中學生實驗問題解決過程中科學能力的表現研究

趙蕓赫 李春密 馬宇翰 黃 敏

（1.首都師范大學附屬中學，北京 100048；2.北京師范大學物理學系，北京 100875；3.中國工程物理研究院研究生院，北京 100193；4.四川省成都市新都一中銘章學院，四川 成都 610500）

我國2018年初頒布的《普通高中物理課程標準（2017年版）》從學科的角度要求發展學生的物理學科核心素養，重點是培養學生的必備品格和關鍵能力.課標指出要通過真實情境的問題解決促進物理學科核心素養的達成，這樣才能有效應對未來生活和工作中遇到的復雜的、協作的和動態的問題.［1］從物理學科認知工具的角度，對于這種真實情境類問題，其問題解決過程中所需要的能力其實是科學家們在進行科學研究時所要經歷的關鍵步驟以及他們已經內化成習慣的關鍵能力，Bybee（2000）用科學能力（scientific abilities）一詞來描述這些能力.［2］研究表明，科學教育應使學生具備這樣的科學能力以應對21世紀的工作環境.［3－6］

然而，無論是能力還是素養都具有內隱性，是內在的心理品質與特征，相比單純的知識和技能不易被理解.為了了解中學生在真實情境的問題解決過程中的科學能力表現現狀，以及探索如何測量和評價學生在接受相應探究活動后科學能力的發展情況，筆者在此前研究中設計并實施了基于開放性實驗問題解決的探究活動：學生在所創設的真實的、無標準答案的問題情境中進行科學實踐.學生依次經歷觀察型實驗活動、驗證型實驗活動、應用型實驗活動以及獨立實驗問題解決活動各兩輪.活動過程中需通過實驗手段獲取證據，并依據證據結果不斷改進以及調整探究路徑，以完成問題解決.［7］

在上述研究的基礎上，本文應用實證研究法，通過PAER科學能力評價量規對兩輪各類實驗活動中學生的實驗報告進行評定；結合差異性檢驗和Rasch模型得到學生經過活動后的科學能力值的變化以及不同科學能力要素的難度水平分布.進而通過SPSS對各類實驗活動中的科學能力要素進行相關性分析，從而確定能力要素間的相關性情況.最后基于上述結果，對如何培養和評價學生在實驗問題解決中的科學能力提出建議.

1 科學能力框架及其測評工具

目前針對開放性實驗問題解決中的科學能力的測評工具有來自羅格斯大學物理與天文教育研究小組（PAER）所開發的科學能力評分量規.由于該量規是為其開放性實驗室活動開發的，與本研究所涉及的探究活動的性質及目的一致，因此本研究采用該量規對學生在探究活動中的科學能力表現進行測評.該測評框架綜合考慮了物理發展的歷史、認知技能歷程的分類與物理及物理教育學者的建議，提出了（A）能夠以多重方式表征問題情境；（B）能夠建立定性解釋或定量關系解釋現象；（C）能夠修正定性解釋或定量關系；（D）能夠設計實驗；（E）能夠收集和分析數據；（F）能夠評估模型、方程、解決方案或陳述；（G）能夠交流7種解決實驗問題時的關鍵科學能力維度，每種能力維度下面又拆分出了多個能力要素.［8］

同時為評估或幫助學生自我評估其現在所處的水平，其開發的科學能力評分量規以“0－缺失”“1－不足”“2－需要改進”“3－完備”4個水平來描述學生的工作，表1所列出的是“能夠收集和分析數據”這個能力維度下的部分能力要素及其表現描述.

表1 PAER“收集和分析數據”科學能力的評分量規

本文基于探究活動中學生各科學能力要素的評分數據，利用SPSS軟件對眾多的科學能力要素進行了因子分析，得到的科學能力主因子與PAER科學能力維度進行對比如表2所示.

表2 本研究中科學能力主因子與PAER科學能力維度對比

續表

可以看到本研究得到的科學能力主因子與PAER科學能力維度基本一致.可見本研究采用的測評工具是科學且合理有效的.

2 基于OAER科學能力評分量規的實驗室活動評價

本研究中，基于開放性實驗問題解決的探究活動包含多種類型的實驗室活動，如觀察型實驗活動、驗證型實驗活動、應用型實驗活動等.學生在進行各類探究活動時，根據實驗室任務單中的活動指南完成實驗報告，而活動指南所設計的實驗問題與要考查的學生的科學能力要素相對應.驗證型實驗活動實驗室任務單樣例.當一個強磁鐵從非鐵磁性金屬管內下降時，它會受到一個阻滯力，Guillermo Donoso等學者曾對這個現象進行過一些研究.［9］閱讀該研究后，你是否質疑該研究中提出的一些假設（包含理論模型的假設以及實驗設計的假設），或者該研究推導出的一些理論關系引發了你想要驗證的興趣？請設計實驗并驗證你質疑或感興趣的關系.活動指南及所對應的科學能力要素如表3的樣例所示.

表3 活動指南及所對應的科學能力要素

因此本研究針對學生所完成的不同類型的探究活動的實驗報告，基于上文所述的PAER科學能力評分量規對其進行評分，可以得到各類探究活動中學生在不同科學能力要素上的表現分數.打分者來自高校物理系的教授、副教授、碩士及博士研究生等，他們同時給出評分依據，獨立打分后，會通過kappa系數來評判打分者的打分一致性程度，對于一致性較低的題目，打分者會重新商定分數，直到所有能力要素評分的kappa系數均在0.85以上.

表4所示為1組學生的實驗報告及其對應評分，其實驗報告是在應用型實驗活動中完成的，實驗問題是基于“超疏水表面”誘導萊頓弗羅斯特效應的實驗研究.［10］表4中，“評語”為評分者根據學生的實驗報告的內容及PAER科學能力評分量規，針對待考查的科學能力給出的評分依據.

表4 學生實驗報告及其評分樣例

3 科學能力測評結果

3.1 學生科學能力變化情況

通過SPSS軟件對學生各科學能力要素的分數均值進行差異性檢驗，將不同類型實驗活動中存在顯著提升的科學能力要素增益統計如表5所示.可以看出不同類型的探究活動對學生科學能力的提升各有側重.

表5 不同實驗活動對科學能力各維度的增益

以應用型實驗活動為例，由于在該類型活動中，學生通常是在已被驗證的理論關系的基礎上來解決新問題.待解決的新問題可能是解釋新現象，也可能是設計制作及優化產品.學生在解決此類實驗問題時，通常至少要使用兩種方法并對它們的結果進行比較.因此在應用型實驗活動中，學生在“問題表征”“尋找可利用的實驗儀器及方法完成實驗”“誤差分析”“解釋實驗現象”等科學能力上有很大提升.

3.2 科學能力難度水平分布

在各類型實驗室活動中，學生會針對實驗室任務單中活動指南中的實驗問題撰寫實驗報告，評分者對其進行評定.本研究通過Winsteps軟件得到關于實驗問題的懷特圖，以得到測試不同科學能力要素的實驗問題的難度分布.下面以觀察型、驗證型和應用型實驗活動為例進行具體分析.

（1）觀察型實驗活動.

通過Winsteps軟件得到關于觀察型實驗問題的懷特圖如圖3所示.圖3中左側顯示的是學生的能力分布（O為觀察型實驗問題的縮寫，“E3”等符號為科學能力要素的標記），右側顯示的是觀察型實驗活動中各科學能力要素對應問題的難度分布.

將處于同一難度的能力要素所對應的實驗問題進行平移后，得到測試不同科學能力要素的實驗問題的難度分布.由圖3可以看到，對于觀察型實驗活動來說，各科學能力要素所處難度水平大致可以分為3個梯度，如表6所示.

表6 觀察型實驗活動各科學能力要素所處難度水平

圖3 觀察型實驗問題的懷特圖

在觀察型實驗活動中，對于處于水平1的科學能力要素，由于觀察型實驗活動是針對指定的觀察對象設計實驗，基本通過觀察與查閱資料可以建立合理的定性解釋，因此大部分的學生可以完成得很好.對于處在第二難度梯度的科學能力要素來說，由于學生在建立解釋時通常會忽視對假設的檢驗，在完成實驗后也會忽視與理論解釋及預測的一致性判斷，也就是說學生對于實驗問題的解決過程缺乏整體性的把握，活動具有片段性、割裂性.而對于學生最為困難的科學能力維度則反映出學生通常僅能對誤差來源提出猜想，而對誤差來源的影響方式以及針對其影響而采取有效的方法來減小誤差并不會展開過多的研究.

（2）驗證型實驗活動.

對于驗證型實驗活動來說，根據懷特圖可得各科學能力要素所處難度水平可以分為3個階梯，如表7所示.

表7 驗證型實驗活動各科學能力要素所處難度水平

在驗證型實驗活動中，對于處于水平1的科學能力要素，大部分的學生可以完成得很好.這是因為學生在驗證型實驗活動中所設計的實驗通常是基于已提出的理論預測，因此僅需要學生把握好實驗中的自變量及因變量并加以測量即可.對于處在第二難度梯度的科學能力，與觀察型實驗活動的結果基本一致.而對于學生最為困難的科學能力要素，則是由于驗證型實驗活動的展開就是基于對已提出理論解釋的定性及定量預測，因此“預測現象”是最為重要且困難的一個過程.

（3）應用型實驗活動.

對于應用型實驗活動來說，根據懷特圖可得各科學能力要素所處難度水平可以分為3個階梯，如表8所示.

表8 應用型實驗活動各科學能力要素所處難度水平

在應用型實驗活動中，對于處于水平1的科學能力要素，所應用的原理及解釋是已經經過驗證的，因此建立解釋對學生來說較為容易.對于處在第二難度梯度的科學能力，可以看到在其他兩類實驗活動中對學生來說較為容易的設計實驗的過程在應用型實驗中對學生來講難度升級.這是因為待解決的新問題可能是解釋新現象，也可能是設計制作及優化產品，總之需要創造性地設計實驗方案來解決問題，因此更加困難.而對于學生最為困難的科學能力要素，與前兩類實驗活動的結果一致.

3.3 科學能力要素的相關性情況

由于活動評價設置的多個科學能力要素所獲得的數據可能指向同一個潛屬性，本研究進而利用SPSS軟件對眾多的科學能力要素進行了因子分析.以獨立問題解決活動為例，因子分析的結果主要包括4個主成分，綜合考慮這4個成分在各個科學能力要素上的體現，以及相關性檢驗的結果，可以將各成分的內涵歸納如表9所示.

表9 獨立實驗問題解決活動科學能力主成分的內涵

表9中，同一成分的科學能力要素的正相關性，意味著在獨立實驗問題解決活動中，對于同一成分中的某一要素的正向影響，也同樣會給對應的其他科學能力要素帶來正向影響.同時也表明，要想提高某一成分中的科學能力要素中的一個，可嘗試從與之相關的另一個科學能力要素入手.例如，若學生在活動中經常忽視對于實驗結果與理論解釋的一致性判斷，可以在進行實驗前，讓學生明確實驗目的并嘗試利用理論模型預測實驗現象，從而意識到一致性判斷的重要性，達到同時提升兩個甚至多個科學能力要素的目的.

4 小結與建議

本文基于PAER科學能力評分量規的實驗室活動評價方式，對中學生在實驗問題解決過程中科學能力的表現現狀，以及學生在接受相應探究活動后科學能力的發展情況進行了研究，得到的結論總結如下.

（1）基于在此前研究中所獲得的學生科學能力評分數據，利用SPSS軟件對眾多的科學能力要素進行因子分析的結果表明，得到的科學能力主因子與PAER科學能力維度基本一致，驗證了PAER科學能力評價量規作為開放性實驗問題解決活動的測評工具的有效性.結果表明，筆者此前研究中所設計及實施的探究活動對發展學生科學能力是有效的，各類型探究活動對發展學生科學能力各有側重.

（2）各類型探究活動中各科學能力要素難度分布不同.總體而言，在4類實驗活動中，對于“A1表征問題”“E5記錄數據”“G1描述研究過程”等科學能力要素，大部分的學生可以針對相應考查問題完成得很好；對于“F3檢驗假設的有效性”“F4理論與實驗的一致性判斷”等處在第二難度梯度的科學能力要素來說，由于學生在建立解釋時通常會忽視對假設的檢驗，在完成實驗后也會忽視與理論解釋及預測的一致性判斷，體現出學生對于實驗問題的解決過程缺乏整體性的把握.而對于學生最為困難的科學能力維度，如“E2確定誤差來源影響實驗數據的方式”“E3采取方式減小誤差或提供減小誤差的方法”以及“C2基于實驗結果與預測的不一致性來判斷對于模型、方程或陳述的修正”等，則反映出學生通常僅能對誤差來源提出猜想，而對誤差來源的影響方式以及針對其影響而采取有效的方法來減小誤差并不會展開過多的研究.

最后，針對科學能力評價時實驗問題的選擇與制定、評價的形式及內容，本文提出如下建議.

（1）科學能力評價的實驗問題的選取要滿足不同層次的學生，因而應覆蓋不同難度梯度.實驗問題選取來源應廣泛，需盡量與學生日常生活現象聯系密切，能夠引起學生探究的興趣以及思考討論的問題，從而能使學生將學到的科學方法及內化的科學能力應用到生活實際中.

（2）在對學生解決實驗問題時的科學能力進行評價時，要結合前人的研究以及學生的實際情況設計切實有效且操作強的評價標準.除此之外，對于實驗問題的分數等級，可以利用Rasch模型進行檢驗，評分者也要客觀評判，同時經過多位專家評議以達到一致性，從而對不合適的等級進行調整，直到確定合理的評價標準.