理科教师探究教学实施能力急需提升：一项基于Rasch模型的实证研究

刘东方

(沈阳师范大学教师专业发展学院，辽宁沈阳 110034)

一、问题的提出

科学探究能力的培养是国际科学教育的核心内容。美国2013 年颁布的新一代《科学教育标准》将工程实践融入探究过程中，赋予科学探究更深的实践性。[1][2]我国2016年发布的“中国学生发展核心素养”指出“科学精神”的基本要点包括“勇于探究”，“社会参与”的具体要点包括“问题解决”。[3]各国持久地重视对科学探究能力的培养。

学生的科学探究能力很大程度上取决于探究教学的有效实施，探究教学实施能力是理科教师学科教学能力的构成要素之一，[4]也是最体现教师教学实践能力的要素之一。

理科教师探究教学实施能力是物理、科学、生物、地球科学等四门学科的理科教师在课堂上指导学生完成探究活动时所具备的教学实施能力，是对探究教学实施活动进程及方式起稳定调节作用、保证顺利完成教学活动的心理特征。目前，中学理科教师的探究教学实施能力处于何种水平，用什么样的理论与工具可以对其进行测查，如何为促进教师探究教学能力培养提供借鉴，是本文要探讨的内容。

二、已有研究综述

(一)关于理科教师的探究教学实施能力

学者首先从教师的教学能力展开研究，克拉克和彼得森将教学分为三个阶段，即“行动前”“行动中”“行动后”。因此，教师的教学能力也可以分为三个核心部分，即教学设计能力，教学实施能力和教学反思能力。[5]基于此，谢绍平等人从五个方面提出理科教师探究教学实施能力的构成：指导学生提出问题、指导学生提出猜想与假设、指导学生获取证据、指导学生分析与论证、指导学生交流。[6]

(二)关于理科教师探究教学实施能力的测查方法

研究者主要采用等级量表式问卷调查法，由教师对自身的探究教学情况做出判断，从而得出研究结论。[7-9]例如，“在选择探究教学方式时，您觉得：A.十分困难；B.困难；C.有点困难；D.不困难。”这样的题目在一定程度上能反映出教师对探究教学的认识、体会及存在的困难，但在具体探究教学实施能力方面得到的结论客观性较弱，需要进一步探讨客观的研究方法。

(三)Rasch模型的应用

Rasch模型是由丹麦学者Georg Rasch提出的描述智力和成就测验的概率模型。在该模型中，被试的能力越高于试题难度，则正确回答此题的概率越大。Rasch测量具有如下优点：(1)测量分数是等距的；(2)被试能力和项目难度相互独立，互不影响；(3)能力和难度是被试在一系列项目上的反应通过估算得到的，提高了测量准确性；(4)被试能力和项目难度使用同一把量尺，使数据具有可比性。[10]Rasch模型在教育和心理测量领域得到了广泛的应用，例如，在测验设计、测验等值、计算机自适应考试、试题质量分析、学科能力表现测试等多个领域发挥重要作用。[11]但应用Rasch模型对理科教师教学能力进行测查的研究还极其少见。

三、研究设计

(一)探究教学实施能力的评价标准

1.探究教学实施能力的评价要素

本研究在2012年基于国外10个国家或地区科学课程文件的频次分析，提炼出提出问题、猜想假设、制订计划、进行实验、收集证据、解释结论、反思评价、表达交流等8个能力的二级要素能力，[12]丰富了科学探究能力构成。基于科学探究二级要素能力，提出理科教师探究教学实施能力的评价要素如表1所示。

表1 探究教学实施能力的评价要素

2.评价要素的水平界定

在评价要素中，将每一个二级能力要素划分了4个水平维度。不同水平维度划分的主要依据是主体性、深刻性、创造性。[13]主要表现为“理科教师主体-学生主体”“表面指导-深入指导”“孤立指导—优化指导”。例如，在“指导学生提出问题教学能力要素”的二级要素中，第一个要素为“指导学生发现并建构明确的问题”。其水平1为0分：“由理科教师提出要研究的问题，未指导学生发现和提出问题”；水平2为1分：“给予学生提出问题的机会，并对学生进行表面性指导”；水平3为2分：“给予学生提出问题的机会，深入指导学生建构明确的问题”；水平4为3分：“深入指导学生建构明确的问题，并指导学生自主、清晰地表述问题”。该测查共有40个要素指标，每个要素指标满分为3分，合计120分。

(二)研究方法

1.课堂观察法

课堂观察法是观察者带着明确的目的，凭借自身感官及辅助工具，直接或间接从课堂情境中收集资料并进行分析的方法。[14]这种方法保证了教学能力及其表现研究的准确性与客观性。本研究采用课堂观察法，观察理科教师的课堂探究教学视频，并进行定量分析。

2.基于Rasch模型的统计方法

利用Rasch模型，并使用Bond&Fox Steps软件对数据进行处理。[15]直接在理科教师、测查工具之间进行比较，得出理科教师探究教学实施能力的情况。

(三)测查的理科教师样本选择

评价对象为辽宁省初中化学教师，以“一师一优课”国家教育资源公共服务平台为视频来源，[16]年份为2015-2016年度及2016-2017年度，选取的内容为义务教育化学教科书·九年级上册(上海教育出版社)中第六章“溶解现象”、第七章“应用广泛的酸碱盐”，以及义务教育化学教科书·九年级上册(人民教育出版社)中第九章“溶液”、第十章“酸和碱”的所有课堂教学视频。共有358节课，其中，探究教学课共有129节，如表2所示。在这些理科教师中，男教师21人，女教师108人。3节为部优课，7节为省优课，21节为市优课，22为县优课，76节为一般课。农村学校理科教师53人，城市学校理科教师76人。

表2 探究教学视频样本选取

四、测查结果与分析

(一)测查工具质量分析

根据初测分析结果，对测量工具进行修订，并实施第二次测查，重新进行测查的质量检验。测查工具整体信度为0.96， MNSQ值为0.98，在0.7～1.3范围内，接近理想水平，表明测查工具与理想模型具有良好的匹配度。分离度反映测量工具对不同能力水平被试的区分情况，分离度越大，说明区分效果越好，此试卷题目分离指数为4.88，分离度较好。Rasch模型要求测查是一维的，一维性检验结果如图1所示，共40道题目，其中11道题目超出接受范围(-0.4～0.4)，仅占总题目数的27.5%，表明测查具有一维性，这些题目能够共同反映理科教师的探究教学实施能力。

图1 试题一维性检验

(二)测查结果与分析

1.理科教师探究教学方式的使用现状

所选择的两个主题，都与学生的生活经验紧密结合，无论从内容上还是学习方式上，都适合学生进行实验与探究。而在收集到的358节课中，有129节课的理科教师采用了探究教学的方式，仅占总课时的36%，这说明理科教师在日常教学中，采用探究教学方式较少。

2.理科教师各探究要素能力的情况

计算理科教师在各探究要素能力的得分，并按照满分100分折算，结果如表3所示。

表3 理科教师探究教学实施能力的得分

总体来看，理科教师各探究要素教学能力的平均得分均未达到及格水平，总体极低。其中，提出问题教学能力几乎没有表现，即在教学中理科教师很少引导学生提出问题，很少会培养学生提出问题的能力；其次为猜想假设教学能力、反思评价教学能力和收集证据教学能力；再次为解释结论教学能力、制定计划教学能力、进行实验教学能力；最高分为表达交流教学能力，为50分。

3.理科教师探究教学实施能力的整体水平

测查的“理科教师能力-题目难度分布”如图2所示，呈现了理科教师水平与测查工具难度客观等距量尺图形，显示个体与试卷整体的综合概况。轴线的左边为理科教师能力水平分布，自下而上依次提高，轴线的右边为测查题目，难度水平自下而上依次提高。从图中可以看出，题目难度的主要跨度为-4～+4个logit值，从数值上将其分为四个区域，能够代表理科教师探究教学实施能力的四个水平，将四个水平所对应的题目组合，就分别代表理科教师在每一个水平所能达到的具体行为。相应地，可以得出理科教师在课堂探究教学实施能力方面表现出如下四个水平：

处于“水平1”的理科教师在教学中能够指导学生：系统地、精确地测量；确认测量中误差的可能性来源；交流数据和信息；交流科学结论和论点；考虑批评性意见和其他解释并做出反应。

处于“水平2”的理科教师在教学中能够指导学生：基于化学知识和原理，发现并建构明确的问题；选取合适的实验材料和工具(探测器、电子天平等)；按照设计程序进行实验；系统观察；重复实验，减小随机误差；使用图和表格呈现信息；确认和解释意外的不一致的数据；根据证据和逻辑推理确立因果关系；使用数学关系解释变量关系；批判性地思考证据，确定是否选择了合适的证据进行论证；检验论证过程的逻辑性；交流科学过程和方法。

图2 理科教师能力—题目难度分布图

处于“水平3”的理科教师能够指导学生：编写科学的、以模型为中心的说明；评估、修改模型，以提高模型的解释力，更好地适应现有的证据；确定探究的方法，包括：实验、模型、实地调研、信息研究、二手资料；使用恰当的实验技能；分析、推理证据的规律，通过归纳、演绎得出结论；构造一个模型(物理模型、数学模型、概念模型)用以表征关系；评价结论和观点的正确性和局限性；从科学的角度评估所使用的方法；从其他角度提出可能的解释、结论和方法；提出需要进一步解决的问题；口头进行探究实践报告，并准确地、有逻辑性地运用语言；撰写书面探究实践报告。

处于“水平4”的理科教师能够指导学生：解读问题，把问题拆解，指向具体的研究对象；评估问题结构、质量与价值；基于观察和所学科学知识进行预测，建构可验证的假设；建立简单的模型(物理模型、数学模型等)来陈述现象或进行预测；鉴别各种变量(自变量、因变量、控制变量)；设计有逻辑顺序的实验步骤；使用统一测量尺度和记录手法以消除系统误差；利用现有技术和设备测定有一定精度要求的数据；用硬件(如计算机)和软件、电子资源收集和存储信息；使用统计技术组织和统计数据。

4.理科教师探究教学实施能力所处水平

根据理科教师探究教学实施能力的logit值，能够分别找出其在不同探究教学实施能力水平上的分布，如表4所示。

表4 理科教师探究教学实施能力的水平分布

在129名理科教师中，有14.7%的理科教师探究教学实施能力处于水平1，有70.5%的理科教师处于水平2，有14.7%的理科教师处于水平3，没有理科教师达到水平4。

5.所处地区对理科教师探究教学实施能力的影响

为了考查理科教师所处地区对其探究教学实施能力的影响，做T检验分析，如表5所示。结果表明，城市的理科教师探究教学实施能力略高于农村理科教师，但两者的Sig值为0.173，大于0.05，无显著差异。

表5 农村和城市理科教师探究教学实施能力T检验

6.性别对理科教师探究教学实施能力的影响

为了考查性别对理科教师探究教学实施能力的影响，做T检验分析，如表6所示。结果表明，男性理科教师的探究教学实施能力略高于女性，但两者的Sig值大于0.05，无显著差异。

表6 男性和女性理科教师探究教学实施能力T检验

7.优课等级对理科教师探究教学实施能力的影响

为了考查优课等级对理科教师探究教学实施能力的影响，做多因素方差分析，如表7所示，数字1～5依次表示部优、省优、市优、县优、一般等级。同时做了理科教师能力与优课等级关系图，如图3所示。结果表明，随着优课等级的下降，理科教师的探究教学实施能力也随之下降，一般等级课相对于县优课得分略有上升，但差异不大。具体来看，部级优秀课的平均成绩最高，其次是省优课。尽管省优与市优课的理科教师探究教学实施能力差异不显著，但以30分为界限，将等级3与等级4、5划分在一起。由此可以得出结论：部优课和省优课理科教师的探究教学实施能力明显高于其他等级的理科教师，且呈现显著差异；市优课、县优课、一般等级课理科教师的探究教学实施能力差异不大，其中市优课理科教师的探究教学实施能力略高，一般等级课理科教师探究教学实施能力略高于县优课，但两者差异不大。

表7 优课等级对理科教师探究教学实施能力的多因素差异检验

将显示同类子集中的组均值。

a.将使用调和均值样本大小8.585。

b.组大小不相等。将使用组大小的调和均值。将不足保证1类错误级别。

图3 教师探究教学能力与优课等级的关系

四、研究启示与建议

此次对辽宁省理科教师探究教学实施能力的测查在一定程度上能为基础教育理科课程、教学和教师培训提供启示。

(一)基础教育课程标准应明晰科学探究的内涵

教师在教学实践之前，应有足够的理论作为指导。在现行的理科课程标准中，提出了八个过程性要素供教师参考，但没有对每个要素进行指示，例如，在指导学生提出问题时，是否应引导学生提出问题的角度，是否应指导学生甄别问题价值，是否应该指导学生准确地表述问题等，没有做出具体的阐述，导致理科教师在设置探究教学时，没有明确的标准，指导不够深入。科学探究二级要素能力的确定，进一步明确了“探究能力是什么”。因此，在课程标准中，应在“科学探究”概念的基础上，提出科学探究的二级要素，明确其操作步骤和要点，并给出完整的探究教学范例，便于理解和迁移。同时，在理科教科书中，探究性栏目应在科学探究的二级要素上设置活动，以此保障理科教师能够更加精致地、创造性地设计教学，有效地指导学生完成探究过程。

(二)理科教师探究教学实施能力应向更高水平迈进

由前文所界定的探究教学实施能力的四个水平可以看出，水平1是教师针对实验测量和交流结果等少数几个探究二级要素对学生进行局部性的指导，探究的过程多为教师完成，开放度小；水平2和水平3是教师针对更多的探究二级要素进行指导，对二级能力要素的雕琢更加具体和精致，实践性更强；水平4是教师加深了对学生思维性的指导，并且开放度增大，现代化教育技术的应用程度也增大。目前大部分教师处于水平1～水平2，因此，理科教师在实施探究教学时，应在主体性、深刻性、创造性上向更高的水平迈进。

(三)对理科教师培训的建议

1.促进理科教师从探究教学观念向行为转变

课程改革将近二十年，探究教学已经深入理科教师观念，但尚未在行动上全面落实，多数教师由于各种因素而回避探究教学方式。反观“部优课和省优课理科教师的探究教学实施能力强”这个结论，也说明，探究教学实施能力越强的教师，整体教学能力也越强。因此，在理科教师培训中，还需要完善课程模式，选择有效的培训内容，提供真实的案例，并鼓励教师在培训过程中进行实践训练和展示，采取“理论引领+范例分析+实践反思+评比提升”的学习模式，提供探究教学专项比赛，使培训方式多样化，有效地使理科教师从探究教学观念向行为转变。

2.强化理科教师探究教学设计能力

探究教学设计决定了探究教学的具体实施，两者是相辅相承、相互促进的。因此，在探究教学内容选择、资源开发、探究问题和教学情境创设方面，为教师提供更好的内容和策略，强化探究教学设计能力。

3.鼓励理科教师开展探究教学行动研究

通过探究教学行动研究，找出探究教学过程中出现的问题，进一步查阅资料或同行研讨找出策略。一方面能够使遇到的实际问题得以解决，另一方面，使教师对学生发展、对自身局限有深刻的了解，能够不断积累理论和实践性经验，增强教师探究教学的积极性和研究力，提高自身的科学探究教学实施能力。