初中生科學探究能力的調查研究

一、問題提出

在經(jīng)合組織（OECD）組織進行的2009年國際學生評估項目（PISA）測試中，上海中學生在閱讀、數(shù)學和科學素養(yǎng)三方面均排名全球第一。這個測試結果讓不少人士感到歡欣鼓舞，使備受詬病的我國基礎教育有了信心和更多期待。但也有研究者認為PISA測試的還是知識，這本來就是我國學生的強項，這個測試結果不足為奇，不能由此遮蔽我國基礎教育的弊端，尤其是探究能力、創(chuàng)新能力的不足。探究能力是我國基礎教育改革的重要目標，然而至今我們還沒有看到系統(tǒng)的測試報告，我國一般是在學科考試中設置幾道探究試題，這種小題量顯然很難有效反映學生的探究能力。為便于國際比較，本研究將用一套國際著名的探究能力測試題進行測試，以了解我國初中生的科學探究能力現(xiàn)狀及其影響因素，并為改善探究教學提供科學依據(jù)。

二、研究方法

1.測試對象

在廣西14個地級市中，把每市的城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)初中學校按照重點、一般和薄弱進行分類，每類學校隨機抽出1所學校，再從每所學校隨機抽出50名九年級學生，共4200名。城鄉(xiāng)學生各2100名，男女生各2187名、2013名。

2.數(shù)據(jù)收集和處理

探究能力采用美國的Burns等人開發(fā)的探究測試題進行測試，共36道選擇題，分別測試定義變量、識別變量、猜想假設、探究設計和分析數(shù)據(jù)等探究能力，信度為0.86，區(qū)分度為0.55。科學興趣、探究程度調查采用自編問卷進行調查，共15道選擇題、3道開放題，信度為0.76。地理、生物、化學和物理成績采用各學期期考成績的平均分。使用SPSS18.0工具對數(shù)據(jù)進行處理，計算均分差異顯著性和相關系數(shù)。

三、結果和討論

1.初中生探究能力的表現(xiàn)水平

從表1看到，本次測試平均得分率是56.5%；而上世紀80年代伯恩斯等人對美國九年級學生進行測試，平均得分率54.2%[1]；早幾年又有研究者用這套試題對美國九年級學生進行測試，平均得分率55.6%[2]。這次測試結果表明受測試的初中生探究能力并不遜色，雖然我國提倡探究教學不過十年光景，但畢竟有后發(fā)優(yōu)勢，有很多經(jīng)驗可資借鑒，在培養(yǎng)學生探究能力方面已見成效。

下面再逐一分析學生在各個探究要素上的表現(xiàn)水平。

定義變量即把需要操縱的自變量、觀測的因變量具體化，使之具有可操作性。例子：一組學生在研究輪子的寬度對滾動難易程度的影響，他們首先把寬輪子和窄輪子安裝在兩輛相同的小車子上，分別讓它們從斜面滾下，并在水平面繼續(xù)運動。那么，為了比較輪子滾動難易程度，學生們會測量什么呢？A測量兩輛小車的運動距離；B測量斜面的傾斜程度；C測量兩種輪子的寬度；D測量兩輛小車的重力。這道題要求把因變量“輪子滾動難易程度”具體化，正確答案為A，得分率為55.3%。定義變量共9道題，平均得分率54.5%，這個結果說明學生的實踐意識和能力較差，或把抽象概念轉化為具體概念的能力較差，這與學生探究經(jīng)歷不足有關。

識別變量即找出自變量、控制變量和因變量。例子：小華很想知道地球和海洋是不是被太陽同等地加熱，于是她用兩個相同的桶分別裝上相同體積的土壤和水，然后讓它們接收同樣多的太陽光照射。從上午8點到下午6點，小華每隔一小時就測一次土壤和水的溫度。該研究的自變量是什么？A放在桶里的水的種類；B水和土壤的溫度；C放在桶里的材料的種類；D每個桶在太陽中照射的時間。這道題答案為A，得分率22.3%。識別變量共9道題，平均得分率23.6%，得分率之低也許令人驚訝，但在筆者的意料之中，因為國內現(xiàn)行各個版本的初中理科教材無一出現(xiàn)自變量、因變量和控制變量這些概念，而大部分教師擔心增加學生負擔，也沒有在教學中涉及這些概念，以致大部分學生答題時憑猜測來揣摩這些概念的意思，接近1/4的得分率也恰好符合猜測規(guī)律。

猜想假設即運用知識和經(jīng)驗對問題進行試探性解釋或解決。例子：小剛在研究豆類植物的食物含量，他測量了淀粉含量，以此當作豆類植物中的食物含量；他還能改變植物所接收的光量、二氧化碳量和水量。那么，在這個研究中，小剛要檢驗的假設是什么呢？A豆類植物得到的二氧化碳越多，它產(chǎn)生的淀粉就越多；B豆類植物產(chǎn)生的淀粉越多，它需要的光量就越多；C豆類植物得到的水越多，它需要的二氧化碳就越多；D豆類植物得到的光量越多，它產(chǎn)生的二氧化碳就越多。這道題答案為A，得分率52.3%，答錯者多數(shù)選了B，因為B是對一些豆類植物成立的書本知識，這些答錯者就把書本知識當作正確的猜想假設，以為猜想假設總應該與知識吻合，但本題考查的并非知識，而是能否把欲探究的因果關系找出來，錯選B表明潛在的“唯師唯上唯書”思想在作祟，還未建立開放的探究意識，未能區(qū)分探究和知識的關系。猜想假設共9道題，平均得分率63.7%，丟分的原因基本與以上類似。

探究設計即從操作角度把猜想假設具體化、程序化。例子：小明認為籃球內的氣壓越高，它的彈跳就會越高。為了檢驗這個假設，他用幾個籃球和一個能充氣的氣泵來進行探究。小明會怎樣檢驗他的假設呢？A用不同的力把籃球從相同高度丟下；B讓內氣壓不同的籃球從相同高度自由落下；C把內氣壓相同的籃球從不同角度丟下；D讓內氣壓相同的籃球從不同高度自由落下。這道題答案為B，得分率為85.3%。探究設計共3道題，平均得分率83.4%。這3道題考查的都是能否運用控制變量法判斷探究設計的合理性，說明學生對控制變量這個方法掌握較好。

分析數(shù)據(jù)即分析變量數(shù)據(jù)之間的關系，歸納出結論。例子：一個研究人員在研究植物生長需要多少水量時，給5塊相同的小塊土地施了不同的水量。兩個月后，他測量了植物的高度，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在圖中，從圖中可看出植物生長與水量有什么關系？A增加水量會增加植物的高度；B增加植物的高度會增加水量；C減少水量會增加植物的高度；D降低植物的高度會減少水量。這道題答案為A，得分率為82.3%。分析數(shù)據(jù)共6道題，或者給出圖形，要求判斷變量之間的關系，或者給出兩個變量的數(shù)據(jù)表，要求判斷哪個圖正確描繪變量之間的關系。這6道題的平均得分率85.2%，說明學生能較好地利用已有數(shù)據(jù)或圖形進行推理分析、歸納出結論。

2.不同學生群體的探究能力差異

對于性別差異，表2表明男生總體稍強于女生，但差異不顯著。在這方面，國內外不同研究者的結論差異較大，有的發(fā)現(xiàn)男生比女生強，有的發(fā)現(xiàn)男女生相當[2]。在本研究中男女生表現(xiàn)相當，是因為隨著我國社會不斷進步，教育條件不斷得到改善，男女生有了同等教育機會，提高女生學習質量的研究和關照日趨加強，影響性別差異的一些因素逐步消失。但總體表現(xiàn)也許難以反映男女生的探究特點，深入到各探究要素會有助于了解男女生的不同探究特點。從表2看到，在定義變量方面男生更強些，因為男生更喜歡動手探究，有更豐富的探究經(jīng)歷，這些特點有助于男生把抽象變量轉換為可操作的具體方法；而在探究設計方面女生更強些，這與男女生的平時探究表現(xiàn)很一致，男生膽子更大，好奇心和動手操作欲望更強，急于動手操作，往往在動手和嘗試中調整設計；而女生膽子小些，在動手操作之前更謹慎、細心些，往往是先設計后動手，因此女生形成了良好的探究設計習慣和行為。至于在識別變量、猜想假設和分析數(shù)據(jù)方面，男女生稍有差異，但不顯著。

對于城鄉(xiāng)差異，表2表明城市學生總體強于鄉(xiāng)鎮(zhèn)學生，差異極其顯著；在定義變量和探究設計方面，也是城市學生強于鄉(xiāng)鎮(zhèn)學生，差異顯著。這些發(fā)現(xiàn)與一些國外研究發(fā)現(xiàn)不同，這顯然是國情不同造成的。我國城鄉(xiāng)教師素質、硬件配備等教育資源差異很大，鄉(xiāng)鎮(zhèn)學生很少經(jīng)歷完整探究過程，實驗探究往往變成“理論探究”，即在嘴上講探究，在黑板上畫探究，在作業(yè)本上練探究。紙上談兵對陳述性知識是奏效的，但對程序性知識卻很難奏效，后者需要在具體情境中多次實踐，才能內化為一般能力并遷移到復雜情境中去。在識別變量、分析數(shù)據(jù)方面，城市學生稍強于鄉(xiāng)鎮(zhèn)學生，但差異不顯著，這是因為這兩個要素的理論色彩更濃，需要運用邏輯推理分析，即使城市學生有更豐富的探究經(jīng)歷，其優(yōu)勢也無法體現(xiàn)。但是，在猜想假設方面，卻是鄉(xiāng)鎮(zhèn)學生強于城市學生，差異顯著，這是因為猜想假設既要用到學科知識也要用到生活經(jīng)驗，而本套試題所需的學科知識很淺顯，城市學生的學科知識優(yōu)勢發(fā)揮不出來，但是在生活經(jīng)驗方面鄉(xiāng)鎮(zhèn)學生顯然對大自然有更多的接觸認識和經(jīng)驗，這些經(jīng)驗優(yōu)勢使其在猜想假設方面略勝一籌。

3.影響初中生探究能力的若干因素

對于探究要素、探究總體與各學科的相關系數(shù)，從低到高依次是地理、生物、化學和物理，但只有與物理的相關系數(shù)達到顯著水平，這個結果與其他研究者的發(fā)現(xiàn)有異同之處。美國的Lawrenz等人認為，任何科學探究都會涉及一定的學科知識，能否完成每個探究步驟不僅取決于相關的學科知識和技能，還取決于先前步驟的完成質量，因此探究能力與學科知識有關系[2]。但是，以色列Tamir等人認為，雖然科學探究或多或少會涉及學科知識，但它畢竟與學科知識不同，它是一種類似于想象能力、推理能力的獨特認知能力[3]。那么，在測試探究能力時，如何把嵌入的學科知識分離或剔除呢？Burns的做法是把所需的學科知識難度降到最低程度，使幾乎所有學生都具備這些知識，這樣測試結果即能代表探究能力水平。本套試題涉及到了地理、生物、化學和物理學科，測試結果與物理的相關系數(shù)最高，進一步證實了探究能力是一種獨特的高水平認知能力，因為這些學科的知識容量、知識難度和科學探究不一樣，相對而言物理知識容量最多、難度最大、探究時間和機會最多，即需要更高的認知水平。

測試結果與科學興趣、課內探究程度和課外探究程度等因素極其顯著相關，這些因素比學科知識更影響探究能力。表明學生對科學具有興趣，其投入科學和探究的精力會更多、牽涉的認知水平會更高；也表明不管是課內還是課外，只要增加探究活動程度，會顯著提高學生的科學探究能力。值得注意的是，測試結果與課外探究程度的相關系數(shù)最高。毫無疑問，提高課內探究程度使學生有更多的探究機會，同時能得到教師的更多指導，但課內探究畢竟是自上而下的外在要求，并非完全是學生的內在需求。而課外探究不同，主要是發(fā)自內在興趣，興趣驅使學生把探究遷移到課外，這些興趣和活動是提高探究能力的可持續(xù)原動力。

盡管測試范圍僅為廣西，但也能窺斑見豹，可以得出初步結論：在可比范圍內我國初中生探究能力總體并不遜色于美國初中生，但總體仍屬于一般，而且各要素水平不平衡，在與實踐相關較大的定義變量和識別變量方面較差，在與邏輯推理相關較大的猜想假設、探究設計和分析數(shù)據(jù)方面較強；男女生總體相當，但男生在與實踐相關較大的定義變量方面較強，女生在需要耐心細致的探究設計方面較強；城市學生總體強于鄉(xiāng)鎮(zhèn)學生，城市學生主要在需要豐富探究經(jīng)歷的定義變量和探究設計方面較強，鄉(xiāng)鎮(zhèn)學生主要在需要生活經(jīng)驗的猜想假設方面較強；科學探究能力與地理、生物和化學知識基本不相關，但與需要較高認知水平的物理知識相關，尤其與科學興趣、課內探究程度和課外探究程度相關。

參考文獻

[1] Burns J C，Okey J R，Wise K C.Development of An Integrated Process Skill Test：TIPS II.Journal of Research in Science Teaching，1985，22（2）.

[2] Lawrenz F，Huffman D，Welch W. The Science Achievement of Various Subgroups on Alternative Assessment Formats. Science Education，2001，85（3）.

[3] Tamir P，Doran R L，Kojima S，et al. Procedures Used in Practical Skills Testing in Science. Studies in Educational Evuluation，1992，19（3）.

（責任編輯 楊 子）