初中生科學模型認識調查

摘要：對成熟問卷進行優化調整，依據探索性和驗證性因子分析證明其結構的科學性。然后通過優化調整后的問卷，從模型多維表征、模型實物等同、模型功能價值以及模型可改變性等四個維度展開調查。最后針對上述發現，提出“作好元建模教學的設計和實踐”“將元建模知識融于日常的科學教學之中”“讓學生真正參與到科學知識的建構中來”三大實踐建議。

關鍵詞：科學模型；模型認識；科學建模；元建模；調查研究

文章編號：10056629（2023）13001306

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

學生科學建模能力的發展已成為當前初中科學教學改革的重要發展方向。而學生對于科學模型的認識水平會直接影響其建模實踐能力的表現。所以，本研究重點對7～9年級學生的科學模型認識水平進行全員調查，以期為后續建模教學實踐的開展提供實證支持。

1 文獻綜述

《義務教育科學課程標準》將科學建模作為重要科學思維，學生科學建模能力的培育和發展已經成為科學核心素養落地的重要標志。當前國際上有關科學模型認識的系統性研究主要基于結構化訪談、問卷調查兩種方式來加以實施。Grosslight、Ingham & Gilbert以及Justi等學者通過結構化訪談的方法來捕捉學生的模型認識水平^［1～3］。他們通過研究后均發現，學生對于模型本質的看法與日常生活中關于模型的意義有緊密的相關性，即認為模型是某事物的復制，模型是一個標準物，模型所表征實體并不包括想法，模型是獨特的或是不能改變的。而Treagus等學者則以量表問卷調查的方法對模型認識水平進行研究。他通過調查發現，澳大利亞8～9年級大部分學生能很好理解模型的描述性作用，但對于模型更為抽象的預測和測試想法的功能性理解仍處低位^［4］。鄧峰在通過探索性和驗證性因子分析，將Treagus量表修正為6個維度，發現高中學生對科學模型的基本描述性功能及其可變性有較好的理解，但對于模型其他更高層次的功能的認識只是處于中等水平^［5］。

綜上所述，大多數學生的模型認識水平還是基于經驗地將模型看作是對具體事物的映射和復刻，或是對實體等比例的放大或縮小。同時，當前國內相關研究還主要集中在高中階段，初中段的研究比較匱乏。而且，鄧峰有關國內高中生科學模型認識的問卷中6維度的設置，在初中生調查中表現出不適配的現象。因此，本研究以Treagus、鄧峰等學者開發的成熟問卷作為研究工具，參照鄧峰的問卷結構優化方法進行修正，以符合國內初中生科學模型認識結構的實際。然后對某中學7～9年級所有初中學生進行調查研究，以求對國內初中段學生科學模型認識水平有一個系統性刻畫。

2 研究方法

2.1 研究對象

本研究的樣本為D中學7～9年級所有學生，共發放問卷1171份，回收有效問卷1083份。D中學作為公辦初中，生源構成以學區生為主。且三個年級入學統測均分、優良率、后1/3率均位于本地平均水平，樣本具有一定的代表性（見表1）。

2.2 研究工具

本研究以Treagus等學者開發的成熟問卷作為基礎^［6］。首先結合學生閱讀習慣，邀請部分8、9年級學生對問卷中部分表述進行閱讀和修正。然后邀請有關專家、教師對調查試題進行閱讀，并對其結構、內容等進行了意見征詢。最后，綜合各專家教師建議，將研究問卷設定為4個維度，共26道態度量表試題（見表2）。采用5點計分的方法，由“非常不同意”到“非常同意”分別計為1～5分。

2.3 數據采集和分析

首先對三個年級的學生進行了全員問卷調查收集有效問卷。隨后在7、8、9三個年級中各隨機抽取一個班，并通過分層抽樣法從每班中按照5、10、15、20、25、30、35號的順序選取7位學生進行訪談調查。

數據分析分為以下三個步驟：首先，基于模型認識水平框架，即多維表征、實物等同、功能價值、可改變性四個方面，對學生的回答進行1～5計分。然后，通過“探索性因子分析”和“驗證性因子分析”對問卷結構的科學性進行驗證^［7］。最后，通過SPSS軟件對學生的模型認識水平進行描述性和推斷性統計分析。

3 結果與分析

3.1 信效度檢驗

由于本研究根據是基于成熟問卷之上的改編，為確保其在不同文化、人口背景下的有效性，所以對其信效度作進一步檢驗。進而，先采用探索性因子分析，再采用驗證性因子分析對修正后的問卷進行效度檢驗。其中，探索性因子分析有助于初步驗證問卷調整后的內在結構是否仍具有科學性。同時，為了進一步確定4個構念間的關系是否符合所設計的理論關系，還需要通過驗證性因子分析對各構念及所屬測評試題間進一步作信效度檢驗分析。

3.1.1 信度檢驗

信度分析被稱為可靠性分析，而在教育評估中克隆巴赫系數（Cronbachs alpha）常被作為衡量測驗一致性的重要指標^［8］。“科學模型認識”四個維度下各克隆巴赫系數值分別為：模型多維表征（MR）0.924、模型實物等同（ER）0.883、模型功能價值（FV）0.903、模型可改變性（CN）0.868，上述Cronbachs alpha均大于0.80，這反映了本次調查研究具有良好信度。

3.1.2 探索性因子分析

探索性因子分析中的Bartlett球型檢驗顯示，其χ²=17704，p<0.001，KMO=0.956，這說明本次問卷適合進行因子分析。接下來對其作進一步檢驗分析，先通過主成分分析法共提取了4個公共因子后，它們共同反映了原有變量的大部分信息，4個公共因子總解釋率為64.494%，已超過50%，說明它對初中生科學模型認識具有比較好的解釋效應。這同時也為本研究中問卷維度設定為4項提供了證據支持。然后，再通過方差極大法對因子進行載荷矩陣旋轉，經旋轉后多維表征18、實物等同17、功能價值18、可改變性13均準確地分屬到因子1～4之中，其系數均超過0.5，這也說明本次研究中問卷改編修正是科學合理的^［9］。

3.1.3 驗證性因子分析

借助AMOS分析軟件進一步作驗證性因子分析。該分析旨在通過檢驗某一假設模型同本研究問卷數據間擬合程度的高低，對假設模型合理性與否作出判斷。本研究主要報告以下擬合指數以反映觀察數據與假設模型（4個因子）的擬合度，即CMIN/DF、GFI、RMSEA與SRMR^［10］。相關說明如下：

●CMIN/DF值在2到5之間時，可以接受該模型^［11］。

●GFI值大于0.9表示模型路徑圖與實際數據間有良好的適配性^［12］。

●RMSEA值在0.05至0.08之間時，表示模型適配度可接受^［13］。

●SRMR值小于0.05表示模型契合度可以接受^［14］。

本研究中的擬合指標分別為：CMIN/DF=4.808，GFI=0.936，RMSEA=0.059，SRMR=0.042，以上數據說明各研究數據同假設模型間具有良好的擬合性。

為了進一步檢驗模型的效度，引進聚合效度（convergent validity）指標來對其加以檢驗。而為了實現對聚合效度的檢驗，需要分別計算組合信度值（CR）、平均變異萃取量（AVE）以及各試題的標準化因子載荷值（Std.）^［15］。由計算結果可知，四個構念的CR值分別為0.925、0.884、0.906、0.871，均大于0.7，AVE值分別為0.608、0.521、0.546、0.692，均大于0.5，標準化因子載荷值（Std.）在0.667至0.863之間，各載荷值均大于0.45。根據塔巴赫尼克（Tabachnick，B.G.）等學者^［16］和海爾（Hair，J.F）等學者^［17］推薦的判別聚合效度的標準，測量模型的聚合效度較好。

3.2 科學模型認識水平分析

基于上述問卷所采集的數據，對學生的科學模型認識情況從上述四個維度作進一步檢驗分析。

3.2.1 均值分析

計算被試在上述4個維度上的得分均值，以期能對不同年級學生的模型認識水平在面上有一個初步的了解。其中，每一維度均值則是通過對該維度下各試題計算算數平均而求得（見表3）。

分析可以發現，三個年級學生在科學模型的多維表征（MR）和功能價值（FV）兩個維度上得分均值超過了4分，前者說明學生對于科學模型在對現象的多樣化表征上的認同，這可能與教師在日常教學中注意同一知識內容的變式教學有關。后者表明學生認同模型在現象描述、解釋、預測和問題解決等方面上的功能價值。在科學模型可改變性（CN）維度上得分均值接近4分。這說明了學生初步形成“科學知識不是一成不變”的知識發展觀。這一結果也與其他幾項研究所得結論相一致^{［18～20］}。而在科學模型實物等同性（ER）維度上得分均值為3.30分，較之于另外三項得分明顯偏低。反映通過系統的科學教育，學生認知系統中已經初步形成的“科學模型抽象觀”同“科學模型完全等同于實物觀”間存在沖突。說明經系統化科學教育干預之后，學生抽象思維日益趨向成熟。

3.2.2 年級間分析

根據表3中的數據繪制出三個年級在科學模型認識四個維度上的均值折線圖（如圖1）。（1）在“多維表征（MR）”維度上三個年級均值分別為4.16分、4.22分、4.20分，三者均分基本相等；（2）在“實物等同性（ER）”維度上，9年級均分（2.62分）較之于7、8年級均分（3.40分、3.50分）明顯降低；（3）在“功能價值（FV）”維度上，7年級均分（4.02分）略低于8、9年級均分（4.17分、4.13分），但三個年級分化不明顯；（4）在“可改變性”維度上，8、9年級均分基本一致（4.15分、4.13分），比7年級均分（3.77分）明顯提高。

進一步作單因素方差分析（ANOVA），得到以下結果：（1）在“多維表征（MR）”維度上7～8年級（p=0.189）、7～9年級（p=0.435）、8～9年級（p=0.807）間的p值均大于0.05，說明三個年級間不存在顯著性差異。（2）在“實物等同性（ER）”維度上7～8年級（p=0.096>0.05）、7～9年級（p=0.000<0.05）、8～9年級（p=0.000<0.05），這說明了7、8年級間在“實物等同性”認識水平不存在顯著性差異，但7、8兩個年級同9年級間存在顯著性差異。（3）在“功能價值（FV）”維度上7～8年級（p=0.000<0.05）、7～9年級（p=0.051>0.05）、8～9年級（p=0.435>0.05），這說明了7、8年級間在“功能價值”認識水平上存在顯著性差異，但7～9年級、8～9年級間不存在顯著性差異。（4）在“可改變性（CN）”維度上7～8年級（p=0.000<0.05）、7～9年級（p=0.000<0.05）、8～9年級（p=0.749>0.05），這說明在“可改變性”認識水平上，7年級同8、9年級間均存在顯著性差異，而8～9年級間不存在顯著性差異。

3.3 分析與討論

由上觀之，隨著年級的遞增，學生在科學模型認識水平上主要呈現出了以下三類各異的表現，它們分別是：在多維表征（MR）水平上，7、8、9三個年級的均分基本保持一致，三個年級間不存在顯著性分化；在實物等同性（ER）水平上，9年級同7、8兩個年級間出現顯著性差異，且水平均分顯著低于7、8兩個年級；而在功能價值（FV）以及可改變性（CN）兩個水平上，7年級同8、9兩個年級間存在較大差異，7年級水平均分低于8、9兩個年級。基于上述科學模型認識水平上的差異表現，接下來的研究將結合不同年級學生的質性訪談材料展開逐一分析。

首先，就多維表征（MR）維度上三個年級表現出水平上的趨同現象，這一結論同Treagust的研究相一致。在Treagust的研究中，大多數學生也對“科學模型可以提供多種視角和外觀”表現出了高度的贊同，他進一步認為“造成上述這一現象的主因是由于學生在科學學習過程中意識到需要多樣化的科學模型來滿足對于客觀現象的描述”^［21］。而在本研究中，大部分受訪學生談到了系統性的科學學習對其判斷所產生的正向影響。如有學生談到“比如歐姆定律I=U/R就是用字母公式表示的一個模型，再比如牛頓第一定律雖然是文字也應該是科學模型的一種形式吧”。另有學生談到“初中3年的科學學習中，科學老師會用不同種表示方法（比如圖形、曲線、公式、定律等）來進行教學，這些能幫助我加深對于科學知識的系統理解”。還有部分受訪學生提到了歷史、思政課教學對其認識判斷所產生的影響。如有學生提及“歷史思政老師經常跟我們說，考慮問題要多個角度、要能正反兩方面來進行考慮”。可見，一方面國內系統性的科學教育對學生科學認知發展產生了正向影響，另一方面國內馬克思唯物主義教育對學生在問題分析方法論上的引導也產生正向效應，兩者彼此的共同作用則對三個年級學生在模型多維表征上的正向判斷產生了積極作用。

其次，就實物等同（ER）維度上出現9年級顯著低于7、8兩個年級的現象，這一結果同鄧峰的發現相一致。而在鄧峰看來，這一現象正好說明了高年級學生更為成熟的模型認識觀。因為，伴隨學生生理和心理的成長，其認知進一步從直觀的經驗感性中抽離出來，進入到更為抽象的理性世界之中。由此，學生可能會更為全面地意識到科學模型或科學知識并非是對自然客體的完整復刻或“完全如實”映射自然界的客觀規律。所以，這就直接導致了高年級學生對“模型的實物等同性”表現出了更加懷疑或否定的態度^［22］。對部分9年級學生的隨訪也印證了鄧峰的觀點，多位受訪同學就表示“像數學中的函數圖像、科學中的焦耳定律、質量守恒定律等，這些雖然不是‘看得見、摸得著的實物模型，但它們能解釋科學現象、解決科學問題，故也應當被認為是一種科學模型”。

最后，就7年級水平均分在功能價值（FV）以及可改變性（CN）兩個維度上顯著低于8、9兩個年級的現象，這里就不得不提及8年級下“模型與符號”一節的元建模教學起始課，以及自8年級始一直延續到9年級的系統性生化學習。由于本次問卷調查是在下學期進行的，而8年級的學生正好剛剛經歷了有關模型和建模知識的入門學習，同時后續生化教學的一大特點也是基于大量的科學模型來展開的，這些都可能對學生模型認識觀產生了重要影響。具體來看，如在“模型與符號”元建模一節中，教材明確將科學模型界定為“可以幫助人們認識和理解一些不能直接觀察到的或復雜的事物”。同時，在這一節教材的課后練習環節也設置了“請同學列舉所見過的模型，并簡要說明用這些模型的意義”這一問題。再如，后續生物、化學教學中基于分子、原子結構模型來認識微觀粒子的結構構成；基于水電解微觀模型對質量守恒定律進行學習；基于文字表達式對光合作用、呼吸作用進行理解掌握；基于離子方程式來了解中和反應本質；以及基于氧氣二氧化碳含量變化曲線對血液循環進行學習等教學方式方法的采用。顯然，元建模知識入門教學以及后續系統性的生化教學對于8、9年級學生的模型功能價值（FV）認識水平起到了一定的正向促進作用。而8、9年級受訪學生也均對元建模教學起始課以及生物、化學系統性的學習在模型價值（FV）認識水平上的正向作用表示了肯定。

針對8、9年級在可改變性（CN）認識水平上相對較好的表現，前期同類的研究也均呈現出了相似的結果。鄧峰認為造成這一現象的主要原因是，學生經過系統性的科學學習之后可能會更全面地意識到科學模型的局限性，即科學模型并不能完全解釋自然現象或“如實”反映自然界的客觀規律^［23］。本研究對部分8、9年級學生的隨訪也對上述論斷作出了很好的印證。如有8年級學生就提到“小學沒有對溶解快慢、溶解能力作出嚴格區分，所以他一直存在‘攪拌是可以讓物質溶解更多的錯誤觀念。但是經過8年級的系統學習之后這一錯誤概念就被糾正了過來”。還有9年級學生表示“在中考生物復習時，他對細胞形態有了更深入的認識，細胞并非如7年級書本上所示的平面結構，而是具有多種形態的立體結構”。

4 研究啟示

上述分析啟示著在今后的科學教學中需要把握好以下三個要點。

一是要一如既往地做好元建模教學的設計和實踐。元建模知識是關于科學模型和建模教學的本體知識，教師唯有將“什么是科學模型”“科學模型有何用”“科學模型如何建”等元建模知識進行系統性的規劃和設計，才能讓學生形成起對科學模型的有效認識。

二是要將元建模知識融于日常的科學教學之中。系統性的元建模教學可以有效增強學生的模型認識水平，但學生若對于科學模型的認識仍留存于意識層面，那么此種所謂高水平的模型認識也僅是如“泡沫般一戳即破”。因此，這就要求科學教師除了要系統性地設計好元建模教學起始課之外，更需要將其內嵌于后續的建模學習之中，這樣才能實現元建模和建模實踐間的相互促進和共融發展^［24］。

三是還要讓學生真正參與到科學知識的建構中來。因為，在建構主義的視角下，科學學習是一個學生產生觀念，重構之、內化之的過程。而在這個過程中，科學模型被認為是一個重要的工具，畢竟科學模型和學習之間的聯系是無可爭辯的。然而，實踐證據表明，許多學生并不能完全認識和理解科學模型。而造成這種情況的原因很有可能是學生缺乏有效使用模型的機會，亦或是教師也可能沒有重視科學建模教學。因而，有必要讓學生真正主動地參與到科學知識的建構中來，以此讓學生建立多種思想之間的聯結進而來構建他們自己所認為的模型，并最終能夠使學生理解建模在科學知識發展中的作用。

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