PISA視域下的科學素養：內涵、跨國分析與實踐反思

林曉凡

摘 要：提升學生科學素養，是全球各國新一輪科技競爭與變革的重要推動力，是培育高精尖科技人才的重要議題。文章基于PISA科學素養框架，梳理了美國、新加坡、馬來西亞和泰國學生科學素養培育課程與方法，并基于PISA科學素養視域反思了我國學生科學素養培育的未來方向：注重學生的科學興趣和科學自我效能感等情感與態度的培育，完善以問題與主題為中心的科學課程體系，形成適合我國科學素養教育的標準化測評體系。

關鍵詞：PISA；科學素養；測評

提升學生科學素養，是未來全球各國新一輪科技競爭與變革的重要推動力，是培育科技高精尖人才的重要議題。2015年經合組織（OECD）開展的國際學生評估項目（PISA）側重對科學素養的評測，全球72個國家和地區的54萬名學生參加測試，受到國內外教育界的廣泛關注。然而，與發達國家相比，我國青少年及公民的科學素養仍有很大的提升空間[1]。因此，關注PISA科學素養框架，梳理各國科學素養的典型培育經驗，總結我國科學素養培育的未來發展方向，對于提升我國科學教育水平乃至人力資源水平具有一定借鑒意義。

一、PISA科學素養內涵

當代科學教育的目標在于幫助學生具備科學的思考方式，并以此解決真實情景和社會發展中出現的相關科學問題，如PISA2015將科學素養界定為具有反思能力的公民運用科學知識參與科學相關事務的能力，它不僅評價學生知道哪些科學知識，而且關注學生如何加工知識以及如何在生活情境中創造性地應用知識。因此，PISA測評不僅是應試測驗，還強調學生綜合應用所學，并制定情境化問題的解決方案。PISA科學素養測評框架經過多年實踐與改良，形成了客觀測評和自我報告相結合的評價體系，從能力上分為“科學解釋自然現象能力”“設計與評估科學探究能力”“詮釋與解讀科學證據能力”三個維度，從認知方式上分為“內容性知識”“程序性知識”“元認知知識”三個維度，從學科內容上包括“物理”“生物”“地理與空間”三個方面，進而對參與測評學生進行分數總分加權。由于其題型的情境化、測評方法的科學性和長期縱向跟蹤的持續性，PISA測試越來越受到國際層面的認可。

PISA2015測試報告在2016和2017年陸續公布，正如報告所述，在信息化時代，每個人都必須“像科學家一般”去思考詮釋，解讀數據與證據，得出客觀的結論。在學生所必須具備的三大能力中，“科學解釋自然現象能力”是指針對日常生活中與科學相關的現象，能夠確認該現象與科學知識的關聯，進而提供合理的解釋，并評鑒各種不同解釋的合理性；“設計與評估科學探究能力”是指能夠確認科學探究過程中的重要變量并敘述其實驗設計及實施過程，且能評估探究方法的合理性；“詮釋與解讀科學證據能力”是指針對各種不同的科學信息、主張和論證能夠實施分析及評鑒，進而提出適當的結論。

而在認知方式方面，學者更青睞具有融入科學相關議題、科學思考方式及反思能力的公民。PISA所謂的“程序性知識”和“元認知知識”其實是科學教育領域強調的科學認識觀或科學本質相關知識（epistemic knowledge），這些與學生的科學思考、推理、探究及科學證據詮釋息息相關。

二、科學素養培育課程的國際分析

我國2015年推出的“一帶一路”倡議，希望能夠深化與沿線國家政治、經濟、文化、教育等方面的雙向交流與合作。因此，本研究不僅選取了科學教育發達的美國，還選取了“一帶一路”沿線的新加坡、馬來西亞和泰國進行分析。上述國家皆多次參與國際大型教育調查項目，對基礎科學教育與相關研究投入十分關注，值得中國教育界進一步深入了解，并進行系統性跨國分析。

（一）美國

美國通過《新一代科學教育標準》在聯邦層面推動科學教育變革，其中一個重要的變革是實施STEM和創客跨學科課程整合計劃。這一計劃強調學生基于合作解決科學問題的素養。一般而言，合作解決科學問題包含四個主要過程：探索問題與理解問題、表征問題、計劃與執行、監控與反思。此外，在合作解決科學問題的過程中基本包含三大能力：相互理解、適切地解決問題、維持團隊互動。為了達到上述目標，除了基于標準制定小而精、層次化的科學教育課程體系外，美國教育界還提出了科學-技術-社會（STS）教學法、翻轉課堂教學法、基于設計的教學法、認知腳手架與圖示分析法等教學方式，同時引入了人工智能、大數據分析、深度學習、AR和VR資源等各類信息化環境和手段輔助教學。

（二）新加坡

新加坡小學學制為6年，中等教育分為中學和中學后（post-secondary）兩個階段。由于實施“因材施教”的教育政策，新加坡將中學課程分成特別課程（Special Course）、快捷課程（Express Course）和正規課程（Normal Course）。新加坡稱這種學制為“分流教育”，目的是讓學生接受最具效率、最適合個人學習能力與興趣傾向的教育。成績最佳者進入特別課程（約10%的學生），其次者進入快捷課程（約40%的學生），再次者進入正規課程（約50%的學生）。為了使盡可能多的學生接受更長時間的與科學教育相關的課程，從1994年起，正規課程又分學術課程（Academic Course）與技術課程（Technical Course）兩種。其中，技術課程主要適合學力較弱的學生。《科學問題》（Science Matters）教材是新加坡目前普遍使用的一套教材，為全英文版，分別供中一、中二年級的學生使用。教材內容覆蓋物理、生物、化學等學科，依據《新加坡中學低年級科學課程大綱》，教材編排打破了學科壁壘，在統一的科學概念下分主題組織內容。在內容選擇上，除了以科學事實為支撐外，還隨處可見科學史的內容。中學后的科學教育進一步分化。證書考試成績靠前的學生（約30%）進入大學預科，包括兩年制的初級學院（Junior College）和三年制的高級中學（Centralised Institute）。成績較好的學生中80%的人可以升入大學，他們是新加坡未來的社會精英。他們根據興趣愛好以及高級水平教育證書考試的要求從數學與科學領域中選擇一至三門課程學習。成績一般的學生（約占50%）進入理工學院（三年制），主要學習技術類和應用類課程，也會通過工程類課程學習一些科學知識。成績較差的學生進入工藝教育學院（一至兩年），主要學習職業課程，進行職業培訓，不再學習科學課程。

（三）馬來西亞

馬來西亞曾經是英國的殖民國，其教育制度受到英國教育制度的影響。馬來西亞教育注重考試制度，并以多種標準化測驗來評定學生的學術資格和能力。馬來西亞擁有多元的中學教育，學生可根據自己的喜好自由選擇適合的中學，其中學主要分為兩大類：公立中學和私立中學。在初中階段將自然科學（生物、化學、物理）合編為綜合科學；高中階段理科班的數理科著重強化基礎知識與提高基本技能，分科編制，高中文商班的數理科則是以綜合性課程進行編制。獨立中學的初中綜合科學課程標準規劃了各學習領域及其核心概念，要求教師善于圍繞核心概念組織教學，讓學生清楚地理解與掌握核心概念。此外，科學的各個學科領域是有相通和聯系之處的，教學過程中可以通過“跨學科理念”將各學習領域的核心概念相整合。

（四）泰國

泰國國民基礎教育分為三個階段，共12年，包含小學6年及中學6年。12年的基礎教育中，前九年為義務教育，高階中學階段則分流為學業與職業兩種取向的學校，另有綜合學校提供學業與職業兩種課程軌道。進入學業學校的學生大多進入大學就讀，而職業學校則提供就業準備與訓練。2001年，泰國開始實施新的國家課程，以及以學生為中心的教學模式。泰國基礎教育階段學生均需學習科學學科，學校科學教學內容也必須遵照國家課程標準進行。小學一年級至初階中學的科學學科稱為《科學概論》（General Science），內容包含物理、化學、生物、地理中的科學部分與天文，此階段并不分科，實施綜合教學。若學生選擇進入高階中學，則三年內必須學習物理、化學與生物三科的分科內容，大學入學考試（國家考試）也包含各科學學科的考核。

上述美國、新加坡、馬來西亞、泰國均多次參與PISA、TIMSS等國際大型教育調查項目，盡管各國的社會文化與教育情境不盡相同，但其科學素養培育措施都是圍繞人才科技發展與競爭力的核心價值所在。這些國家分別從社會文化與教育環境的角度，制定更加完善的科學學習理論與實踐架構支持下的培育課程體系，在一定程度上值得我國借鑒。

三、科學素養培育的影響因素及反思

PISA2015 還通過里克特量表測量了學生科學素養的影響因素，包括學生的科學樂趣、廣義科學興趣、科學自我效能感、功利性動機、成就性動機、考試焦慮、學校歸屬感等變量，以及動機、信念、參與等方面的變量。結果發現在我國參與測試的北京、上海、江蘇和廣東的學生中，個人態度和情感傾向方面的科學樂趣、廣義科學興趣、科學自我效能感、成就性動機較大的學生的科學素養較高。而學校環境、學習類型、教師滿意度的影響不顯著。近年來，國際教育研究領域越來越關注學習者本身對科學所持的動機或信念，而許多研究也指出這些動機或信念在學習者的學習歷程中扮演非常重要的角色[2][3][4]。對于自己能否勝任科學活動，通常具有正面信念的學生對此類活動有顯著偏好，更能全身心投入到活動中完成其學習任務，面對困難時較不易產生挫敗感，也能增強其對于學習的自信。反之，若是認為自己無法完成科學活動的學生，往往會逃避其需要面對的學習任務，即使是被教師或家長要求，也常難有投注心力的意愿，遭遇困難時即會因為自己感受到的壓力而放棄尋求突破的機會。[5]

因此，提升我國學生的科學素養，首先須改變教學觀念，在教授科學知識與技能的同時，著重培養學生的科學興趣和科學自我效能感。學者林、蔡和梁（Lin，Tsai，and Liang）發現具有“記憶”“準備考試”“計算與練習”的科學學習信念的學習者屬于“被動接受型”，具有“增進知識”“應用”“理解”“以新的方式看待事物”的科學學習信念的學習者屬于“主動建構型”[6]。 其中，蔡認為“準備考試”是亞洲重視考試文化下特有的類型，而“計算與練習”則反應出科學學科領域的獨特性[7]。學者李、喬納森和蔡（Lee，Johanson，and Tsai）[8]研究指出，當學生認為學習科學本身是“準備考試”時，其最主要的學習方式會傾向于淺層的學習方法（如背誦問題的答案）。因此，促進學習者從被動接受知識逐步轉變為主動建構與探究是影響學生科學素養的關鍵。

其次，為了支撐這一轉變，科學課程的完善與重整編排十分關鍵，因此形成以問題與主題為中心的科學課程體系以及突破學科壁壘建立跨學科科學教育體系的方法，值得我國借鑒。我國2016年公布了《中國學生發展核心素養》總體框架，在新一輪以核心素養為中心的教育教學改革中，從各學科素養和跨學科整合角度推進學生科學素養的培育，邁出了具有里程碑意義的一步。

最后，借鑒PISA的科學素養測評模型、測評要素和基于證據決策的科學依據，形成我國促進學生科學素養發展的標準化測評體系。科學素養是長期系統工程，基于各類“互聯網+”網絡學習空間，建立學生科學素養成長電子檔案袋，對學生科學素養長期記錄與追蹤，不僅有利于學生科學素養的提升，還能提升我國科學教育決策的科學診斷。

參考文獻：

[1]趙德成，郭亞歌，焦麗亞.中國四省（市）15歲在校生科學素養表現及其影響因素——基于PISA2015數據的分析[J]. 教育研究， 2017（6）：80-86.

[2]Hofer B K， Pintrich P R. The Development of Epistemological Theories： Beliefs about Knowledge and Knowing and Their Relation to Learning[J]. Review of Educational Research， 1997， 67（1）： 88-140.

[3]Schommer M. The Influence of Age and Education on Epistemological Beliefs[J]. British Journal of Educational Psychology， 1998， 68（4）： 551-562.

[4]Sinatra， G. M. Knowledge， Beliefs， and Learning[J]. Educational Psychology Review， 2001，13（4）， 321-323.

[5]Kiran D， Sungur S. Middle School Students Science Self-efficacy and Its Sources： Examination of Gender Difference[J]. Journal of Science Education and Technology， 2012， 21（5）： 619-630.

[6]Lin Y H， Liang J C， Tsai C C. Effects of Different Forms of Physiology Instruction on the Development of Students Conceptions of and Approaches to Science Learning[J]. Advances in Physiology Education， 2012， 36（1）：42.

[7]Tsai C C. Conceptions of Learning Science among High School Students in Taiwan： A Phenomenographic Analysis[J]. International Journal of Science Education， 2004， 26（14）： 1733-1750.

[8]Lee M H， Johanson R E， Tsai C C. Exploring Taiwanese High School Students Conceptions of and Approaches to Learning Science through a Structural Equation Modeling Analysis[J]. Science Education， 2008， 92（2）： 191-220.