高二学生科学推理能力现状调查

李梦宇 李建彬 胡象岭

(曲阜师范大学物理学系,山东 曲阜 273165)

1 引言

科学思维是指具有意识的人脑对科学事物的本质属性、内在规律及事物间的相互联系和关系的间接与概括的反映,是物理核心素养的构成要素之一．[1]科学推理(scientific reasoning)指的是个体对一个多变量系统进行推断时表现出的思维能力,[2]是科学思维的重要组成部分．因此,开展关于科学推理能力的研究,是发展学生核心素养的必然要求．

科学推理能力水平的测量是科学推理能力研究的一项基础性的工作．关于科学推理能力测量的工具有很多,例如美国学者Lawson编制的科学推理能力测试卷[3](Lawson’s Classroom Test of Scientific Reasoning,简称“LCTSR”,作者于2000年对该问卷进行了修订,修订版简称“LCTSR 2000”)．该测试卷在教育研究中有着广泛的应用,如包雷等[4-6]利用该测试卷比较了中美大学生科学推理能力的发展水平,郭玉英等[7,8]研究了我国学生科学推理能力随年级发展的规律．高中阶段是学生发展的关键时期,研究该阶段学生的科学推理能力的发展水平并基于此开展教学有助于学生的发展．但目前针对高中学生科学推理能力的研究却比较少．为此,本研究拟使用LCTSR 2000测试卷,测量高中阶段学生的科学推理能力发展状况,以期为相关研究提供参考．

2 研究方法

2.1 测量工具

LCTSR 2000测试卷共有24道试题,测量了6个维度的科学推理能力,分别是质量与体积守恒推理(Reasoning of conservation of mass and volume)(简称“守恒推理”)、比例推理(Proportional reasoning)、控制变量推理(Control variable reasoning)、概率推理(Probabilistic reasoning)、相关推理(Correlation reasoning)以及假设演绎推理(Hypothetical-deductive reasoning)．测试卷的题目分布见表1．

表1 LCTSR 2000测试卷的题目分布

测试卷的24道题目均为有多个选项的单选题,每2道题目为一组,共描述了12个问题情境．每组题目中,前一道题目提出问题,后一道题目要求被试回答原因．本研究采用独立计分法进行计分,即被试每答对一题计1分,答错计0分,测试卷的总分为24分．

2.2 研究样本

高二年级是学生的思维认知发展趋于成熟阶段的关键时期,为此本研究选择高二学生为研究群体．被试是从曲阜师范大学附属中学高二年级随机抽取的2个普通理科教学班的94名学生,被试作答时间为35min．被试信息见表2．

表2 有效被试分布信息

3 研究结果

3.1 测试卷的测量学指标

3.1.1 测试卷的难度

用全体被试得分率来表征题目的难度系数,数值越小表明难度越大．基于测量数据计算了所有试题的难度系数,结果见表3．

表3 24道试题的难度系数

由表3,试题难度系数大小介于0.28到0.98之间．难度最低的是第5、6题和第15、16题,难度较大的是第12题,难度系数达到了0.28．以0.5和0.7为界,简单、适中和较难试题的比例为14∶5∶5,表明该测试卷的难度分布较为合理．

3.1.2 测试卷的区分度

利用高低分组法计算了测试卷的区分度,结果见表4．

表4 24道测试题的区分度

由表4,除第5、6题和第15、16题的区分度过低外,其他题目的区分度均较为理想．上述4道题目区分度过低与题目的难度过小有关,高二学生已对这些题目有了相当成熟的认知,从测量学的角度看,这4道试题已不适宜区分高二学生的科学推理能力水平,但试卷整体仍具有较好的区分度．

3.2 科学推理能力得分的总体情况

3.2.1 总分分布情况

使用SPSS 18做出被试总分的分布情况,见图1．

由图1可知,学生科学推理能力的得分区间为4-24分,大部分被试的科学推理能力处于中等偏上的水平,位于17-18分数段的人数最多,其次是20-22和13-16分数段,位于低分区间和获得满分的人数均较少．在文献[4]研究中,大学生的科学推理能力得分的峰值出现在20分左右(见图2)．可见,与大学生相比,高二学生的科学推理能力仍有一定的发展空间．

图1 高二学生科学推理能力得分分布

图2 中美大学生科学推理能力得分分布

3.2.2 各维度得分情况

计算出被试在各能力维度的均值和标准差,结果见表5．

表5 各能力维度的均值和标准差

由于各维度题目数目不同,不易直接比较被试在各维度上的能力强弱．将上表中各维度的均值除以该维度的题目总数,并做出雷达图,如图3所示．

图3 被试各科学推理能力维度雷达图

由表5和图3,被试的守恒推理、比例推理和概率推理水平较高,其次是假设演绎推理,控制变量推理和相关推理的水平则较低．同时,水平较低的两个维度的标准差较大,表明被试个体在这两个维度上的能力水平存在较大的差异．这一结果与张轶炳[5]研究中的大学生得分情况(见图4)相比,本研究中被试的相关推理能力明显偏弱．

图4 中美大学生各科学推理能力维度雷达图

3.3 学生科学推理能力与性别的关系

被试在科学推理能力总分和6个维度得分的性别差异,结果见表6．

表6 科学推理能力总分及各维度得分的性别差异

不同性别的被试只在相关推理维度上存在显著差异(t=2.044*,P<0.05),但在总分及其他能力维度上均不存在显著差异．总的说来,男女学生的科学推理能力水平相当,不存在显著的性别差异．

3.4 科学推理能力与物理学习成绩的关系

为了研究科学推理能力是否会影响物理学习成绩,本研究采集了被试高二上学期的期末物理成绩,与科学推理能力测试成绩做了相关性分析,结果见表7．

表7 科学推理能力及其各维度得分与物理成绩的相关性

相关分析结果表明,物理学习成绩与科学推理能力成绩呈正相关,相关系数为0.313,在0.01水平上显著相关．具体到科学推理的各个维度,假设演绎推理与物理学习成绩的相关最高,二者的相关系数为0.440,在0.01水平上显著相关．其次是相关推理,与物理学习成绩的相关系数为0.217,在0.05水平上表现出显著的相关性,其他维度对物理学习成绩的影响不大．

4 讨论

4.1 高二学生的科学推理能力

一般认为,科学推理能力是个体的一般能力,不依赖于某一专门领域．比对包雷、[4]张轶炳[5]等对大学生科学推理能力水平的研究,高二学生的科学推理能力尚处于一个不完全成熟的阶段．处于该阶段学生的科学推理能力已经达到中等偏上的水平,其守恒推理、概率推理和比例推理已近乎完善,但假设演绎推理能力、控制变量推理和相关推理能力则需要进一步发展．如何发展学生的科学推理能力是需要进一步研究的课题．Benford等人[9]发现,个体科学推理能力的强弱、是否增长,与教学方式相关,采用探究式教学可以显著提高学生的科学探究能力．为此,在物理教学中应积极开展探究式教学,并重视培养学生在假设演绎推理方面的能力．

4.2 科学推理能力的性别差异

冯秀梅等[6]在探讨中美大学生科学推理能力的性别差异中发现,中美大学生的总体表现都存在性别差异,而中国学生的性别差异相对较小．李力舟等[10]对甘南藏族地区中学生科学推理能力的抽样调查中也认为男生、女生之间科学推理能力水平存在着一定的差异,女生在高一阶段科学能力的发展情况略优于男生．不同的是,本研究并未发现高二学生在科学推理能力上存在显著的性别差异,与孙慧娟等[11]对宁夏地区理科生的科学推理能力测量结果相似．研究结果的不同可能与样本的选取有关,男女生的科学推理能力是否存在差异,仍需进一步探讨．

4.3 物理学习成绩与科学推理能力

不少研究都考查了科学推理能力与学习成绩的关系．包雷[4]运用对比的方法,发现中美两国学生虽然在物理学习成绩方面存在较大差异,但是两国学生科学推理能力却近乎相同,即物理成绩的优劣对学生科学推理能力的影响不大．但包雷研究的是两种不同教育环境下学生的情况,成绩的差异可能更多地受到教育环境的影响．与此不同的是,本研究选择同一教学环境下的两个平行班级,尽可能排除了无关因素的影响．梁美怡[12]计算了初中生物理学习成绩与科学推理能力的相关,结果表明两者的相关系数在0.25-0.3之间,与本研究结果相似．本研究还发现,科学推理能力对高中生物理学习成绩的影响主要体现在假设演绎推理和相关推理两个能力维度上,其中假设演绎推理维度的影响最为显著．梁美怡[12]对初中生的研究表明,控制变量和假设演绎推理对物理学习成绩影响较大．可见,不论是初中生还是高中生,假设演绎推理能力对物理考试的成败具有显著影响．我国的物理试题一般都是给出问题情境,由学生分析作答,在这一过程中,恰好需要用到假设演绎推理．这就提示我们,提高中学生的物理学习成绩的重要途径便是培养学生的假设演绎推理能力．

5 研究结论

本研究主要得到以下结论: (1) LCTSR 2000测试卷具有较为理想的难度和区分度．(2) 大部分高二学生的科学推理能力处于中等偏上的水平,与大学生相比,仍有一定的发展空间．(3) 高二学生在概率推理、守恒推理和比例推理上能力水平较高,其次是假设演绎推理能力,控制变量推理和相关推理能力水平则较低．(4) 高二学生的科学推理能力不存在显著的性别差异．(5) 科学推理能力与物理学习成绩的相关为0.313,其中,假设演绎推理对成绩的影响最为显著．