實驗專題教學對學生科學認識觀和科學態(tài)度的影響

摘要：以內(nèi)地新疆高中班預科37名學生為例，研究物質(zhì)鑒別和檢驗專題教學活動對學生科學認識觀和科學態(tài)度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在進行專題教學活動后，高分組和低分組的實驗方案寫作能力有顯著提高；在科學認識觀方面，高分組對科學知識的來源和確定性、低分組對科學知識的來源，均有更現(xiàn)代化和多元化的信念；在科學態(tài)度方面，高分組對細心觀察、低分組對謹慎思辨均有更積極的態(tài)度。

關鍵詞：物質(zhì)鑒別；物質(zhì)檢驗；科學認識觀；科學態(tài)度

文章編號：1008-0546（2017）03-0002-05 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.03.001

一、問題的提出

為培養(yǎng)具有科學素養(yǎng)的合格國民，科學教育不僅要培養(yǎng)學生具有科學知識與技能、解決問題的高階思維和能力，也要培養(yǎng)學生對科學本身具有正確的認識（例如科學認識觀）和良好的科學態(tài)度。科學認識觀和科學態(tài)度處于學生的觀念和情意層面，既是學生在科學學習中獲得的結果，也是對學生的科學學習產(chǎn)生重要影響的變量。教師有必要通過合適的教學活動來促進學生在上述方面的發(fā)展。

物質(zhì)的鑒別和檢驗是使用化學方法對未知的物質(zhì)體系進行系統(tǒng)研究，是最能夠體現(xiàn)化學學科特色和應用的內(nèi)容之一。它既是化學實驗的重要內(nèi)容，也是學生學習的重點和難點。學生在解決物質(zhì)鑒別和檢驗問題時，需要綜合運用元素化合物知識和化學實驗知識，有時候還需要運用實驗方案和實驗報告寫作技能[1]。筆者曾組織所在學校內(nèi)地新疆高中班（以下簡稱內(nèi)高班）預科學生圍繞物質(zhì)鑒別問題，設計解決問題的實驗方案和完成一系列開放性實驗[2]。筆者在其他研究的結果顯示，該實驗專題教學活動對學生設計實驗方案的發(fā)散思維、解決復雜問題的能力都有正面影響。在教師未對學生的科學認識觀和科學態(tài)度實施顯性教學活動的情況下，物質(zhì)鑒別和檢驗專題教學活動會對其產(chǎn)生怎樣的自發(fā)性影響？為此，筆者通過試探性研究，著重了解學生科學認識觀和科學態(tài)度在該實驗專題教學活動的變化，同時也了解學生實驗方案寫作能力的情況。

二、科學認識觀和科學態(tài)度

1. 科學認識觀

關于科學知識的本質(zhì)、來源和發(fā)展的哲學理論叫做科學認識論或科學知識論，個人對科學知識在上述各方面的觀點和信念叫做科學認識觀。Conley等人認為科學認識觀可以分為4個維度，分別面向科學知識的來源、確定性、發(fā)展性和驗證[3]。來源維度側重對獲得科學知識的權威地位的信念，確定性維度側重對科學知識具有唯一的正確答案的信念，發(fā)展性維度側重對科學知識持續(xù)發(fā)展和改變的信念，驗證維度側重實驗在獲得科學知識的作用的信念。由于該科學認識觀組成模型吻合認識論關注和研究的基本內(nèi)容，得到許多研究者的認可。

2. 科學態(tài)度

態(tài)度是個體對某一對象的持久性評價反應，包含認知、情感和行為意向的成分。Gardener認為科學態(tài)度（science attitude）是一個涵義廣泛的詞。它既可以理解為個人在處理科學問題時細心觀察、求真求實等“科學的態(tài)度”（scientific attitude），也可以理解為個人對科學的興趣、對科學家的態(tài)度等“對科學的態(tài)度”（attitude towards science）。這兩類科學態(tài)度都是“與科學相關的態(tài)度”（attitudes related to science）[4]。在了解學生的科學態(tài)度時，其實是了解學生與科學相關的態(tài)度，應該同時了解學生科學的態(tài)度和對科學的態(tài)度。研究者曾根據(jù)該主張開展研究，了解學生的科學態(tài)度在課程改革前后的變化[5]。

三、研究方法

1. 研究參與者

本研究以筆者所在學校內(nèi)高班預科40名學生作為研究參與者。內(nèi)高班是國家在內(nèi)地經(jīng)濟發(fā)達城市選擇部分重點高中，招收新疆初中應屆優(yōu)秀畢業(yè)生就讀高中的辦學形式。參與本研究的學生是“民考漢”和漢族學生，已經(jīng)在新疆當?shù)爻踔型瓿沙踔袑W業(yè)，繼續(xù)在本校內(nèi)高班預科重點補習初中文化課程，其中的化學課程每周有2課時。筆者最后只成功收集到37名學生的所有數(shù)據(jù)，他們成為有效的研究參與者，其中男生12人，女生25人，24人曾就讀新疆區(qū)內(nèi)初中班。根據(jù)預科入學摸底考試和多次學段考試的化學成績，筆者分別將18、19名學生劃分為高分組、低分組。由于每組學生的人數(shù)均少于30人，筆者對每組學生的實驗方案寫作測試總分、調(diào)查問卷各維度總分進行單樣本Kolmogorov-Smirnov檢驗。檢驗數(shù)據(jù)顯示學生在各項目的分數(shù)均符合正態(tài)分布，可以對分數(shù)進行相應的推斷統(tǒng)計。

2. 研究工具

（1）科學認識觀量表

Conley等人根據(jù)其提出的科學認識觀組成模型，編制了對應的科學認識觀量表。該量表是Likert 5點量表，共有26題，分為來源（5題）、確定性（6題）、發(fā)展性（6題）、驗證（9題）等4個維度。本研究使用臺灣學者蔡今中等人翻譯的中文版本量表，并且根據(jù)大陸地區(qū)的語言習慣，對部分文字作潤色處理。選項“完全不同意、不同意、一般、同意、完全同意”分別對應1～5分。來源、確定性這兩個維度共11題需要反向計分。學生在各維度的分數(shù)越高，表示學生越傾向于現(xiàn)代化和多元化的科學認識觀。根據(jù)Cronbrach α系數(shù)，總量表和各維度在本研究的前測、后測均有較好的信度。

（2）科學態(tài)度量表

臺灣學者邱美虹等人根據(jù)科學態(tài)度能力指標和有關參考文獻，編制了對應的科學態(tài)度量表。該量表是Likert 5點量表，共有42題，分為科學的態(tài)度分量表（30題）、對科學的態(tài)度分量表（12題）。科學的態(tài)度分量表包括好奇并持續(xù)懷疑、細心觀察、謹慎思辨、求真求實、尊重事實并謙虛客觀、了解科學探索的意義、責任感、科學態(tài)度的創(chuàng)造力這8個維度。對科學的態(tài)度分量表包括科學的社會意義、對科學的職業(yè)興趣、對科學探索的興趣這3個維度。除了科學態(tài)度的創(chuàng)造力維度只有2題外，其余維度都是4題。本研究使用她們編制的量表，同樣根據(jù)大陸地區(qū)的語言習慣，對部分文字作潤色處理。選項“完全不同意、不同意、一般、同意、完全同意”分別對應1～5分。各維度共有7題需要反向計分。學生在各維度的分數(shù)越高，表示學生贊同相應維度的科學態(tài)度。根據(jù)Cronbrach α系數(shù)，總量表、分量表和各維度在本研究的前測、后測均有較好的信度。

（3）物質(zhì)檢驗實驗方案寫作測試題

物質(zhì)檢驗實驗方案寫作測試題選取2015年廣州市中考化學試題第29題和筆者自編的復本試題。這兩道測試題均創(chuàng)設一個實驗情境，要求學生設計和書寫一個物質(zhì)檢驗實驗方案，檢驗一個混合物中是否存在某種鹽，并且結合題目的提示，檢驗存在哪種具體的鹽。學生在解答問題時，需要考慮混合物中的物質(zhì)會對后續(xù)的物質(zhì)檢驗過程產(chǎn)生干擾。測試題要求學生有較好的邏輯思維能力和文字表達能力，具有較好的難度和區(qū)分度。筆者模仿中考試題的形式來編制復本試題，確保實驗情境、設問方式、解題思路、評分標準均與中考試題相似，并且隨機抽取一道作為前測題，另外一道作為后測題。每道題均為8分。

3. 研究流程

由于研究參與者的特殊性，本研究使用單組前后測實驗設計進行研究。首先，筆者對學生進行實驗方案寫作和問卷調(diào)查前測，寫作測試時間是10分鐘，問卷填答時間是30分鐘。然后，筆者實施物質(zhì)鑒別和檢驗專題教學活動，共用4周8課時。學生需要完成的學習任務包括繪制實驗思路流程圖，獨自完成多個實驗，撰寫實驗方案和報告。在此期間，筆者不通過任何教學行為，引起學生對個人科學認識觀和科學態(tài)度的注意。在該實驗專題教學活動結束兩周后，筆者對學生進行實驗方案寫作和問卷調(diào)查后測，所需用時與前測時相同。

四、物質(zhì)鑒別和檢驗專題教學活動

在解決物質(zhì)鑒別和檢驗問題時，學生面臨著一個開放、不確定的實驗情景，需要經(jīng)歷一系列思考和實踐過程，具體包括：提出有關物質(zhì)種類的所有假設，設計符合化學反應要求和可操作的實驗方案，在真實情景下完成實驗，撰寫詳細具體且可供別人重現(xiàn)的實驗報告。從促進學生知識和能力發(fā)展的角度，筆者完善過去教學實踐的教學設計，提出如下專題教學活動設計，具體見表1。

在設計該實驗專題教學活動時，筆者有以下幾點考慮。首先，先復習物質(zhì)鑒別再復習物質(zhì)檢驗，可以形成有邏輯的學習內(nèi)容順序，更好地控制學生的復習難度，為學生形成和建立物質(zhì)鑒別和檢驗問題解決思路確定各種鋪墊。其次，學生通過改變鑒別或檢驗試劑的種類、物質(zhì)被鑒別或檢驗的順序，可以組合出多種不同的實驗思路和得到多種不同的實驗方案。這一教學活動有助于訓練學生有序、全面考慮問題的邏輯思維。最后，學生通過多次獨立繪制流程圖，完成實驗，撰寫實驗方案，增加在真實場景下實踐的機會。物質(zhì)鑒別和檢驗問題的解決過程是簡化的科學研究過程，這一教學活動有助于學生體會和認識科學本身和科學研究的特點。

五、結果與討論

1. 學生的實驗方案寫作能力

從表2可知，高分組、低分組在物質(zhì)檢驗實驗方案寫作測試前測的平均分分別是4.06分、1.89分，得分率分別是51%、24%。這顯示學生的實驗方案寫作能力、解決物質(zhì)鑒別和檢驗實驗問題的綜合能力欠佳。

經(jīng)過實驗專題教學活動，高分組、低分組在測試后測的平均分分別是5.22分、3.42分，與前測相比均有較大提高。成對樣本t檢驗顯示，2組在測試前測、后測的平均分均存在顯著差異，高分組、低分組的效果量Cohens d分別是0.638、0.956，分別有中等程度、大的效果。這顯示實驗專題教學活動對學生提高實驗方案寫作能力、解決物質(zhì)鑒別和檢驗實驗問題的綜合能力有一定幫助。不可否認，高分組、低分組在測試后測的得分率僅是65%、43%，還沒有達到更大的比例，日后的教學實踐有必要調(diào)整和優(yōu)化教學活動的整體設計，以便促進學生在這方面得到更大的發(fā)展。

2. 學生的科學認識觀

在科學認識觀前測中（表3），低分組在來源維度是3.18分，高分組、低分組在其他維度的平均分均在3.5分以上，驗證維度的平均分更在4分以上。這顯示學生在各維度具有較現(xiàn)代化和多元化的科學認識觀。其次，2組在4個維度的平均分均有相同的大小順序：驗證>發(fā)展性>確定性>來源。這顯示學生極其認可使用實驗方法獲得科學想法和科學知識的價值，認為科學想法和科學知識在科學研究中會不斷地改變，也認為科學知識可能有錯及科學問題會有多種正確答案，但仍然較認可科學家、科學教師和科學課本的知識權威地位。再者，高分組在各維度的平均分均較低分組高，這顯示高分組比低分組有更現(xiàn)代化和多元化的科學認識觀。

在后測，2組在驗證維度的平均分有稍微下降，2組在其他維度的平均分均有不同程度的提高。高分組在4個維度的平均分均在4分以上。成對樣本t檢驗顯示來源、確定性維度和總量表的前測、后測平均分均存在顯著差異，效果量Cohens d分別是0.979、0.881、0.659，分別有大的、大的、中等程度的效果。對于低分組，4個維度的平均分均在3.5分以上。成對樣本t檢驗也顯示來源維度的前測、后測平均分存在顯著差異，效果量Cohens d=1.011，有大的效果。這顯示經(jīng)過實驗專題教學活動，高分組對科學知識的來源和確定性，低分組對科學知識的來源，均有更現(xiàn)代化和多元化的信念。

學生在科學認識觀的改變應該與該實驗專題教學活動有密切的關系。學生通過個人的思考，不斷地設計出多種新的實驗方案來解決不同的問題。當學生對物質(zhì)鑒別和檢驗問題的認識轉化為他們的科學知識后，學生能夠感受到個人也可以產(chǎn)生科學知識，而且科學知識并非只產(chǎn)生唯一的正確答案。這都有助于學生改變對科學知識的來源和確定性的信念，形成更現(xiàn)代化和多元化的科學認識觀。

3. 學生的科學態(tài)度

表4顯示，在科學態(tài)度前測中，高分組和低分組在細心觀察維度、低分組在科學態(tài)度的創(chuàng)造力維度的平均分在3.10～3.50分，2組在其他維度的平均分均在3.5分以上，高分組在科學的社會意義維度的平均分更在4分以上。這顯示學生對個人在科學活動中的表現(xiàn)、對科學的意義和興趣都具有較積極的態(tài)度。其次，2組在對科學的態(tài)度分量表的平均分均大于科學的態(tài)度分量表，這顯示學生對科學的意義和興趣有更多的認同。再者，除了細心觀察和對科學的職業(yè)興趣維度外，高分組在其余維度的平均分均較低分組高，這顯示高分組比低分組有更積極的科學態(tài)度。

在后測中，2組在多個維度的平均分稍微下降或提高，表現(xiàn)出個人在科學態(tài)度不同方面的變化。高分組在細心觀察維度的平均分增幅最大，成對樣本t檢驗顯示該維度的前測、后測平均分存在顯著差異，效果量Cohens d是0.730，有中等程度的效果。低分組在謹慎思辨維度的平均分增幅最大，成對樣本t檢驗也顯示該維度的前測、后測平均分存在顯著差異，效果量Cohens d是0.697，有中等程度的效果。這顯示經(jīng)過實驗專題教學活動，2組在科學研究所需的某些科學態(tài)度上有顯著變化，高分組更認可要細心觀察，低分組更認可要謹慎思辨。

學生在科學態(tài)度的改變也應該與該實驗專題教學活動有密切的關系。學生需要獨立地設計實驗方案，完成物質(zhì)鑒別和檢驗實驗。高分組具有較高的化學學業(yè)水平，設計出較多的實驗方案，可以在多次實驗中不斷檢驗個人實驗方案的可行性。這客觀上增加學生觀察實驗現(xiàn)象的訓練，在一定程度上有助于學生在細心觀察態(tài)度上的改變。低分組具有較低的化學學業(yè)水平，設計出較少且不一定正確的實驗方案，在獲得失敗的實驗結果后，需要反思實驗方案的設計過程。這客觀上迫使學生需要更細致地分析實驗問題和找到明確的實驗思路，在一定程度上有助于學生在謹慎思辨態(tài)度上的改變。

六、結論與建議

本研究面向內(nèi)高班預科學生，實施物質(zhì)鑒別和檢驗專題教學活動。在教學實踐后，高分組和低分組的實驗方案寫作能力有顯著提高；對于科學認識觀，高分組在來源維度、確定性維度和總量表，低分組在來源維度的平均分均有顯著提高，學生在這些方面有更現(xiàn)代化和多元化的信念；對于科學態(tài)度，高分組在細心觀察維度、低分組在謹慎思辨維度的平均分均有顯著提高，學生在這些方面有更積極的態(tài)度。這顯示該實驗專題教學活動能夠對學生的科學認識觀和科學態(tài)度產(chǎn)生積極的影響，促進學生在這兩方面的發(fā)展。

在實驗專題教學活動中，筆者并未通過顯性的教學活動，著重培養(yǎng)學生的科學認識觀和科學態(tài)度。學生在這兩方面的改變完全是學生在實驗專題教學活動中自發(fā)的、潛移默化的隱性學習結果。這也表示，如果教師實施顯性的科學認識觀和科學態(tài)度教學活動，更有助于學生在這兩方面發(fā)生實質(zhì)的改變。

限于教學實踐條件，本研究只能夠使用前后測實驗設計進行試探性研究，未能夠徹底摒除無關變量的影響。又由于本研究只以內(nèi)高班預科學生作為教學對象，所得的研究結論有一定的局限性，讀者不宜對其作過分推論。日后可以圍繞其他學生群體和其他實驗主題，開展相應的實證研究，豐富學生科學認識觀和科學態(tài)度發(fā)展的研究成果。

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