣，差異顯著；得分均值為1.08，均值標(biāo)準(zhǔn)誤為0.08，測(cè)量數(shù)據(jù)具有較高的可信度.圖2顯示被試科學(xué)論證能力測(cè)試得分大致呈正態(tài)分布，說明大多數(shù)被試的科學(xué)論證能力處于中等水平.

為了解被試在科學(xué)論證能力不同維度上的表現(xiàn)，統(tǒng)計(jì)被試在各維度得分率情況，結(jié)果如表6所示.

表6 科學(xué)論證能力不同維度得分率描述性統(tǒng)計(jì)

不難發(fā)現(xiàn)，全體被試在“規(guī)則精確性”和“推理有效性”維度得分率相當(dāng)，且高于“概念復(fù)雜性”和“證據(jù)可靠性”維度，“概念復(fù)雜性”維度得分率最低.意味著在科學(xué)論證能力測(cè)試中，被試對(duì)規(guī)則表述精確，且能夠基于證據(jù)進(jìn)行合理、有效的推理得到結(jié)論，但是并不能很好地聯(lián)系多個(gè)概念，解決特定的物理問題.

3.3 科學(xué)論證能力與性別的關(guān)系

為了探討不同性別被試科學(xué)論證能力的差異，對(duì)不同性別被試科學(xué)論證能力進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，結(jié)果如表7所示.

表7 科學(xué)論證能力總分及各維度得分率的性別差異

表7可以看出，男生被試在科學(xué)論證能力4個(gè)維度的得分率均略高于女生.其中，“概念復(fù)雜性”和“規(guī)則精確性”這兩個(gè)維度得分率的性別差異最為明顯，“推理有效性”維度得分率的性別差異最小.對(duì)于科學(xué)論證能力測(cè)試得分，男生均值為1.0929，女生均值為1.0405.可見，男生比女生的科學(xué)論證能力稍高，但是差異微小.經(jīng)檢驗(yàn)，不同性別被試科學(xué)論證能力不存在顯著性差異.

3.4 物理學(xué)業(yè)成就與科學(xué)論證能力相關(guān)分析

為了探討科學(xué)論證能力及不同維度得分率與物理學(xué)業(yè)成就之間的關(guān)系，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二元變量相關(guān)性分析，具體結(jié)果如表8所示.其中，物理成績(jī)數(shù)據(jù)采用的是被試在高一下學(xué)期期中考試的物理成績(jī)，處于該階段的被試已學(xué)完本研究所設(shè)計(jì)測(cè)試工具包含的所有知識(shí).而且，期中考試是一次較大規(guī)模的規(guī)范性考試，具有一定代表性.

表8 科學(xué)論證能力及其各維度得分率與物理學(xué)業(yè)成就的相關(guān)性

從表8可以看出：全體、男生、女生被試在科學(xué)論證能力各維度與物理學(xué)業(yè)成就之間均呈現(xiàn)顯著相關(guān)性.不同維度與物理學(xué)業(yè)成就的相關(guān)性，全體被試在“概念復(fù)雜性”維度相關(guān)性最高(r=0.598,p<0.01)，“證據(jù)可靠性”維度相關(guān)性最低(r=0.537,p<0.01)；男生被試在“概念復(fù)雜性”維度相關(guān)性最高(r=0.599,p<0.01)，“規(guī)則精確性”維度相關(guān)性最低(r=0.425,p<0.01)；女生被試在“推理有效性”維度相關(guān)性最高(r=0.618,p<0.01)，在“證據(jù)可靠性”維度相關(guān)性最低(r=0.555,p<0.01).

可見，科學(xué)論證能力4個(gè)維度均與物理學(xué)業(yè)成就顯著相關(guān)，對(duì)于物理學(xué)業(yè)成就的影響，男生被試“概念復(fù)雜性”維度影響最大，女生被試“推理有效性”維度影響最大.總的來(lái)看，科學(xué)論證能力與物理學(xué)業(yè)成就呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(r=0.595,p<0.01)，被試科學(xué)論證能力越高，越可能獲得更高的物理學(xué)業(yè)成就.女生被試科學(xué)論證能力與物理學(xué)業(yè)成就的相關(guān)性大于男生被試，說明科學(xué)論證能力對(duì)物理學(xué)業(yè)成就的影響因性別不同而不同.

為進(jìn)一步考察科學(xué)論證能力對(duì)物理學(xué)業(yè)成就的預(yù)測(cè)情況，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一元線性回歸分析，其中，將科學(xué)論證能力作為自變量，學(xué)業(yè)成就作為因變量.經(jīng)分析得到一元回歸系數(shù)為7.072(t=7.409,p<0.01)，測(cè)定系數(shù)為0.348.說明科學(xué)論證能力對(duì)物理學(xué)業(yè)成就具有顯著的預(yù)測(cè)性，可以解釋物理成績(jī)變異的34.8%.

4 討論

4.1 被試科學(xué)論證能力表現(xiàn)

以往針對(duì)初、高中生以及大學(xué)生開展科學(xué)論證能力的測(cè)評(píng)研究的相關(guān)文獻(xiàn)指出：我國(guó)學(xué)生的科學(xué)論證能力普遍較弱.[3]本研究發(fā)現(xiàn)，科學(xué)論證能力處于中等水平的被試占到全體被試的大多數(shù).其中，被試在“規(guī)則精確性”和“推理有效性”這兩個(gè)維度表現(xiàn)較好，“概念復(fù)雜性”這一維度表現(xiàn)較差.說明被試在本次測(cè)試中，能夠精確地表述將“證據(jù)”與“觀點(diǎn)”聯(lián)結(jié)的“規(guī)則”，“推理”嚴(yán)謹(jǐn)且有邏輯.但是，不能深入地挖掘題目情境背后蘊(yùn)含的知識(shí)，致使在作答中不能很好地整合多個(gè)物理“概念”.這啟發(fā)我們，在教學(xué)中，學(xué)生學(xué)習(xí)了某個(gè)新知識(shí)后，應(yīng)及時(shí)地幫助其梳理相關(guān)知識(shí)之間的聯(lián)系，辨析相近概念和相似概念，幫助學(xué)生形成完整的物理知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，從而加強(qiáng)在科學(xué)論證能力“概念復(fù)雜性”這一維度的表現(xiàn).

4.2 科學(xué)論證能力的性別差異

關(guān)于性別對(duì)科學(xué)論證能力的影響，有研究者在物理學(xué)科背景下研究科學(xué)論證能力時(shí)發(fā)現(xiàn)初中生的科學(xué)論證能力與性別之間不存在相關(guān)性.[15]也有基于化學(xué)學(xué)科的科學(xué)論證能力實(shí)證研究發(fā)現(xiàn)中學(xué)生的科學(xué)論證能力存在著顯著的性別差異，其中初中階段女生的科學(xué)論證能力明顯高于男生；高中階段男生的科學(xué)論證能力明顯高于女生.[4]本研究發(fā)現(xiàn)，高中階段男生相較于女生，在科學(xué)論證能力各維度表現(xiàn)較好，在測(cè)試中得分也略高，但是不同性別被試科學(xué)論證能力并不存在統(tǒng)計(jì)學(xué)上的差異(t=0.312,p>0.05).造成研究結(jié)果差異的原因可能與選取的學(xué)科背景有關(guān)，也可能與選取的樣本有關(guān)，科學(xué)論證能力是否與性別有關(guān)值得進(jìn)一步探究.

4.3 物理學(xué)業(yè)成就與科學(xué)論證能力

大量研究證明科學(xué)論證能力與學(xué)業(yè)成就二者有顯著的相關(guān)性.本研究發(fā)現(xiàn)：科學(xué)論證能力與物理學(xué)業(yè)成就之間存在著顯著相關(guān)性(r=0.595,p<0.01)，女生被試科學(xué)論證能力與物理學(xué)業(yè)成就的相關(guān)性大于男生被試.科學(xué)論證能力各維度與物理學(xué)業(yè)成就均呈現(xiàn)顯著相關(guān)性，其中“概念復(fù)雜性”維度與物理學(xué)業(yè)成就相關(guān)性最高，“證據(jù)可靠性”維度與物理學(xué)業(yè)成就相關(guān)性最低.這意味著如果學(xué)生在論證時(shí)能夠調(diào)用復(fù)雜的物理知識(shí)，那么他在物理測(cè)試中同樣會(huì)有較好的表現(xiàn).同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)，科學(xué)論證能力能解釋物理成績(jī)變異的34.8%.雖然影響物理成績(jī)的原因眾多，科學(xué)論證能力對(duì)物理學(xué)業(yè)成就具有顯著的預(yù)測(cè)性.總的來(lái)看，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證能力可以有效提高物理成績(jī).對(duì)于科學(xué)論證能力的培養(yǎng)，可以在日常的教學(xué)中顯化科學(xué)論證的結(jié)構(gòu)要素.可以進(jìn)行論證式教學(xué)，也可以通過向?qū)W生展示“圖爾明論證框架”和“證據(jù)使用框架”，說明框架中每個(gè)結(jié)構(gòu)要素的含義，介紹應(yīng)用框架進(jìn)行論證的方法和基于證據(jù)進(jìn)行論證的重要性.在此基礎(chǔ)上，學(xué)生才能更好地應(yīng)用教師在教學(xué)中所使用的論證方式，有意識(shí)地培養(yǎng)科學(xué)論證能力.

5 結(jié)論

本研究結(jié)果顯示：設(shè)計(jì)的科學(xué)論證能力評(píng)價(jià)工具信度、效度和區(qū)分度良好；實(shí)測(cè)結(jié)果和模型擬合良好，試題具有單維性特征，均考察的是科學(xué)論證能力；評(píng)分分檔設(shè)置也較為合理，能夠較好地區(qū)分被試在各試題上表現(xiàn)的差異.因此，本研究所設(shè)計(jì)的科學(xué)論證能力評(píng)價(jià)工具科學(xué)、有效.通過分析對(duì)高中生科學(xué)論證能力實(shí)證研究的結(jié)果，得到如下結(jié)論： (1) 大多高中生的科學(xué)論證能力處于中等水平，被試在“規(guī)則精確性”和“推理有效性”這兩個(gè)維度表現(xiàn)較好，“概念復(fù)雜性”這一維度表現(xiàn)較差. (2) 不同性別被試科學(xué)論證能力不存在顯著性差異(t=0.312,p>0.05).(3) 科學(xué)論證能力與物理學(xué)業(yè)成就之間存在著顯著相關(guān)性 (r=0.595,p<0.01).不同性別被試的科學(xué)論證能力對(duì)學(xué)業(yè)成就的影響不同.科學(xué)論證能力能解釋物理成績(jī)變異的34.8%.