李夢(mèng)宇 李建彬 胡象嶺

(曲阜師范大學(xué)物理學(xué)系,山東 曲阜 273165)

1 引言

科學(xué)思維是指具有意識(shí)的人腦對(duì)科學(xué)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(xué)推理(scientific reasoning)指的是個(gè)體對(duì)一個(gè)多變量系統(tǒng)進(jìn)行推斷時(shí)表現(xiàn)出的思維能力,[2]是科學(xué)思維的重要組成部分．因此,開(kāi)展關(guān)于科學(xué)推理能力的研究,是發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的必然要求．

科學(xué)推理能力水平的測(cè)量是科學(xué)推理能力研究的一項(xiàng)基礎(chǔ)性的工作．關(guān)于科學(xué)推理能力測(cè)量的工具有很多,例如美國(guó)學(xué)者Lawson編制的科學(xué)推理能力測(cè)試卷[3](Lawson’s Classroom Test of Scientific Reasoning,簡(jiǎn)稱“LCTSR”,作者于2000年對(duì)該問(wèn)卷進(jìn)行了修訂,修訂版簡(jiǎn)稱“LCTSR 2000”)．該測(cè)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(cè)試卷比較了中美大學(xué)生科學(xué)推理能力的發(fā)展水平,郭玉英等[7,8]研究了我國(guó)學(xué)生科學(xué)推理能力隨年級(jí)發(fā)展的規(guī)律．高中階段是學(xué)生發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期,研究該階段學(xué)生的科學(xué)推理能力的發(fā)展水平并基于此開(kāi)展教學(xué)有助于學(xué)生的發(fā)展．但目前針對(duì)高中學(xué)生科學(xué)推理能力的研究卻比較少．為此,本研究擬使用LCTSR 2000測(cè)試卷,測(cè)量高中階段學(xué)生的科學(xué)推理能力發(fā)展?fàn)顩r,以期為相關(guān)研究提供參考．

2 研究方法

2.1 測(cè)量工具

LCTSR 2000測(cè)試卷共有24道試題,測(cè)量了6個(gè)維度的科學(xué)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(jiǎn)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(cè)試卷的題目分布見(jiàn)表1．

表1 LCTSR 2000測(cè)試卷的題目分布

測(cè)試卷的24道題目均為有多個(gè)選項(xiàng)的單選題,每2道題目為一組,共描述了12個(gè)問(wèn)題情境．每組題目中,前一道題目提出問(wèn)題,后一道題目要求被試回答原因．本研究采用獨(dú)立計(jì)分法進(jìn)行計(jì)分,即被試每答對(duì)一題計(jì)1分,答錯(cuò)計(jì)0分,測(cè)試卷的總分為24分．

2.2 研究樣本

高二年級(jí)是學(xué)生的思維認(rèn)知發(fā)展趨于成熟階段的關(guān)鍵時(shí)期,為此本研究選擇高二學(xué)生為研究群體．被試是從曲阜師范大學(xué)附屬中學(xué)高二年級(jí)隨機(jī)抽取的2個(gè)普通理科教學(xué)班的94名學(xué)生,被試作答時(shí)間為35min．被試信息見(jiàn)表2．

表2 有效被試分布信息

3 研究結(jié)果

3.1 測(cè)試卷的測(cè)量學(xué)指標(biāo)

3.1.1 測(cè)試卷的難度

用全體被試得分率來(lái)表征題目的難度系數(shù),數(shù)值越小表明難度越大．基于測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算了所有試題的難度系數(shù),結(jié)果見(jiàn)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(dá)到了0.28．以0.5和0.7為界,簡(jiǎn)單、適中和較難試題的比例為14∶5∶5,表明該測(cè)試卷的難度分布較為合理．

3.1.2 測(cè)試卷的區(qū)分度

利用高低分組法計(jì)算了測(cè)試卷的區(qū)分度,結(jié)果見(jiàn)表4．

表4 24道測(cè)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(guò)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(guò)低與題目的難度過(guò)小有關(guān),高二學(xué)生已對(duì)這些題目有了相當(dāng)成熟的認(rèn)知,從測(cè)量學(xué)的角度看,這4道試題已不適宜區(qū)分高二學(xué)生的科學(xué)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(xué)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(jiàn)圖1．

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

圖1 高二學(xué)生科學(xué)推理能力得分分布

圖2 中美大學(xué)生科學(xué)推理能力得分分布

3.2.2 各維度得分情況

計(jì)算出被試在各能力維度的均值和標(biāo)準(zhǔn)差,結(jié)果見(jiàn)表5．

表5 各能力維度的均值和標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)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(dá)圖,如圖3所示．

圖3 被試各科學(xué)推理能力維度雷達(dá)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(shí),水平較低的兩個(gè)維度的標(biāo)準(zhǔn)差較大,表明被試個(gè)體在這兩個(gè)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(xué)生得分情況(見(jiàn)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(xué)生各科學(xué)推理能力維度雷達(dá)圖

3.3 學(xué)生科學(xué)推理能力與性別的關(guān)系

被試在科學(xué)推理能力總分和6個(gè)維度得分的性別差異,結(jié)果見(jiàn)表6．

表6 科學(xué)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(shuō)來(lái),男女學(xué)生的科學(xué)推理能力水平相當(dāng),不存在顯著的性別差異．

3.4 科學(xué)推理能力與物理學(xué)習(xí)成績(jī)的關(guān)系

為了研究科學(xué)推理能力是否會(huì)影響物理學(xué)習(xí)成績(jī),本研究采集了被試高二上學(xué)期的期末物理成績(jī),與科學(xué)推理能力測(cè)試成績(jī)做了相關(guān)性分析,結(jié)果見(jiàn)表7．

表7 科學(xué)推理能力及其各維度得分與物理成績(jī)的相關(guān)性

相關(guān)分析結(jié)果表明,物理學(xué)習(xí)成績(jī)與科學(xué)推理能力成績(jī)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(xué)推理的各個(gè)維度,假設(shè)演繹推理與物理學(xué)習(xí)成績(jī)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(xué)習(xí)成績(jī)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(duì)物理學(xué)習(xí)成績(jī)的影響不大．

4 討論

4.1 高二學(xué)生的科學(xué)推理能力

一般認(rèn)為,科學(xué)推理能力是個(gè)體的一般能力,不依賴于某一專門領(lǐng)域．比對(duì)包雷、[4]張軼炳[5]等對(duì)大學(xué)生科學(xué)推理能力水平的研究,高二學(xué)生的科學(xué)推理能力尚處于一個(gè)不完全成熟的階段．處于該階段學(xué)生的科學(xué)推理能力已經(jīng)達(dá)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(jìn)一步發(fā)展．如何發(fā)展學(xué)生的科學(xué)推理能力是需要進(jìn)一步研究的課題．Benford等人[9]發(fā)現(xiàn),個(gè)體科學(xué)推理能力的強(qiáng)弱、是否增長(zhǎng),與教學(xué)方式相關(guān),采用探究式教學(xué)可以顯著提高學(xué)生的科學(xué)探究能力．為此,在物理教學(xué)中應(yīng)積極開(kāi)展探究式教學(xué),并重視培養(yǎng)學(xué)生在假設(shè)演繹推理方面的能力．

4.2 科學(xué)推理能力的性別差異

馮秀梅等[6]在探討中美大學(xué)生科學(xué)推理能力的性別差異中發(fā)現(xiàn),中美大學(xué)生的總體表現(xiàn)都存在性別差異,而中國(guó)學(xué)生的性別差異相對(duì)較?。盍χ鄣萚10]對(duì)甘南藏族地區(qū)中學(xué)生科學(xué)推理能力的抽樣調(diào)查中也認(rèn)為男生、女生之間科學(xué)推理能力水平存在著一定的差異,女生在高一階段科學(xué)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(xué)生在科學(xué)推理能力上存在顯著的性別差異,與孫慧娟等[11]對(duì)寧夏地區(qū)理科生的科學(xué)推理能力測(cè)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(xué)推理能力是否存在差異,仍需進(jìn)一步探討．

4.3 物理學(xué)習(xí)成績(jī)與科學(xué)推理能力

不少研究都考查了科學(xué)推理能力與學(xué)習(xí)成績(jī)的關(guān)系．包雷[4]運(yùn)用對(duì)比的方法,發(fā)現(xiàn)中美兩國(guó)學(xué)生雖然在物理學(xué)習(xí)成績(jī)方面存在較大差異,但是兩國(guó)學(xué)生科學(xué)推理能力卻近乎相同,即物理成績(jī)的優(yōu)劣對(duì)學(xué)生科學(xué)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(xué)生的情況,成績(jī)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(xué)環(huán)境下的兩個(gè)平行班級(jí),盡可能排除了無(wú)關(guān)因素的影響．梁美怡[12]計(jì)算了初中生物理學(xué)習(xí)成績(jī)與科學(xué)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(xué)推理能力對(duì)高中生物理學(xué)習(xí)成績(jī)的影響主要體現(xiàn)在假設(shè)演繹推理和相關(guān)推理兩個(gè)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(duì)初中生的研究表明,控制變量和假設(shè)演繹推理對(duì)物理學(xué)習(xí)成績(jī)影響較大．可見(jiàn),不論是初中生還是高中生,假設(shè)演繹推理能力對(duì)物理考試的成敗具有顯著影響．我國(guó)的物理試題一般都是給出問(wèn)題情境,由學(xué)生分析作答,在這一過(guò)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(xué)生的物理學(xué)習(xí)成績(jī)的重要途徑便是培養(yǎng)學(xué)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(cè)試卷具有較為理想的難度和區(qū)分度．(2) 大部分高二學(xué)生的科學(xué)推理能力處于中等偏上的水平,與大學(xué)生相比,仍有一定的發(fā)展空間．(3) 高二學(xué)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(xué)生的科學(xué)推理能力不存在顯著的性別差異．(5) 科學(xué)推理能力與物理學(xué)習(xí)成績(jī)的相關(guān)為0.313,其中,假設(shè)演繹推理對(duì)成績(jī)的影響最為顯著．