实验专题教学对学生科学认识观和科学态度的影响

摘要：以内地新疆高中班预科37名学生为例，研究物质鉴别和检验专题教学活动对学生科学认识观和科学态度的影响。研究发现，在进行专题教学活动后，高分组和低分组的实验方案写作能力有显著提高；在科学认识观方面，高分组对科学知识的来源和确定性、低分组对科学知识的来源，均有更现代化和多元化的信念；在科学态度方面，高分组对细心观察、低分组对谨慎思辨均有更积极的态度。

关键词：物质鉴别；物质检验；科学认识观；科学态度

文章编号：1008-0546（2017）03-0002-05 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.03.001

一、问题的提出

为培养具有科学素养的合格国民，科学教育不仅要培养学生具有科学知识与技能、解决问题的高阶思维和能力，也要培养学生对科学本身具有正确的认识（例如科学认识观）和良好的科学态度。科学认识观和科学态度处于学生的观念和情意层面，既是学生在科学学习中获得的结果，也是对学生的科学学习产生重要影响的变量。教师有必要通过合适的教学活动来促进学生在上述方面的发展。

物质的鉴别和检验是使用化学方法对未知的物质体系进行系统研究，是最能够体现化学学科特色和应用的内容之一。它既是化学实验的重要内容，也是学生学习的重点和难点。学生在解决物质鉴别和检验问题时，需要综合运用元素化合物知识和化学实验知识，有时候还需要运用实验方案和实验报告写作技能[1]。笔者曾组织所在学校内地新疆高中班（以下简称内高班）预科学生围绕物质鉴别问题，设计解决问题的实验方案和完成一系列开放性实验[2]。笔者在其他研究的结果显示，该实验专题教学活动对学生设计实验方案的发散思维、解决复杂问题的能力都有正面影响。在教师未对学生的科学认识观和科学态度实施显性教学活动的情况下，物质鉴别和检验专题教学活动会对其产生怎样的自发性影响？为此，笔者通过试探性研究，着重了解学生科学认识观和科学态度在该实验专题教学活动的变化，同时也了解学生实验方案写作能力的情况。

二、科学认识观和科学态度

1. 科学认识观

关于科学知识的本质、来源和发展的哲学理论叫做科学认识论或科学知识论，个人对科学知识在上述各方面的观点和信念叫做科学认识观。Conley等人认为科学认识观可以分为4个维度，分别面向科学知识的来源、确定性、发展性和验证[3]。来源维度侧重对获得科学知识的权威地位的信念，确定性维度侧重对科学知识具有唯一的正确答案的信念，发展性维度侧重对科学知识持续发展和改变的信念，验证维度侧重实验在获得科学知识的作用的信念。由于该科学认识观组成模型吻合认识论关注和研究的基本内容，得到许多研究者的认可。

2. 科学态度

态度是个体对某一对象的持久性评价反应，包含认知、情感和行为意向的成分。Gardener认为科学态度（science attitude）是一个涵义广泛的词。它既可以理解为个人在处理科学问题时细心观察、求真求实等“科学的态度”（scientific attitude），也可以理解為个人对科学的兴趣、对科学家的态度等“对科学的态度”（attitude towards science）。这两类科学态度都是“与科学相关的态度”（attitudes related to science）[4]。在了解学生的科学态度时，其实是了解学生与科学相关的态度，应该同时了解学生科学的态度和对科学的态度。研究者曾根据该主张开展研究，了解学生的科学态度在课程改革前后的变化[5]。

三、研究方法

1. 研究参与者

本研究以笔者所在学校内高班预科40名学生作为研究参与者。内高班是国家在内地经济发达城市选择部分重点高中，招收新疆初中应届优秀毕业生就读高中的办学形式。参与本研究的学生是“民考汉”和汉族学生，已经在新疆当地初中完成初中学业，继续在本校内高班预科重点补习初中文化课程，其中的化学课程每周有2课时。笔者最后只成功收集到37名学生的所有数据，他们成为有效的研究参与者，其中男生12人，女生25人，24人曾就读新疆区内初中班。根据预科入学摸底考试和多次学段考试的化学成绩，笔者分别将18、19名学生划分为高分组、低分组。由于每组学生的人数均少于30人，笔者对每组学生的实验方案写作测试总分、调查问卷各维度总分进行单样本Kolmogorov-Smirnov检验。检验数据显示学生在各项目的分数均符合正态分布，可以对分数进行相应的推断统计。

2. 研究工具

（1）科学认识观量表

Conley等人根据其提出的科学认识观组成模型，编制了对应的科学认识观量表。该量表是Likert 5点量表，共有26题，分为来源（5题）、确定性（6题）、发展性（6题）、验证（9题）等4个维度。本研究使用台湾学者蔡今中等人翻译的中文版本量表，并且根据大陆地区的语言习惯，对部分文字作润色处理。选项“完全不同意、不同意、一般、同意、完全同意”分别对应1～5分。来源、确定性这两个维度共11题需要反向计分。学生在各维度的分数越高，表示学生越倾向于现代化和多元化的科学认识观。根据Cronbrach α系数，总量表和各维度在本研究的前测、后测均有较好的信度。

（2）科学态度量表

台湾学者邱美虹等人根据科学态度能力指标和有关参考文献，编制了对应的科学态度量表。该量表是Likert 5点量表，共有42题，分为科学的态度分量表（30题）、对科学的态度分量表（12题）。科学的态度分量表包括好奇并持续怀疑、细心观察、谨慎思辨、求真求实、尊重事实并谦虚客观、了解科学探索的意义、责任感、科学态度的创造力这8个维度。对科学的态度分量表包括科学的社会意义、对科学的职业兴趣、对科学探索的兴趣这3个维度。除了科学态度的创造力维度只有2题外，其余维度都是4题。本研究使用她们编制的量表，同样根据大陆地区的语言习惯，对部分文字作润色处理。选项“完全不同意、不同意、一般、同意、完全同意”分别对应1～5分。各维度共有7题需要反向计分。学生在各维度的分数越高，表示学生赞同相应维度的科学态度。根据Cronbrach α系数，总量表、分量表和各维度在本研究的前测、后测均有较好的信度。

（3）物质检验实验方案写作测试题

物质检验实验方案写作测试题选取2015年广州市中考化学试题第29题和笔者自编的复本试题。这两道测试题均创设一个实验情境，要求学生设计和书写一个物质检验实验方案，检验一个混合物中是否存在某种盐，并且结合题目的提示，检验存在哪种具体的盐。学生在解答问题时，需要考虑混合物中的物质会对后续的物质检验过程产生干扰。测试题要求学生有较好的逻辑思维能力和文字表达能力，具有较好的难度和区分度。笔者模仿中考试题的形式来编制复本试题，确保实验情境、设问方式、解题思路、评分标准均与中考试题相似，并且随机抽取一道作为前测题，另外一道作为后测题。每道题均为8分。

3. 研究流程

由于研究参与者的特殊性，本研究使用单组前后测实验设计进行研究。首先，笔者对学生进行实验方案写作和问卷调查前测，写作测试时间是10分钟，问卷填答时间是30分钟。然后，笔者实施物质鉴别和检验专题教学活动，共用4周8课时。学生需要完成的学习任务包括绘制实验思路流程图，独自完成多个实验，撰写实验方案和报告。在此期间，笔者不通过任何教学行为，引起学生对个人科学认识观和科学态度的注意。在该实验专题教学活动结束两周后，笔者对学生进行实验方案写作和问卷调查后测，所需用时与前测时相同。

四、物质鉴别和检验专题教学活动

在解决物质鉴别和检验问题时，学生面临着一个开放、不确定的实验情景，需要经历一系列思考和实践过程，具体包括：提出有关物质种类的所有假设，设计符合化学反应要求和可操作的实验方案，在真实情景下完成实验，撰写详细具体且可供别人重现的实验报告。从促进学生知识和能力发展的角度，笔者完善过去教学实践的教学设计，提出如下专题教学活动设计，具体见表1。

在设计该实验专题教学活动时，笔者有以下几点考虑。首先，先复习物质鉴别再复习物质检验，可以形成有逻辑的学习内容顺序，更好地控制学生的复习难度，为学生形成和建立物质鉴别和检验问题解决思路确定各种铺垫。其次，学生通过改变鉴别或检验试剂的种类、物质被鉴别或检验的顺序，可以组合出多种不同的实验思路和得到多种不同的实验方案。这一教学活动有助于训练学生有序、全面考虑问题的逻辑思维。最后，学生通过多次独立绘制流程图，完成实验，撰写实验方案，增加在真实场景下实践的机会。物质鉴别和检验问题的解决过程是简化的科学研究过程，这一教学活动有助于学生体会和认识科学本身和科学研究的特点。

五、结果与讨论

1. 学生的实验方案写作能力

从表2可知，高分组、低分组在物质检验实验方案写作测试前测的平均分分别是4.06分、1.89分，得分率分别是51%、24%。这显示学生的实验方案写作能力、解决物质鉴别和检验实验问题的综合能力欠佳。

经过实验专题教学活动，高分组、低分组在测试后测的平均分分别是5.22分、3.42分，与前测相比均有较大提高。成对样本t检验显示，2组在测试前测、后测的平均分均存在显著差异，高分组、低分组的效果量Cohens d分别是0.638、0.956，分别有中等程度、大的效果。这显示实验专题教学活动对学生提高实验方案写作能力、解决物质鉴别和检验实验问题的综合能力有一定帮助。不可否认，高分组、低分组在测试后测的得分率仅是65%、43%，還没有达到更大的比例，日后的教学实践有必要调整和优化教学活动的整体设计，以便促进学生在这方面得到更大的发展。

2. 学生的科学认识观

在科学认识观前测中（表3），低分组在来源维度是3.18分，高分组、低分组在其他维度的平均分均在3.5分以上，验证维度的平均分更在4分以上。这显示学生在各维度具有较现代化和多元化的科学认识观。其次，2组在4个维度的平均分均有相同的大小顺序：验证>发展性>确定性>来源。这显示学生极其认可使用实验方法获得科学想法和科学知识的价值，认为科学想法和科学知识在科学研究中会不断地改变，也认为科学知识可能有错及科学问题会有多种正确答案，但仍然较认可科学家、科学教师和科学课本的知识权威地位。再者，高分组在各维度的平均分均较低分组高，这显示高分组比低分组有更现代化和多元化的科学认识观。

在后测，2组在验证维度的平均分有稍微下降，2组在其他维度的平均分均有不同程度的提高。高分组在4个维度的平均分均在4分以上。成对样本t检验显示来源、确定性维度和总量表的前测、后测平均分均存在显著差异，效果量Cohens d分别是0.979、0.881、0.659，分别有大的、大的、中等程度的效果。对于低分组，4个维度的平均分均在3.5分以上。成对样本t检验也显示来源维度的前测、后测平均分存在显著差异，效果量Cohens d=1.011，有大的效果。这显示经过实验专题教学活动，高分组对科学知识的来源和确定性，低分组对科学知识的来源，均有更现代化和多元化的信念。

学生在科学认识观的改变应该与该实验专题教学活动有密切的关系。学生通过个人的思考，不断地设计出多种新的实验方案来解决不同的问题。当学生对物质鉴别和检验问题的认识转化为他们的科学知识后，学生能够感受到个人也可以产生科学知识，而且科学知识并非只产生唯一的正确答案。这都有助于学生改变对科学知识的来源和确定性的信念，形成更现代化和多元化的科学认识观。

3. 学生的科学态度

表4显示，在科学态度前测中，高分组和低分组在细心观察维度、低分组在科学态度的创造力维度的平均分在3.10～3.50分，2组在其他维度的平均分均在3.5分以上，高分组在科学的社会意义维度的平均分更在4分以上。这显示学生对个人在科学活动中的表现、对科学的意义和兴趣都具有较积极的态度。其次，2组在对科学的态度分量表的平均分均大于科学的态度分量表，这显示学生对科学的意义和兴趣有更多的认同。再者，除了细心观察和对科学的职业兴趣维度外，高分组在其余维度的平均分均较低分组高，这显示高分组比低分组有更积极的科学态度。

在后测中，2组在多个维度的平均分稍微下降或提高，表现出个人在科学态度不同方面的变化。高分组在细心观察维度的平均分增幅最大，成对样本t检验显示该维度的前测、后测平均分存在显著差异，效果量Cohens d是0.730，有中等程度的效果。低分组在谨慎思辨维度的平均分增幅最大，成对样本t检验也显示该维度的前测、后测平均分存在显著差异，效果量Cohens d是0.697，有中等程度的效果。这显示经过实验专题教学活动，2组在科学研究所需的某些科学态度上有显著变化，高分组更认可要细心观察，低分组更认可要谨慎思辨。

学生在科学态度的改变也应该与该实验专题教学活动有密切的关系。学生需要独立地设计实验方案，完成物质鉴别和检验实验。高分组具有较高的化学学业水平，设计出较多的实验方案，可以在多次实验中不断检验个人实验方案的可行性。这客观上增加学生观察实验现象的训练，在一定程度上有助于学生在细心观察态度上的改变。低分组具有较低的化学学业水平，设计出较少且不一定正确的实验方案，在获得失败的实验结果后，需要反思实验方案的设计过程。这客观上迫使学生需要更细致地分析实验问题和找到明确的实验思路，在一定程度上有助于学生在谨慎思辨态度上的改变。

六、结论与建议

本研究面向内高班预科学生，实施物质鉴别和检验专题教学活动。在教学实践后，高分组和低分组的实验方案写作能力有显著提高；对于科学认识观，高分组在来源维度、确定性维度和总量表，低分组在来源维度的平均分均有显著提高，学生在这些方面有更现代化和多元化的信念；对于科学态度，高分组在细心观察维度、低分组在谨慎思辨维度的平均分均有显著提高，学生在这些方面有更积极的态度。这显示该实验专题教学活动能够对学生的科学认识观和科学态度产生积极的影响，促进学生在这两方面的发展。

在实验专题教学活动中，笔者并未通过显性的教学活动，着重培养学生的科学认识观和科学态度。学生在这两方面的改变完全是学生在实验专题教学活动中自发的、潜移默化的隐性学习结果。这也表示，如果教师实施显性的科学认识觀和科学态度教学活动，更有助于学生在这两方面发生实质的改变。

限于教学实践条件，本研究只能够使用前后测实验设计进行试探性研究，未能够彻底摒除无关变量的影响。又由于本研究只以内高班预科学生作为教学对象，所得的研究结论有一定的局限性，读者不宜对其作过分推论。日后可以围绕其他学生群体和其他实验主题，开展相应的实证研究，丰富学生科学认识观和科学态度发展的研究成果。

参考文献

[1] 麦裕华. 中考化学物质鉴别实验报告书写题的分析和教学建议[J]. 教学仪器与实验，2013，29（12）：48-51

[2] 麦裕华. 分组实验提高学生化学物质鉴别能力的教学实践[J]. 教学仪器与实验，2013，29（9）：7-10

[3] Conley A M，Printrich P P，Vekiri I，Harrison D. Changes in epistemological beliefs in elementary science students[J]. Contemporary educational psychology，2004，29（2）：186-204

[4] Gardner P L. Attitudes to science ：a review [J]. Studies in science education，1975，2（1）：1-41

[5] 刘嘉茹，侯依伶，邱美虹. 探讨九年一贯课程实施前后国三学生科学态度变化研究 [J]. 科学教育学刊，2009，17（5）：409-432