我国青少年科学推理能力测评研究进展及启示

仝甜雨，韩旭，高守宝

（山东师范大学物理与电子科学学院，山东济南250000）

一、引言

《普通高中物理课程标准（2017年版）》（以下简称《课标》）提出，物理学是一门基于观察与实验、物理模型建构、应用数学等工具，通过科学论证和推理，形成系统的研究方法和理论体系的学科。《课标》指出，物理学科核心素养主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面，其中“科学推理”作为二级指标涵盖在“科学思维”之中。义务教育阶段要求学生从直接的观察和实验中学习科学知识，而高中阶段的物理学习则提出了更高的要求，需要在直接观察和实验的基础上，通过科学推理和科学论证等方式得到结论，所以科学推理能力水平在高中物理学习中显得尤为重要。

二、科学推理能力的内涵及测评方法

科学推理能力，是依据科学事实，运用逻辑思维进行推理，进而做出解释或得到结论的能力。这是个体的一种一般能力，并不依赖于某一专门领域而存在。[1]科学推理（Scientific Reasoning）概念最早源于皮亚杰的认知发展理论。[2]皮亚杰认为，在个体从出生到成熟的发展过程中，认知结构在与环境的相互作用中不断重构，从而表现出具有不同质的不同阶段。根据儿童思维能力的发展变化，他将儿童的认知发展分为四个阶段，即：感知运动阶段，前运算阶段，具体运算阶段和形式运算阶段。[3]其中，“形式运算”是指对抽象的假设或命题进行逻辑转换。在这一阶段，儿童逐渐从依赖于具体内容的抽象思维中摆脱出来，进入脱离具体内容的抽象思维的认知发展阶段。形式运算阶段中的儿童能够根据逻辑推理、归纳或演绎的方式来解决问题，已经完全具备进行“假设—演绎”推理、抽象思维、系统思维的能力。在皮亚杰看来，科学推理是认知发展到形式运算阶段之后，儿童或成人所能掌握的推理类型，这就为科学推理的发展提供了一个理论基础。

科学推理的概念自皮亚杰提出之后，在科学哲学、心理学及教育学等领域均有研究涉猎。[4]科学哲学领域从哲学角度研究了科学推理在科学发展中的作用以及推理的逻辑；心理学与生物学结合研究科学推理产生的生理基础、如何发展以及随年龄变化的发展状况等；教育学领域主要研究科学推理能力的影响因素以及如何在教学中培养学生各方面的推理能力。

国际上较为认可的科学推理能力独立测量工具主要有：ACT、SRLT、GALT、TOLT、SRTS、LCTSR等。[5]其中最常用于进行青少年科学推理测量的工具，是由美国俄亥俄州立大学罗森（Lawson）教授开发的LCTSR科学推理能力测量量表。该量表的信度和效度已被国外研究者在众多实证研究中证明[6]，因而国内科学推理能力测评主要用此量表进行调查研究。该量表主要从守恒推理、比例推理、控制变量推理、高级控制变量推理、概率推理、相关性推理与假设演绎推理七个方面，对青少年的科学推理能力进行测量。

三、国内科学推理能力的影响因素研究

科学推理能力是学生获取科学知识的基石，是一个学生在科学上取得好成绩所需要的基本能力，它往往比具体的科学知识更重要。因此，探讨科学推理能力的影响因素已成为国内外科学教育领域的一个热门课题。有关科学推理能力的影响因素主要集中在：教学方法、学生的知识结构、性别、地域以及生理发育年龄等方面。

1.教学方法对科学推理能力的影响研究

教学方法是指为了实现教师和学生共同的教学目标，完成共同的教学任务，运用在教学过程中的方式与手段的总称，主要是指教学中的侧重点、采取的教学模式和方法。

包雷等人在中美两国中等排名的大学中选取了4所美国大学和3所中国大学的科学与工程专业大一新生共5760人，分别测试了他们的物理学科知识和科学推理能力，实验发现真正影响学生科学推理能力发展的并非物理课上学习到的知识，而是教师教学的方法。[7]魏昕在北京地区选取了从小学二年级到高中三年级，共2295人进行研究，结果显示，将结果性知识直接传授给学生的教学模式可以有效地让具有相对固定的计算形式与推理范式的推理类型（如：比例推理）得以强化和提升，而对于在建构概念与探究规律的过程中所需要的推理能力（如：控制变量推理、相关性推理以及假设演绎推理）则有所忽视。[8]孙慧娟通过对宁夏大学和北方民族大学775人进行的非随机分派控制组前后测实验发现，研究性学习有助于提高在校学生的科学推理能力水平。[9]董秋月在杭州市某高中选取两个班的学生，每班各34人作为实验组和对照组进行对照实验，结果发现科学推理结合双重情境学习模式（DSLM）教学，可有效促进学生推理能力的提升。[10]刘佳对广州市祈福英语实验学校高一年级，中加班（接受中方和外方两种教育模式，不参加国内高考）和国内班（接受我国传统教育，参加国内高考）共87名学生进行科学推理能力测试，结果显示两个班学生的科学推理能力并没有显著差异，也就是说该学校中西结合的教育模式并没有有效促进学生推理能力的发展，该模式还需进一步探讨。[11]

综上可知，学校教学理念和方式的不同，对学生科学推理能力的培养和提高会产生不同的影响，而科学推理能力的提升多与学生有直接经验参与的教学方法的使用成正相关。

2.知识结构对科学推理能力的影响研究

知识结构是指一个人经过专门学习培训后所拥有的知识体系的构成状况与结合形式，通常指一个人所具备的知识储备。国内学者在知识结构对科学推理能力的影响因素方面进行了研究。

朱丽杰在研究知识经验对科学推理能力发展的影响时指出，领域性知识（学生的已有观念包括概念、原理、具体经验等）会映射到科学推理的问题情境中；方法性知识（学生获得的方法概念）也对科学推理有重要的影响。[12]周思琪采用双盲分层取样法调查了三个科教水平不同地区三所高中，各抽取三个年级共744名学生进行科学推理能力水平测试，结果发现中学生科学知识水平与科学推理能力水平具有较强的相关性。[13]李力舟在甘肃甘南藏族自治州对某中学高一年级100人进行测评指出，高一阶段的物理学科知识也对科学推理能力产生一定的影响[14]，张轶炳等人在宁夏大学随机抽取的558人进行科学推理能力调查，结果显示，大学生的专业差异对科学推理能力有显著性影响，在概率推理与多层次假设推理等方面有显著差异，而电子信息、机械、交通运输等工科专业的学生科学推理能力较强[15]。杨宏艳抽测桂林某中学三个年级90人的科学推理能力，结果表明数学基础越好，学生的逻辑推理能力越强。[16]谈学婕通过湖北省某高中高一高二的文科班、理科班和理科实验班共计314名学生对照测评发现，被试的数理知识与他们的科学推理能力水平几乎不相关[17]，随后她在湖北省某高中随机抽取了568名高一学生进行测评，得出了一致的结论[18]。罗琦在天津市某高中两个年级的科学推理调查研究中，仅对高一学生（没有文理分科）的科学推理能力进行了描述性统计分析，结果表明高一年级学生的理科成绩与科学推理成绩之间不相关。[19]

3.性别对科学推理能力的影响研究

国内学者研究发现高中阶段是男女生概念分化的关键期。[20]杨宏艳研究了桂林某两所中学三个年级学生的科学推理能力，发现初二、初三和高一年级男女生之间并未发现显著差异。[21]严文法抽取山西临汾某初中一到三年级812人，采用3×2实验设计了4个科学推理实验发现，男女生之间只在比例推理的某一个水平上表现出显著差异，其他各类推理的各级水平差异均不显著；从推理能力发展趋势看，男生在初二年级快速发展，女生总体发展较平稳。[22]李力舟选取了甘肃甘南藏族自治州某中学高一年级的100名同学，调查结果显示男女生之间科学推理水平存在一定差异，并且高一阶段女生的科学推理水平明显优于男生。[23]

陆海燕选取南京市三所高中共108人进行物理推理能力测评，独立样本T检验结果表明，男女生之间无显著差异。[24]周思琪通过对三个地区三所不同高中744人的测评结果进行T检验发现，除了某一所高中高一年级的男女生存在显著差异之外，其余的结果均显示男女生在科学推理能力上差异不大。[25]罗琦在天津市某高中选取高一高二共200名学生进行科学推理能力测试，研究表明男女生在科学推理能力上并不存在显著差异，而男女生的认知风格不同则导致男生的平均分高于女生。[26]

冯秀梅的中美调查研究是关于研究性别这一影响因素中选取样本最大的。她选取了排名相当的七所中国大学和五所美国大学测评了1701人，通过对结果分析发现，整体得分上女生推理能力较弱，且两国女生整体水平差异较大，男生则相对一致；在不同推理维度上，除了中国女生的比例推理比男生强之外，在其他各维度上，无论中国还是美国，男生成绩都比女生好；在不同的推理维度方面，美国学生的比例推理和中国学生的控制变量推理分别是两国性别差异最大的推理维度。[27]

4.地域对科学推理能力的影响研究

周思琪选取了三个地区的三所不同高中，H高中位于重要科教基地的省会城市，坐拥优势教育资源，教学质量超一流；M高中位于科教欠发达地区，教学质量中上；X高中位于科教欠发达，而教学质量一流的地区。通过对比研究认为，一个地区良好的科教氛围对学生科学推理能力的发展是有积极影响的，并且会形成一个良性循环。[28]李力舟对比了北京地区和甘肃甘南藏族自治州高一学生的推理能力，发现北京地区学生的推理能力明显优于甘南地区。作者指出，由于不同地域的硬件设施、师资力量等教育环境相对能够直接地作用于学生，从而可能对其能力的发展产生更为直接的影响。[29]

5.生理发育程度（年龄）对科学推理能力的影响研究

年龄，也就是生理发育程度，被一些研究者认为是影响科学推理能力的重要因素。有学者通过测试发现，个体在13—14岁时科学推理能力提高稍缓，14岁之后能力提升速度会增加。[30]魏昕通过对一个北京地区从小学二年级到高中三年级的2295人的样本数据的研究发现，样本在二年级到初一年级之间推理能力无显著性差异，而从初一到高三之间则呈明显的线性上升趋势，也就是说个体发育到“形式运算”和“后形式运算”的阶段，表明个体生理发育对科学推理能力的发展具有显著的影响作用。[31]严文法的科学推理实验发现，初中生的推理能力整体随着年级的提升而持续上升。[32]罗琦的研究结果显示，高二学生的科学推理成绩显著高于高一年级，这一结果也符合皮亚杰的认知发展理论。[33]

杨宏艳测评了桂林某中学90人的科学推理能力水平发现，由于中学阶段学生接受应试教育只注重分数提升而不注重能力培养，科学推理能力的年级差异并不显著，但是中学生的思维已经开始发生质的变化。[34]

6.其他影响科学推理能力的因素

李力舟还研究了外部宏观环境对个体的科学推理能力的影响。所谓的宏观外部环境包含了多种因素及其之间的相互作用，如：经济发展水平、人文环境、自然环境、文化氛围等。其中绝大部分因素对个体的科学推理能力发展都会产生隐性和间接的影响，并且牵涉的范围广，相互作用的机制也较复杂。[35]

周思琪从微观角度分析，指出科学推理能力的增长并非只是来源于个体思维的发展与成熟，除了性别影响因素外，还受所学知识、文化背景、个体能力、个性因素以及学生所处的地理位置和社会经济地位等因素的影响。[36]罗琦的研究结果还发现，学生的受教育环境不同也会导致其科学推理能力的显著差异，对于同一所高中的学生而言，来自重点初中的学生科学推理能力要显著高于来自非重点初中的学生，原因是不同学校在校园的硬件设施、文化氛围、教学方式、学习氛围、学生的基础知识和学生对新知识的掌握能力上存在一定的差异。[37]

四、结论与展望

目前国内科学推理能力的研究仍处于初级阶段。在整体研究趋势上，呈现出重现状调查，轻理论探讨和实践研究的趋势。与西方发达国家相比，我国对科学推理能力的理论探讨和测量研究起步较晚，仍停留在现状调查的层面，缺乏完整的理论体系，更加缺乏教育实践的改进和突破，尤其是针对处于科学推理能力发展关键期的青少年，缺乏相关的教学实践。由于国内研究者选取样本和测量方法等因素，导致对同一影响因素的测量结论存在差异甚至完全相反，教师在使用教学策略时应该针对学生的特点、教学内容、教学环境等多因素进行修改，使其适合本土环境。

在研究结果上，青少年科学推理能力整体水平低，且发展不平衡。科学推理能力检测涵盖了国内外各个不同地区和民族，测评被试的选取都采用了随机抽样方式，然而调查结果显示，目前我国青少年的科学推理能力整体水平偏低，亟待提升；而具体到个体推理能力上，由于性别、地域、教育环境、方式的不同，又呈现出发展不平衡的现状。

综上所述，科学推理能力的现状调查比较成熟，在此基础上，缺乏针对测量出的各子推理能力不平衡的成因分析；关于如何促进青少年各子推理能力的提升与发展，缺乏一套系统的学科教学指导模式，能够让教师从学科知识和学生的认知水平角度出发，引导学生通过科学推理和科学论证发现规律、得出结论，精准地培养学生各方面的推理能力，培养科学思维，提升科学素养。▲

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