指向探究能力發展 聚焦學教方式改進
——浙江省2019年初中《科學》質量監測報告

王耀村 楊封友 汪 曉

浙江省中小學教育質量綜合評價2019 年初中《科學》監測主要測試學生“科學探究能力”的發展狀況，并從提出科學問題、設計探究方案、獲取和解釋證據、科學解釋現象、評價科學探究五個維度來開展測試。科學探究是科學的本質特征，科學教育中所說的科學探究是指學生們經歷與科學家相似的探究過程，以獲取知識、領悟科學的思想觀念、學習和掌握方法而進行的各種活動[1]。它不僅可以使學生更加深刻地理解科學知識，更好地掌握科學方法，而且使學生得以親身體會科學精神的實質，培養科學的情感、態度和價值觀，從而更有效地提高科學素養。本文主要基于監測結果，聚焦學教方式改進，探討存在問題、問題成因及教學建議，以期為科學教學提供參考，推進科學探究教學。

一、存在問題

全省八年級學生的科學探究能力的總體表現良好，成績突出。監測表明，學生科學探究能力等級A、B、C、D 的人數比例分別為28.9%、30.4%、28.8%、12.0%，有88.1%的學生達到了《科學》課程標準的基本要求，表明浙江省初中《科學》課程教學改革推進了學生科學素養的發展，但同時也存在一些問題。

1. 群體探究能力存在差異

學生群體以地域性質、辦學性質、學校規模、性別為標準進行分類，其中地域性質劃分為城市、縣城、鄉鎮農村，學校性質劃分為公辦、一般民辦、民辦民工，學校規模劃分為大、中、小、微。全體及不同群體學生在科學探究能力各水平等級上的人數比例如圖1。

圖1 不同群體學生在科學學科各水平等級上的人數比例

從地域性質看，鄉鎮農村學生達到學業等級A的人數比例為20.5%，比城市學校低16.4 個百分點，而學業等級D 的人數比例為16.4%，比城市高8.1 個百分點。從辦學性質看，一般民辦學校學生達到學業等級A 的人數比例比公辦學校高31.8 個百分點，比民辦民工學校高出51.7 個百分點；而一般民辦學校學生學業等級D 的人數比例比公辦學校低10.4 個百分點、比民辦民工學校（37.1%）低34.7 個百分點。從學校規模看，大學校學生達到學業等級A 的人數比例為35.5%，高出中、小學校約7 個百分點，高出微學校16.4 個百分點，而微學校學生學業等級D 的人數比例為20.5%，高出大學校12.7個百分點。從性別看，男生學業等級D 的人數比例為14.4%，高出女生5.2 個百分點，男生學業等級A、B 的人數比例均低于女生4個百分點。

結果表明，鄉鎮農村與城市和縣城相比有一定的差距，民辦民工、微學校成為全省科學教育事業的低洼，一般民辦學校群體A 等級人數比例顯著領先，男生群體比女生群體分化嚴重，不同群體學生科學探究能力存在差異。

2. 區域探究能力有待均衡

浙江省共11 個地級市、96 個區縣，為了解不同區域學生的科學探究能力情況，從水平等級、標準均分兩個角度進行統計，結果如下：

按市進行統計，學生達到學業等級A 的人數比例最高的市（35.2%）比最低的市（22.4%）高12.8個百分點，學生學業等級D 的人數比例最低的市（8.7%）比最高的市（18.2%）低9.5 個百分點，標準均分最高的市（517.8）比最低的市（478.2）高39.6 分。按區縣進行統計，學生達到學業等級A 的人數比例最高的縣區（47.0%）比最低縣區（14.0%）高33 個百分點，學生學業等級D 的人數比例最低的縣區（4.6%）比最高的縣區（28.3%）低23.7個百分點，標準均分最高的縣區與最低的縣區相差近100分。

結果表明，不同市、不同區縣學生科學探究能力發展不均衡，差異較大，存在個別市、區縣學生在等級A、等級D、均分表現均處末位的現象。

3. 探究能力發展尚待協調

在科學探究能力的不同維度上，學生測試的平均得分率從高到低依次為“評價科學探究”維度（55.9%）、“提出科學問題”維度（52.4%）、“獲取和解釋證據”維度（46.0%）、“科學解釋現象”維度（43.4%）、“設計探究方案”維度（40.39%），如圖2所示。

圖2 全體學生科學探究分維度的平均得分率

結果表明，學生科學探究能力各維度的發展不協調，極差達15.5%；其中“設計探究方案”“科學解釋現象”維度尤需引起全省科學教師的重視。

二、問題成因

監測顯示的問題，經師生問卷的統計比對及相關性分析發現，與以下現狀有密切關系。

1. 科學實踐活動開展情況差異大

科學探究依托于科學實踐，從探究走向實踐是人們對科學教育認識的發展。當下，在基礎性課程中進行實驗與探究，在拓展性課程中進行科技制作發明、項目化科學探究是大多數學生參與科學實踐的主要路徑，也是提升學生科學探究能力的關鍵載體。然而，社會經濟快速發展，周期短、見效快的期望氛圍也影響著師生的學教心態，在短時間內取得明顯效益的行為或策略易被人們所關注。開展科學實踐活動，物品準備繁瑣，活動過程較長，能力提升不易快速顯現，可謂費時、費力、見效慢。因此，雖然知道開展探究教學有意義，但也易被部分師生所忽視。

在教師問卷關于“下列活動在您校的發生頻率”與學生問卷關于“在學校學習科學內容時，以下情況發生有多頻繁？”的調查中，統計結果見圖3、4。

由圖3 可見，開設學生實驗課、布置課外家庭小實驗或小活動平均“每周或每月1-2 次”的人數比例最高，分別為77.9%、49.6%；開展創新小實驗、小發明等科技活動“每學期1-2 次”的人數比例最高，為50.4%；科學探究類社團活動“從未發生或每年1-2次”的人數比例最高，為38.7%；若按地市統計，開設學生實驗課“每周或每月1-2 次”的人數比例極差達25個百分點。

圖3 實驗探究活動不同發生頻率的人數比例

圖4 可見，“常常或總是”的人數比例前兩位的是“我們要從做的實驗中總結結論”“我們有機會說明自己的觀點”，分別為76.3%、64.3%；后兩位是“我們可以自己設計實驗”“我們在實驗室進行實驗操作”，分別為40.1%、29.6%，極差達46 個百分點。據此推測，學生進行實驗操作、設計實驗、證據辨析的經歷尤為欠缺。

圖4 全體學生科學探究各類活動經歷的人數比例

上述師生問卷結果表明，“開設學生實驗課”“布置課外家庭小實驗或小活動”開展頻次全省總體情況良好，但區域間存在不平衡，部分地市有待加強；“開展創新小實驗小發明等科技活動”“科學探究類社團”等學生自主探究創新活動的頻次有待進一步提高。從學習科學內容的過程和方法看，學生對科學探究各維度的經歷差異大，科學教師重視學生觀點的表達、證據維度的教學，但讓學生自己設計實驗、進行實驗操作總體發生頻率較低，且區域差異很大，此結果與學生在設計探究方案、獲取和解釋證據、科學解釋現象等維度得分率偏低基本一致。

2. 探究教學層級多處于中級水平

科學探究已成為學生積極主動獲取科學知識、認識和解決科學問題的重要實踐活動，學生參與度高、自主性強的探究往往更能促進高水平學生科學探究能力的提升。

根據教師對探究問題、過程、結論的給出情況，將科學探究教學分為0、1、2、3 四個水平層級[2]。教師問卷顯示，日常教學與各探究層級“常常”“總是”符合的人數比例見表1。

表1 不同探究層級常常和總是符合的教師人數比例

由表1 可見，“常常”和“總是”符合的教師人數比例“2 級”最多、“3 級”最少，表明當前探究教學大多處于中級水平，“3級”水平的探究教學尚待進一步探索實踐。

選取地球與宇宙、生命科學、物質科學等領域典型實驗，列出常見的組織實施方式讓學生根據經歷情況進行選擇。調查問卷統計顯示，在進行實驗探究的科學學習活動時，學生典型實驗的學習經歷如圖5。

圖5 學生典型實驗的學習經歷

圖5 可見，上述教材典型實驗中，沒有進行實驗研究的人數比例范圍為4.2%-21.5%，觀看老師演示實驗的人數比例范圍為31.5%-48.1%，按書本方案進行實驗的人數比例范圍為27.5%-39.1%，學生自己設計并進行實驗的人數比例范圍為10.0%-23.7%。

結果表明，觀看老師演示實驗、按書本方案進行實驗是開展教材實驗的主要學習方式，學生自己設計方案并進行實驗的人數比例有待提高；學生認為科學探究學習多處于“結論”未知的“1級”層次、較少處于“方案”“結論”未知的“2級”層次，比教師對教學探究層級的判斷更低。

3.探究教學行為做到程度差異大

教學行為是指教學過程中，為達到一定的教學目的，教師和學生所采取的行為。在課堂教學設計中，教學行為的設計是非常重要的[3]。同理，指向探究的教學行為對學生科學探究能力的培養也是十分重要的。

列舉探究指向的課堂教學行為，從做到程度與發生頻率兩方面進行教師問卷調查，人數比例依次見圖6、7。

圖6 探究教學行為不同程度的人數比例

圖6 可見，教師認為很大程度上做到的人數比例在38.2%-67.3%，讓學生充分發表自己觀點的人數比例最高，為最好和最差學生分配具有針對性任務的人數比例最低，極差達29個百分點。

圖7 可見，上述教學活動中，大部分課或幾乎每節課或每節課“給予學生解釋其想法的機會”的教師為83.6%，讓“學生撰寫實驗報告”的教師為17.4%，極差達66個百分點。

圖7 課堂出現探究行為不同頻次的人數比例

結果表明，全省教師不同探究教學行為做到程度、課堂出現頻次存在明顯差異，且“為學生提供科學解釋模型”“讓學生對收集到的事實或數據能否作為證據展開討論”“學生撰寫實驗報告”“學生設計并實施適當的實驗過程”等探究教學行為的做到程度或發生頻率的人數比例均低于50%，并且在群體、區域表現上也存在差異。

4.“精而準”的探究指導乏力

科學探究能力涉及提出科學問題、設計探究方案、獲取和解釋證據、解釋科學現象、評價科學探究等維度，不同維度對“學的能力”“教的技能”等要求存在明顯差異。在課程實施過程中，由易及難、由粗及細是一種自然狀態，對精細而準確地指導學生開展科學探究活動，部分教師常常感到力不從心，從哪些方面指導、如何指導探究活動才恰到好處，也缺乏清晰的認知與實踐操作技能。

據學生問卷，學生認為科學課堂教師引導開展相關探究活動的情況見圖8。

圖8 可見，進行科學探究時，引導學生開展“影響因素的猜測”“實驗方案的設計”“實驗操作的提醒”“實驗結果的分析”等活動的人數比例在63.9%-68.5%，極差為5 個百分點；不同探究活動的開展，極差存在差異，“提出科學問題”為29 個百分點，“設計探究方案”為45 個百分點，“獲取和解釋證據”為46個百分點，“科學解釋現象”為51 個百分點，“評價科學評價”為45 個百分點。結果表明，科學課堂總體重視對科學探究各類活動的開展，但開展的深入程度差異較大。

圖8 學生認為科學課堂教師引導開展相關探究活動情況

三、教學建議

1. 以分段達成目標促進各維度能力協調發展

學生科學探究能力的發展源于活動經歷。全省初中《科學》教學質量監測結果顯示，科學探究維度成績與科學探究各類學習活動呈正相關，相關性系數見表2。

表2 中可見，組織學生開展科學探究各類學習活動，能夠顯著影響科學探究各分維度成績，這也印證了科學探究活動經歷會影響科學探究能力的觀點。

表2 科學探究維度成績與學習活動的相關性

因此，需在整體關注科學探究各維度能力培養的同時，重點突出設計探究方案、獲取和解釋證據、科學解釋現象，這也與PISA（2015）評價科學素養的科學能力維度聚焦于科學地解釋現象、評價與設計科學探究、科學地解釋數據與證據[4]等3 類能力一致。同時，考慮不同年級學生的思維水平，建議分段設立探究能力側重培養目標，有計劃、有重點、螺旋式地推進科學探究教學。例如，設計探究方案由補充缺省方案、提示設計方案再到獨立自主設計，科學解釋現象由厘清現象、找準原理到有邏輯地表達，獲取和解釋證據由使用適當的工具和技術收集與表達數據、從已有的證據（數據或信息）得出符合邏輯的結論，再到利用已有的證據或科學事實預測新的現象和事實。

2. 以改進學生學習設計促進探究層級提高

學習設計是從學生多樣化學習需求、認知能力和經驗世界出發，設計學習任務框架，并以最合理優化的方式進行組織和呈現，使學生獲得更好的學習體驗和學習效果[5]。高品質的學習設計，是建立在對腦科學和學習科學相關規律的洞悉基礎之上，是以促進學生“探究未知”為出發點，是為了學生的終身、可持續學習[6]。可見，學習設計是基于學習者、學習目標、學習媒體、學習方式及學習策略等要素的分析或預設，依據學習規律對學習任務與師生行為的統籌安排。

建議對學習設計進行改進，以提高活動的探究層級。減少那種將探究的問題、過程、方法均告知學生，讓學生觀察實驗現象、訓練探究技能、領會探究過程的低水平探究；增加“問題”“過程”“結論”多處于未知狀態的探究，讓學生擁有自己提出科學問題、設計探究方案、得出科學結論的學習經歷，使學生的觀察、交流、估算、測量、搜集數據、分類、推斷、預測、建立模型等探究技能得以錘煉。具體舉措如下：一是夯實教材實驗探究，讓學生真實參與；二是將科學問題隱藏于真實情境，讓學生自主發現；三是變步驟呈現為學生設計，讓學生統籌規劃；四是變裝置介紹為技術設計，讓學生發明創新；五是變“實驗-觀測”為“預測-實驗-觀測”，讓學生推斷論證；六是為學生創造實踐機會，讓學生由旁觀者變為探索者。總之，將科學學習內容轉化為學生的自主問題，實現“被動參與-自主參與-自由探索”的進階，是科學探究教學的重要目標，這離不開教師串聯學生觀點、提煉核心概念、根據學情改進學習設計的積極旁觀。

3. 以改進教師教學行為促進探究能力錘煉

科學探究需要不斷地發現問題，是通過多種途徑尋求證據、運用創造性思維和邏輯推理解決問題的過程。增進對科學探究的理解和提高探究的能力，是科學教育的重要任務。因此，在學習《科學》課程過程中，需要知道教師與學生所采取的哪些行為有利于提升科學探究能力，進而讓這些行為更多地發生。

全省初中《科學》教學質量監測結果顯示，教師探究性教學行為高低不同的學生群體的科學探究維度分見圖9，教學活動出現頻次不同的學生群體的科學總標準分見圖10。

圖9 教師探究性教學行為不同的學生群體科學探究維度分

圖10 教學活動出現頻次高低不同學生群體的科學總標準分

圖9 可見，探究教學行為高分組學生群體的科學探究維度分均高于探究性教學行為低分組學生群體，表明科學探究維度分與探究性教學行為具有相關性；其中“促進學生之間關于如何解釋實驗結果的討論”“運用各種評價策略促進學生進行科學探究活動”“鼓勵學生設計實驗檢驗自己的猜想”“為探究式學習設計實驗和實踐活動”“讓學生對收集到的事實或數據是否能作為證據展開討論”等行為高低分組的科學探究維度分差異尤其大，相關性尤其高。

圖10 可見，除“學生填寫并完成已給的表格”外，所列教學活動出現頻率高低分組學生群體的科學總標準分相差大于5 分，表明科學總標準分與教學活動顯著相關；其中“學生設計并實施適當的實驗過程”“學生運用找到的證據來論證自己的結論”“要求學生從已進行的實驗中得出結論”“我參與學生間的討論”“學生評價討論科學實驗中獲得數據”高低分組科學總標準分相差超過10 分，表明相關性更高。

圖9、圖10 明確了在進行科學探究活動時應該讓教師和學生努力發生的行為和教學活動。建議教師審視自己學習設計，重點關注教學行為與課堂教學活動的有效轉向，對科學探究成績影響大而教師實現程度不高、發生頻次較低的行為與活動要給予足夠的重視。如，“運用各種評價策略促進科學探究活動”“為學生提供解釋模型”“讓學生對收集到的事實或數據是否能作為證據進行討論”“讓學生對提出的問題進行討論”等教學行為，“學生撰寫實驗報告”“學生自己做與科學相關的研究”“學生調查研究已被證明過的知識”“學生設計并實施適當的實驗過程”等課堂教學活動，以期改進學教方式，并提升學生對科學探究的理解與科學探究能力。

4. 以積極教學活動指導促進探究方法掌握

探究性學習是學生認知策略和元認知的學習過程，是學生獨立學習、解決問題和做出決策的能力培養過程[7]。在科學探究中，培養學生元認知不僅可以對所學材料進行識別、加工和理解，還可以洞悉學生在學習過程中產生的感知、注意、記憶等認知過程[8]。可見，科學探究既是研究方法也是教學目標和內容，以發展學生元認知為出發點，指導、影響和作用于科學探究活動，將科學探究提升至認識發展的層次，有助于落實科學素養的培養目標。因此，對科學探究維度從認知和元認知兩角度展開指導探索，是對科學探究的深化行動之一。

另外，全省初中《科學》監測顯示，探究教學活動采用與未采用群體的科學探究總標準分見圖11。

圖11 探究教學活動采用與未采用群體的科學探究總標準分

圖11 可見，進行科學探究時，教師采用相關探究教學活動后的學生群體的科學總標準分，高于未采用群體的科學總標準分，分差都大于12 分，分差最高的“實驗操作的提醒”達32 分。結果表明，在課堂教學中，教師作提示性的指導更利于促進學生科學探究能力的主動發展。

因此，需進一步細化研究對科學探究教學各類活動的指導，一是依據科學探究環節完善指導的活動視角，如設計探究方案時的“問題的確認”“變量的識別”“變量的控制”“方案的撰寫”等不同教學活動；二是根據個人教學現狀理清科學探究細化指導方向，如在科學探究中重視指導學生進行“問題的表達”“變量的控制”“結果的分析”“現象的分析”“方案的合理性分析”等，因為教師在“情境的創設”“問題的確認”“觀點的匹配”“表達的邏輯”“問題能否研究”等方面存在明顯指導不深入的問題；三是探尋教師精準點撥、積極旁觀的探究教學指導藝術，以期實現學生對科學探究方法的自主領悟。總之，教師需要通過科學、精準、積極地指導學生開展科學探究，為學生理解科學探究、掌握探究方法提供更高質量的教學，這也是進行《科學》教學質量監控的主要目的。