初中生科學推理能力與原始問題解決能力的比較研究

邢紅軍 蔡曉華 胡揚洋

（1.首都師范大學物理系 100048；2.北京工業大學實驗學校 100000；3.首都師范大學教育學院 100048）

·初中園地·

初中生科學推理能力與原始問題解決能力的比較研究

邢紅軍1蔡曉華2胡揚洋3

（1.首都師范大學物理系 100048；2.北京工業大學實驗學校 100000；3.首都師范大學教育學院 100048）

發展與促進初中生的科學推理能力與原始物理問題解決能力具有重要意義.有鑒于此，運用LCTSR科學推理能力測試量表與初中原始物理問題測量工具對初三學生進行施測.結果顯示，初中生科學推理能力水平較高，原始物理問題解決能力水平較低；科學推理能力與原始物理問題解決能力弱相關，表明科學推理能力與原始物理問題解決能力分屬不同的智能.研究結果啟示我們，應全面促進物理教育方式的生態化，扎實推進核心素養課程目標的落實，高度重視理科教育評價方式的改革，從而真正推進課程改革的深入發展.

科學推理；原始物理問題；核心素養；教育生態化

科學推理（scientific reasoning）在皮亞杰的認知發展理論中被首次提出.科學推理涵蓋了設計實驗、探究學習、推論思辨、證據評估、邏輯論證等活動所需的推理技能和思維技能，這些活動是形成和完善人們對自然界和人文社會的各種概念和理論認知過程的重要步驟.［1］Lederman將科學推理定義為歸納思維和演繹思維.歸納思維即概念獲得、概念形成和概念圖示，演繹思維即基于觀察、模型建構和經驗證據進行的評價.［2］Klahr和Dunbar則認為科學推理即問題解決.

盡管研究者對于科學推理的界定還存在分歧，但對科學推理內涵的認識則大致相同.科學推理是個體思維能力發展到一定程度之后具有的推理類型；個體進行科學推理一般采用演繹推理和歸納推理；個體應用科學推理進行假設檢驗或問題解決.

在引進科學推理測驗工具的同時，發端于我國本土的原始物理問題教學理論與教學實踐，近年來已成為我國理科教育領域的研究熱點.科學推理能力與原始物理問題解決能力有著怎樣的區別、聯系與相關？在理科教育教學中如何應用這些理論？這些問題逐漸成為我們關注的研究課題.

1 初中生科學推理能力測試與分析

本研究選用兩套測量工具，LCTSR科學推理能力測試量表與初中原始物理問題測量工具.LCTSR科學推理能力測試量表在國際上得到廣泛認可，該量表由加利福尼亞大學Anton E.Lawson教授設計，主要從6個維度對學生的科學推理能力進行測量，包括體積質量守恒推理、比例推理、控制變量推理、概率推理、相關推理、假設演繹推理.初中原始物理問題測驗工具分別從抽象、圖像、賦值、物理、方法、數學6個維度對學生解決原始物理問題能力進行測量.［3］

原始物理問題測驗工具由4道題目構成.原始物理問題是對物理現象的描述，題目中不出現物理量，解答問題需要的物理量需要自行設置.采用主觀試題客觀評分，每個問題均包含抽象、圖像、賦值、物理、方法、數學6個表征，完成一個表征得1分，未能答出或未能完全答出，則不給分，即每個表征的評分或者是1分或者是0分.每個題目滿分6分，4道題目滿分24分，與科學推理能力測試量表的滿分一致.

測試對象選取北京市朝陽區初中三年級學生，共計393人.分別運用兩套測量工具測試，得到測試卷786份，其中無效試卷10份，有效試卷776份.表1是科學推理能力測試成績統計.

對科學推理能力測試成績進行正態分布擬合，如圖1所示.

由圖1可知，測試成績滿足正態分布，說明測試量表具有較好的信度和效度，適宜做相關分析.

表1 LCTSR測試成績統計

圖1

由表1和圖1可知，0—4分數段人數為0，說明學生的科學推理能力沒有過低的.5—12分數段人數占17.8%，表明少部分學生的科學推理能力處于較低水平；13—20分數段人數占69.6%，表明大部分學生的科學推理能力處于中等水平；21—24分數段人數占12.6%，表明少部分學生的科學推理能力已達到較高水平.測試平均成績為15.93分，表明初三學生的科學推理能力整體處于較高水平.

對科學推理能力各維度得分進一步分析，結果如表2所示.

表2 LCTSR測試各維度成績

將LCTSR測試各維度得分率生成條形圖，如圖2所示.

圖2

由表2和圖2可知：

（1）體積質量守恒推理維度得分率為92.98%，在各維度中得分率最高，表明初三學生已具有很高的守恒推理能力.在六種推理能力中，只有守恒推理是具體運算模式類型，其余推理能力均屬形式運算模式類型，說明大部分初中生的認知水平已達具體運算階段.

（2）比例推理維度得分率為88.60%，僅次于守恒推理維度，表明初三學生已具有較好的比例推理能力.其原因或許在于，我國理科教學對運算訓練給予了較高重視，使得大部分學生具有較好的運算能力，因而能夠在比例推理維度取得較好成績.

（3）假設演繹推理維度得分率為69.27%，對于初中生來說，在這一形式運算階段的推理維度上的表現已達較好水平.事實上，我國理科教學一直重視邏輯思維訓練，因此，初三學生的邏輯思維能力得到了較好發展，從而能夠在假設演繹推理維度取得不錯成績.

（4）控制變量推理維度得分率為60.40%，表明學生的控制變量推理能力一般.令人不解的是，目前中學物理教學對控制變量法的教學是非常重視的，但控制變量推理維度得分卻并不理想.究其原因，是因為教師教學中僅讓學生了解控制變量法的名稱，并沒有讓學生理解其本質.測試結果顯示，初三學生并沒有很好地理解和掌握控制變量推理的內涵.

（5）相關推理維度得分率為51.80%，表明學生的相關推理能力較弱.相關推理需要學生具有整體思維，不僅能夠對整體情況進行分析，還須找出整體中各部分間的聯系，是更高層次的能力要求，所以學生相關推理維度得分率低也在情理之中.

（6）概率推理維度得分率為30.93%，表明學生的概率推理能力最差.概率推理要求學生能夠理解概率的本質，能解釋一些不可預言的、不可確定的觀察事實，并能識別變量之間的關系.由于概率知識是高中階段的教學內容，初中階段較少涉及，因此導致初中學生的概率推理能力最差.

2 初中生原始物理問題解決能力測試與比較

對原始物理問題測試成績進行統計分析，結果如表3.

表3 原始物理問題測試成績統計

續表

將原始物理問題測試成績做成直方圖，如圖3所示.

圖3

由表3和圖3可知，原始物理問題測試成績整體偏低，20—24分數段人數為零.63.1%的學生成績集中在0—3分數段，表明大多數學生的物理問題解決能力很差；21.9%的學生成績集中在5—8分數段，表明這部分學生的物理問題解決能力一般；11.3%的學生成績集中在9—19分數段，表明這部分學生的物理問題解決能力稍好.

對原始物理問題測試各表征成績進一步分析，結果如表4所示.

表4 原始物理問題測試成績

原始物理問題各維度得分直方圖如圖4所示.

圖4

以下對6個表征得分情況進行分析.

（1）抽象表征得分率為23.32%，表明近1／4的學生具有一定的抽象表征水平.抽象表征是抽取主要因素，忽略次要因素，把問題原型轉變成模型的過程，需要運用抽象思維.出現這種結果的原因可能在于，初中物理與生活聯系比較緊密，學生對源自生活實際的原始物理問題不太陌生，因此能夠在抽象表征維度取得較好成績.

（2）圖像表征得分率為21.39%.圖像表征主要運用形象思維，畫出反映事物本質特征的理想化圖像.力學內容對學生畫受力分析圖要求較高，使得一部分學生形成利用圖像幫助解題的習慣，從而在圖像表征維度取得相對較好的成績.

（3）賦值表征得分率為14.24%.賦值表征需要運用假設設置物理量，賦值表征是原始物理問題特有的表征，要求學生自主設置物理量，在反復思考的基礎上設置出物理量.由于這一表征在傳統習題訓練中少有涉及，因此導致學生在這一維度表現出低水平.

（4）物理表征得分率為12.18%.物理表征需要運用判斷的思維方法，判斷在問題解決中需要運用的物理概念與規律有哪些？是什么？雖然物理知識的識記與應用在我國中學物理教學中一直備受重視，但卻是在物理習題解答中應用的，并非在原始物理問題解決中應用，這就導致學生難于在生態化情境中運用物理知識.事實上，只有在解決真實物理問題時能夠提取與運用物理知識，才表明學生真正掌握了物理知識.

（5）方法表征得分率為8.89%.其原因在于，科學方法在中學物理教學中常采用隱性教育方式，由于這種教育方式不能使學生把握科學方法的真諦，不能使學生理解科學方法的內涵，不能使學生熟練運用科學方法，從而導致方法表征得分率很低.

（6）數學表征得分率為7.93%，是6個表征中最差的.數學表征是物理問題解決中的演算、推導過程，背后是推理思維方法的運用.由于只有在正確完成抽象、賦值、圖像、物理、方法表征的前提下才可能完成數學表征，這就導致數學表征的得分最低.

進一步，應用SPSS19軟件，考察科學推理能力和原始物理問題解決能力的相關性.結果如表5所示.

表5 科學推理能力與原始物理問題解決能力相關性檢驗

由表5可知，P＜0.01，在0.01水平上有極顯著統計學意義，由于｜r｜＜0.3，所以科學推理能力與原始物理問題解決能力弱相關，表明原始物理問題解決能力與科學推理能力可能是兩種不同性質的能力.

測試顯示，科學推理能力測試呈正態分布，是同種智能下的典型分布.而原始物理問題解決能力測試呈雙峰分布，可視為2個正態分布的疊加，表明原始物理問題測試可以將科學推理能力同質的群體區分為原始物理問題解決能力不同質的群體.加德納的多元智能理論提出，每一種智能代表著一種區別于其他智能的獨特思考模式.這一理論強調人類智能的多元性，并以此揭示學校教學與測驗對智能關照的局限性，進而呼吁一種基于智能多元的因材施教.在多元智能理論的啟示下，我們認為，科學推理能力與原始物理問題解決能力的不相關結果，極有可能表示它們分屬不同的智能.因此，對一種智能的干預并不必然導致對另一種智能的影響，這對中學物理教學研究與實踐領域帶來的啟示無疑是巨大的.

過去人們普遍認為，我國物理教育效能低的原因在于缺乏科學探究.因此，《物理課程標準》將科學探究作為課程目標，希籍借助科學探究提高物理教育的效能.確有證據表明，探究式的教學策略有助于提升學生的科學推理能力.［4－6］然而，由于科學推理能力與原始物理問題解決能力分屬不同的智能，因此，對“科學探究”（科學推理）的單純強調，就可能會造成學生物理問題解決能力培養的落空.這啟示我們，對于學生能力結構的復雜性和多維性，還需要進一步深入研究.

3 研究啟示

3.1 全面促進物理教育方式的生態化

研究表明，本研究選取的初三學生原始物理問題解決能力整體處于較低水平，這反映出目前物理教育的生態化水平較低.目前，初中物理教學中使用的訓練材料絕大部分還是習題，已經把原始問題的一些次要細節、非本質的聯系舍去，沒有物理現象與事實作為背景，甚至完全脫離物理現象，即學生思維的一部分已經被習題編制人員越俎代庖完成了.由于物理教育的生態化強調在自然、真實情境中研究教育規律以及學生的心理活動規律，強調提高教育活動的可應用性和普遍適用性，建立合理的教育生態環境，因此，物理教育生態化不僅有助于落實核心素養的要求，還有助于促進人才的迅速成長和發展.［7］

原始物理問題測驗結果啟示我們，學生解決真實情境物理問題的能力，極有可能不通過專門訓練就不會自動增長，習題解答能力與原始物理問題解決能力之間無法自然遷移.換言之，即使在教學中將習題演練強度與數量提升到極致，也可能無法促進學生解決真實問題能力的發展.由是觀之，在物理教育中融入生態化的物理教育思想就顯得尤為迫切，即物理教育活動應當在生態化的環境中開展.這一思想首先應該納入《物理課程標準》的制訂與物理教科書的編寫中.在教材編寫中，應在例題和習題設計中滲透適量的原始物理問題.在課堂教學中，教師應當適度展開原始物理問題教學，激發學生解決原始物理問題的興趣，從而讓學生真切地感受到物理學的魅力.

3.2 扎實推進核心素養課程目標的落實

當前，培育中小學生的“核心素養”已成為國內外教育改革與發展的趨勢.2016年9月，《中國學生發展核心素養》研究成果發布，成為指導我國下階段課程教學改革的“頂層設計”.“核心素養”及各學科核心素養將成為統領課程、教學以及評價的綱領.如何將“核心素養”、“頂層設計”落實成為課堂教學的“底層設計”，即將核心素養理念落實到操作層面，就成為一項非常有價值的工作.在這個意義上，原始問題教學就成為核心素養應用于課堂教學的有效途徑.

扎實推進核心素養課程目標的落實，需要循序漸進地加以展開.從一般核心素養到學科核心素養，標志著核心素養的初步落實.目前，新的《物理課程標準》提出“學科核心素養”主要由“物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任”4個要素構成.物理觀念主要包括物質觀念、運動觀念、相互作用觀念、能量觀念及其應用等要素；科學思維主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素；科學探究主要包括問題、證據、解釋、交流和合作等要素；科學態度與責任主要包括科學本質、科學態度、社會責任等要素.怎樣在物理教學中實施與落實物理核心素養，新的《物理課程標準》提出應把物理課程中所形成的物理觀念和科學思維用于分析、解決現實生活中的各種問題，在解決問題中進一步提高探究能力、增強實踐意識、養成科學態度，促進核心素養的形成.

《物理課程標準》的論述與提法在原則上是沒有問題的，但稍顯寬泛與籠統，在物理核心素養達成的操作層面有所欠缺.而原始物理問題不僅對問題進行了嚴格界定，而且給出了抽象、圖像、賦值、物理、方法、數學6個維度，從而有助于物理核心素養的達成趨于規范和操作.

3.3 高度重視理科教育評價方式的改革

目前，中考作為初中生能力評價的考察方式，既是備受全社會關注的熱點，也是教育改革的難點.然而，中考和初中學業評價究竟測試學生的何種能力？能否真正測量出學生的能力？仍然需要基于理論與實踐的深入研究.

在目前理科中考及其導向下的教學中，“實驗與探究題”、“科普閱讀題”等“新題型”已然對傳統中考試題與課堂教學產生了前所未有的沖擊.中考命題改革突出科學探究、實驗能力、閱讀能力、知識積累以及科學方法考查，對傳統理科中考“復雜計算”、“大題壓軸”模式及其影響下的教學構成了重要轉型.從理論本源上考察，“實驗與探究題”、“科普閱讀題”等“新題型”到底考察了哪些維度，是否與核心素養的要求相一致，是否包含了科學推理能力等等，還需要做進一步的實證研究，而不能單純滿足命題形式上的標新立異，還須追問試題形式背后蘊含的素養真諦與本質.只有如此，才能真正實現理科教育評價方式的根本改變.在這個意義上，中考教育評價改革應積極穩健地納入原始問題命題形式，以此實現核心素養評價的有效性以及對課堂教學的積極引領.

1 C Zimmerman.The Development of Scientific Reasoning：What psychologists contribute to an Understanding of Elementary Science Learning？Paper cornisioned by the National Academies of Science（National Research Council＇s Board of Science Education，Consensus Study on Learning Science，Kindergarten through Eighth Grade）（2005）：46－52.

2 C Stuessy.Path Analysis：A Model for the Development of Scientific Reasoning Abilities in Adolescents.Journal of Research in Science Teaching，1984，26（1）：41－53.

3 邢紅軍，石堯，胡揚洋，田海霞.初中原始物理問題測量工具：編制與研究［J］.課程·教材·教法，2015（02）：69－73.4 A E Lawson，S Alkhoury，R Benford，et al.What kinds of scientific concepts exist？Concept construction and intellectual development in college biology［J］.Journal of Research in Science Teaching.2000，37（9）：996.

5 A E Lawson，M Johnson.The validity of Kolb learning styles and Neo－Piagetian developmental levels in College Biology［J］.Studies in Higher Education，2002，27（1）：79.

6 A M L Cavallo.Meaningful learning，reasoning ability，and students understanding and problem solving of topics in genetics［J］.Journal of Research in Science Teaching，1996，33：625.

7 邢紅軍.物理教育的生態化及其對物理課程改革的啟示［J］.教育科學研究，2010（01）：59－61，64.

2017－03－26）

本文系北京市教育委員會社科基金重點項目（SZ20171002815）“北京市理科中考改革導向的前瞻性研究”階段性成果.