我國青少年科學推理能力測評研究進展及啟示

仝甜雨，韓旭，高守寶

（山東師范大學物理與電子科學學院，山東濟南250000）

一、引言

《普通高中物理課程標準（2017年版）》（以下簡稱《課標》）提出，物理學是一門基于觀察與實驗、物理模型建構、應用數學等工具，通過科學論證和推理，形成系統的研究方法和理論體系的學科。《課標》指出，物理學科核心素養主要包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”四個方面，其中“科學推理”作為二級指標涵蓋在“科學思維”之中。義務教育階段要求學生從直接的觀察和實驗中學習科學知識，而高中階段的物理學習則提出了更高的要求，需要在直接觀察和實驗的基礎上，通過科學推理和科學論證等方式得到結論，所以科學推理能力水平在高中物理學習中顯得尤為重要。

二、科學推理能力的內涵及測評方法

科學推理能力，是依據科學事實，運用邏輯思維進行推理，進而做出解釋或得到結論的能力。這是個體的一種一般能力，并不依賴于某一專門領域而存在。[1]科學推理（Scientific Reasoning）概念最早源于皮亞杰的認知發展理論。[2]皮亞杰認為，在個體從出生到成熟的發展過程中，認知結構在與環境的相互作用中不斷重構，從而表現出具有不同質的不同階段。根據兒童思維能力的發展變化，他將兒童的認知發展分為四個階段，即：感知運動階段，前運算階段，具體運算階段和形式運算階段。[3]其中，“形式運算”是指對抽象的假設或命題進行邏輯轉換。在這一階段，兒童逐漸從依賴于具體內容的抽象思維中擺脫出來，進入脫離具體內容的抽象思維的認知發展階段。形式運算階段中的兒童能夠根據邏輯推理、歸納或演繹的方式來解決問題，已經完全具備進行“假設—演繹”推理、抽象思維、系統思維的能力。在皮亞杰看來，科學推理是認知發展到形式運算階段之后，兒童或成人所能掌握的推理類型，這就為科學推理的發展提供了一個理論基礎。

科學推理的概念自皮亞杰提出之后，在科學哲學、心理學及教育學等領域均有研究涉獵。[4]科學哲學領域從哲學角度研究了科學推理在科學發展中的作用以及推理的邏輯；心理學與生物學結合研究科學推理產生的生理基礎、如何發展以及隨年齡變化的發展狀況等；教育學領域主要研究科學推理能力的影響因素以及如何在教學中培養學生各方面的推理能力。

國際上較為認可的科學推理能力獨立測量工具主要有：ACT、SRLT、GALT、TOLT、SRTS、LCTSR等。[5]其中最常用于進行青少年科學推理測量的工具，是由美國俄亥俄州立大學羅森（Lawson）教授開發的LCTSR科學推理能力測量量表。該量表的信度和效度已被國外研究者在眾多實證研究中證明[6]，因而國內科學推理能力測評主要用此量表進行調查研究。該量表主要從守恒推理、比例推理、控制變量推理、高級控制變量推理、概率推理、相關性推理與假設演繹推理七個方面，對青少年的科學推理能力進行測量。

三、國內科學推理能力的影響因素研究

科學推理能力是學生獲取科學知識的基石，是一個學生在科學上取得好成績所需要的基本能力，它往往比具體的科學知識更重要。因此，探討科學推理能力的影響因素已成為國內外科學教育領域的一個熱門課題。有關科學推理能力的影響因素主要集中在：教學方法、學生的知識結構、性別、地域以及生理發育年齡等方面。

1.教學方法對科學推理能力的影響研究

教學方法是指為了實現教師和學生共同的教學目標，完成共同的教學任務，運用在教學過程中的方式與手段的總稱，主要是指教學中的側重點、采取的教學模式和方法。

包雷等人在中美兩國中等排名的大學中選取了4所美國大學和3所中國大學的科學與工程專業大一新生共5760人，分別測試了他們的物理學科知識和科學推理能力，實驗發現真正影響學生科學推理能力發展的并非物理課上學習到的知識，而是教師教學的方法。[7]魏昕在北京地區選取了從小學二年級到高中三年級，共2295人進行研究，結果顯示，將結果性知識直接傳授給學生的教學模式可以有效地讓具有相對固定的計算形式與推理范式的推理類型（如：比例推理）得以強化和提升，而對于在建構概念與探究規律的過程中所需要的推理能力（如：控制變量推理、相關性推理以及假設演繹推理）則有所忽視。[8]孫慧娟通過對寧夏大學和北方民族大學775人進行的非隨機分派控制組前后測實驗發現，研究性學習有助于提高在校學生的科學推理能力水平。[9]董秋月在杭州市某高中選取兩個班的學生，每班各34人作為實驗組和對照組進行對照實驗，結果發現科學推理結合雙重情境學習模式（DSLM）教學，可有效促進學生推理能力的提升。[10]劉佳對廣州市祈福英語實驗學校高一年級，中加班（接受中方和外方兩種教育模式，不參加國內高考）和國內班（接受我國傳統教育，參加國內高考）共87名學生進行科學推理能力測試，結果顯示兩個班學生的科學推理能力并沒有顯著差異，也就是說該學校中西結合的教育模式并沒有有效促進學生推理能力的發展，該模式還需進一步探討。[11]

綜上可知，學校教學理念和方式的不同，對學生科學推理能力的培養和提高會產生不同的影響，而科學推理能力的提升多與學生有直接經驗參與的教學方法的使用成正相關。

2.知識結構對科學推理能力的影響研究

知識結構是指一個人經過專門學習培訓后所擁有的知識體系的構成狀況與結合形式，通常指一個人所具備的知識儲備。國內學者在知識結構對科學推理能力的影響因素方面進行了研究。

朱麗杰在研究知識經驗對科學推理能力發展的影響時指出，領域性知識（學生的已有觀念包括概念、原理、具體經驗等）會映射到科學推理的問題情境中；方法性知識（學生獲得的方法概念）也對科學推理有重要的影響。[12]周思琪采用雙盲分層取樣法調查了三個科教水平不同地區三所高中，各抽取三個年級共744名學生進行科學推理能力水平測試，結果發現中學生科學知識水平與科學推理能力水平具有較強的相關性。[13]李力舟在甘肅甘南藏族自治州對某中學高一年級100人進行測評指出，高一階段的物理學科知識也對科學推理能力產生一定的影響[14]，張軼炳等人在寧夏大學隨機抽取的558人進行科學推理能力調查，結果顯示，大學生的專業差異對科學推理能力有顯著性影響，在概率推理與多層次假設推理等方面有顯著差異，而電子信息、機械、交通運輸等工科專業的學生科學推理能力較強[15]。楊宏艷抽測桂林某中學三個年級90人的科學推理能力，結果表明數學基礎越好，學生的邏輯推理能力越強。[16]談學婕通過湖北省某高中高一高二的文科班、理科班和理科實驗班共計314名學生對照測評發現，被試的數理知識與他們的科學推理能力水平幾乎不相關[17]，隨后她在湖北省某高中隨機抽取了568名高一學生進行測評，得出了一致的結論[18]。羅琦在天津市某高中兩個年級的科學推理調查研究中，僅對高一學生（沒有文理分科）的科學推理能力進行了描述性統計分析，結果表明高一年級學生的理科成績與科學推理成績之間不相關。[19]

3.性別對科學推理能力的影響研究

國內學者研究發現高中階段是男女生概念分化的關鍵期。[20]楊宏艷研究了桂林某兩所中學三個年級學生的科學推理能力，發現初二、初三和高一年級男女生之間并未發現顯著差異。[21]嚴文法抽取山西臨汾某初中一到三年級812人，采用3×2實驗設計了4個科學推理實驗發現，男女生之間只在比例推理的某一個水平上表現出顯著差異，其他各類推理的各級水平差異均不顯著；從推理能力發展趨勢看，男生在初二年級快速發展，女生總體發展較平穩。[22]李力舟選取了甘肅甘南藏族自治州某中學高一年級的100名同學，調查結果顯示男女生之間科學推理水平存在一定差異，并且高一階段女生的科學推理水平明顯優于男生。[23]

陸海燕選取南京市三所高中共108人進行物理推理能力測評，獨立樣本T檢驗結果表明，男女生之間無顯著差異。[24]周思琪通過對三個地區三所不同高中744人的測評結果進行T檢驗發現，除了某一所高中高一年級的男女生存在顯著差異之外，其余的結果均顯示男女生在科學推理能力上差異不大。[25]羅琦在天津市某高中選取高一高二共200名學生進行科學推理能力測試，研究表明男女生在科學推理能力上并不存在顯著差異，而男女生的認知風格不同則導致男生的平均分高于女生。[26]

馮秀梅的中美調查研究是關于研究性別這一影響因素中選取樣本最大的。她選取了排名相當的七所中國大學和五所美國大學測評了1701人，通過對結果分析發現，整體得分上女生推理能力較弱，且兩國女生整體水平差異較大，男生則相對一致；在不同推理維度上，除了中國女生的比例推理比男生強之外，在其他各維度上，無論中國還是美國，男生成績都比女生好；在不同的推理維度方面，美國學生的比例推理和中國學生的控制變量推理分別是兩國性別差異最大的推理維度。[27]

4.地域對科學推理能力的影響研究

周思琪選取了三個地區的三所不同高中，H高中位于重要科教基地的省會城市，坐擁優勢教育資源，教學質量超一流；M高中位于科教欠發達地區，教學質量中上；X高中位于科教欠發達，而教學質量一流的地區。通過對比研究認為，一個地區良好的科教氛圍對學生科學推理能力的發展是有積極影響的，并且會形成一個良性循環。[28]李力舟對比了北京地區和甘肅甘南藏族自治州高一學生的推理能力，發現北京地區學生的推理能力明顯優于甘南地區。作者指出，由于不同地域的硬件設施、師資力量等教育環境相對能夠直接地作用于學生，從而可能對其能力的發展產生更為直接的影響。[29]

5.生理發育程度（年齡）對科學推理能力的影響研究

年齡，也就是生理發育程度，被一些研究者認為是影響科學推理能力的重要因素。有學者通過測試發現，個體在13—14歲時科學推理能力提高稍緩，14歲之后能力提升速度會增加。[30]魏昕通過對一個北京地區從小學二年級到高中三年級的2295人的樣本數據的研究發現，樣本在二年級到初一年級之間推理能力無顯著性差異，而從初一到高三之間則呈明顯的線性上升趨勢，也就是說個體發育到“形式運算”和“后形式運算”的階段，表明個體生理發育對科學推理能力的發展具有顯著的影響作用。[31]嚴文法的科學推理實驗發現，初中生的推理能力整體隨著年級的提升而持續上升。[32]羅琦的研究結果顯示，高二學生的科學推理成績顯著高于高一年級，這一結果也符合皮亞杰的認知發展理論。[33]

楊宏艷測評了桂林某中學90人的科學推理能力水平發現，由于中學階段學生接受應試教育只注重分數提升而不注重能力培養，科學推理能力的年級差異并不顯著，但是中學生的思維已經開始發生質的變化。[34]

6.其他影響科學推理能力的因素

李力舟還研究了外部宏觀環境對個體的科學推理能力的影響。所謂的宏觀外部環境包含了多種因素及其之間的相互作用，如：經濟發展水平、人文環境、自然環境、文化氛圍等。其中絕大部分因素對個體的科學推理能力發展都會產生隱性和間接的影響，并且牽涉的范圍廣，相互作用的機制也較復雜。[35]

周思琪從微觀角度分析，指出科學推理能力的增長并非只是來源于個體思維的發展與成熟，除了性別影響因素外，還受所學知識、文化背景、個體能力、個性因素以及學生所處的地理位置和社會經濟地位等因素的影響。[36]羅琦的研究結果還發現，學生的受教育環境不同也會導致其科學推理能力的顯著差異，對于同一所高中的學生而言，來自重點初中的學生科學推理能力要顯著高于來自非重點初中的學生，原因是不同學校在校園的硬件設施、文化氛圍、教學方式、學習氛圍、學生的基礎知識和學生對新知識的掌握能力上存在一定的差異。[37]

四、結論與展望

目前國內科學推理能力的研究仍處于初級階段。在整體研究趨勢上，呈現出重現狀調查，輕理論探討和實踐研究的趨勢。與西方發達國家相比，我國對科學推理能力的理論探討和測量研究起步較晚，仍停留在現狀調查的層面，缺乏完整的理論體系，更加缺乏教育實踐的改進和突破，尤其是針對處于科學推理能力發展關鍵期的青少年，缺乏相關的教學實踐。由于國內研究者選取樣本和測量方法等因素，導致對同一影響因素的測量結論存在差異甚至完全相反，教師在使用教學策略時應該針對學生的特點、教學內容、教學環境等多因素進行修改，使其適合本土環境。

在研究結果上，青少年科學推理能力整體水平低，且發展不平衡。科學推理能力檢測涵蓋了國內外各個不同地區和民族，測評被試的選取都采用了隨機抽樣方式，然而調查結果顯示，目前我國青少年的科學推理能力整體水平偏低，亟待提升；而具體到個體推理能力上，由于性別、地域、教育環境、方式的不同，又呈現出發展不平衡的現狀。

綜上所述，科學推理能力的現狀調查比較成熟，在此基礎上，缺乏針對測量出的各子推理能力不平衡的成因分析；關于如何促進青少年各子推理能力的提升與發展，缺乏一套系統的學科教學指導模式，能夠讓教師從學科知識和學生的認知水平角度出發，引導學生通過科學推理和科學論證發現規律、得出結論，精準地培養學生各方面的推理能力，培養科學思維，提升科學素養。▲

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