科学教师教学思维层次评估及提升：基于思维能力结构模型

阮庆元 方向东 梁荣君

基础教育改革迫切要求教师改变传统的教学行为，而教学行为的改变往往依赖教师教学思维的转变。所谓教学思维，是指教师针对其从事的教学活动及存在的问题，利用自身知识体系，分析教学对象特征，思考如何组织和应用教学方法达到教学预期。[1]教学思维与教学观、教学理念虽都属于教师意识层面的活动，但教学观和教学理念是教师对教学问题的总体看法和概括性认识，它们在情感、意识层面间接指导教学行为；教学思维则直接影响并支配教师的教学行为，常在教学准备、教学设计、课堂教学、教学评价等教学活动中体现。[2]教师的教学思维层次对其改善、提升教学行为至关重要。教学思维具有学科属性，每一学科都有对应的具有学科特征的教学思维。研究者采用科学思维能力结构模型，调查浙江省温岭市初中科学教师的科学思维能力，评估其教学思维层次现状，基于测评发现的问题提出改进教师教学行为的相关建议。

一、科学思维能力结构模型

胡卫平教授提出的科学思维能力结构模型如图1 所示。[3][4]该模型有3 个维度，分别为思维内容、思维方法和思维品质。思维内容包括“科学现象”“科学概念”“科学规律”“科学问题”4 个因子，属于科学知识的范畴，具有科学学科特征；思维方法包括“分析综合”“比较分类”“抽象概括”“科学推理”4 个因子；思维品质包括“深刻性”“灵活性”“批判性”“敏捷性”“独创 性”5 个因子。科学思维能力结构模型是由思维的内容、方法和品质构成的有机整体，每两个维度又相互构成特定的内容：（1）内容—方法维度构成的平面表示科学学科结构；（2）方法—品质维度构成的平面表示一般的抽象思维能力；（3）内容—品质维度构成的平面代表与科学抽象思维能力相适应的知识结构，具体是指对科学知识的深入理解、灵活运用。在模型中，三维的不同因子构成的“小立方体”表示思维单元，个体的思维能力结构由模型中的多个思维单元组合而成。

图1 科学思维能力结构模型

科学思维能力结构模型具有整体性、动态性和自调性等特点。整体性是指科学思维能力由思维内容、思维方法和思维品质有序构成，它们是相互影响、共同发展的整体。动态性是指模型反映的并不是静态的思维能力状态，而是随着个体知识、方法和品质的改变而改变，变化的是构成思维能力的思维单元，其基本结构保持不变。自调性是指模型本身受外部环境影响时，会通过内部机制进行调节重新达到平衡。

每一个教师在处理具体科学问题时，会表现出科学思维能力对应模型中某些思维单元的动态集合过程，并在这一过程中反映其教学思维。换而言之，科学思维能力结构模型利用结构特征解释个体反应，研究者可以利用该结构特征来确定教师思维反应的层次，判断个体在解决某一问题时思维处于哪个层次，并用模型进行表征和评估。一般来说，科学思维能力层次越高，教学思维层次也越高。

二、评估框架

1.评估内容

表1 评估内容的具体条目

表2 调查样本情况

为使评估具有可操作性，笔者基于科学思维能力结构模型中“思维内容、思维方法和思维品质”3 个维度及其对应的各个因子[4]，形成了包含7 个具体条目（见表1）的正式调查问卷[5]。值得注意的是，教师在处理某一具体问题时，其思维能力可能包含多个对应的因子，因此7 个条目对应的因子并不是单一的。例如：条目②指向“思维品质”的“深刻性”，条目③既指向“思维品质”的“深刻性”，还涉及“批判性”。“思维品质”中的“深刻性”是其他思维品质的基础，因此7 个具体条目中大多都涉及“深刻性”。

2.评估对象及方法

研究者在温岭市39 所初级中学发放调查问卷529 份，共收到有效问卷525 份，问卷回收率为99.25%。525 名参评教师区域分布如下：城区教师167 人（男教师103 人、女教师64 人），占比31.81%；非城区教师358 人（男教师212 人、女教师146 人），占比68.19%。参评教师教龄结构、专业背景的构成如表2 所示。

三、结果分析

1.总体情况

表3 科学思维能力的总体情况

笔者计算取样教师在每个具体条目中的平均得分，了解教师科学思维能力的基本情况。从表3 可以发现，教师科学思维能力的7 个条目中，平均值最高的两个条目是③和⑥。可以看出，科学教师整体上能够正确分析数学结论式的科学意义，正确掌握并灵活运用科学概念和科学规律，这说明他们在处理数学结论和掌握科学概念或科学规律等核心知识上的表现比较好。条目②和⑤的均分也在80 分以上，说明科学教师能较好地根据原理抽象出理想模型，可以运用数学解决科学问题，在模型的提取、解决问题的方法选择上表现不错。谷值分别对应条目①和⑦，说明科学教师在大量的数据或现象中不能迅速地抓住本质，且运用逻辑法进行推理的能力也较差，可见其科学推理、由现象到本质的概括等思维能力有待加强。峰谷极差为15.29，整体来看，该市初中科学教师在科学思维能力层次的差异较大。

2.不同区域的教师科学思维能力层次的比较

除了调查总体情况，研究者还对城区与非城区初中科学教师思维能力进行了调查。城区和非城区教师科学思维能力的均分为84.47 分和80.1分，7 个条目的得分如图2 所示。

从图2 可以看出，城区初中科学教师的思维能力均分、各层次均分都高于非城区教师。条目③和④中，城区教师思维能力表现均高于非城区教师，说明城区科学教师能够正确地分析数学结论式的科学意义，在处理问题抓住本质的能力上、对科学意义理解和抽象思维水平等表现上更强一些。当然这也有客观原因，温岭市自2003 年开始对非城区教师进入城区学校任教实施“进城考”选拔政策。[6]“进城考”是当地教育管理部门及专家对参加“进城考”的教师进行量化打分的综合考评，考评的内容包括教师的师德表现、课堂教学能力、教研能力等综合素养。通过考核的城区教师相对于非城区教师在学科素养与教学认知素养上要求更高一些。条目②和⑦中，城区教师和非城区教师的均分较为接近，说明科学教师在根据原型抽象理想模型，以及用逻辑法进行归纳推理等能力上较为接近，且区域差异性比较小。

图2 不同区域的教师科学思维能力的比较

3.不同教龄的教师科学思维能力层次的比较

研究者以5 年教龄为基准，划分出7 类教师，并对不同教龄的初中科学教师的思维能力的调查分数进行处理，其结果如图3 所示。

从整体上看，教龄在11～15 年、6～10 年、16～20 年的科学教师的科学思维能力层次位居前3位，教龄在5 年以内、30 年以上的教师的科学思维能力层次位居末两位。思维能力层次在不同年龄段呈“∩”形。可见，教师的科学思维能力在6～20 年教龄之间达到顶峰，并保持相对的平稳，此后思维能力层次逐渐下降。特别值得注意的是，教龄在30 年以上的科学教师，其条目①的均分远低于均值，说明教龄较大的教师在面临大量的数据或现象时未能迅速抓住本质、发现规律，从现象到本质进行推理的思维能力比较欠缺。

4.不同专业背景的教师科学思维能力层次的比较

图3 不同教龄的教师科学思维能力的比较

图4 不同专业背景的教师科学思维能力的比较

研究者从物理、化学、生物、综合理科、其他等不同专业背景，分析初中科学教师的思维能力的层次差异，具体情况见图4。

从整体上看，专业背景为物理、化学的初中科学教师的思维能力总体情况以及7 个条目上的均分都较高，其他专业背景的初中科学教师科学思维能力的得分较低，这说明科学思维能力具有专业背景的差异性。不同专业背景科学教师思维能力层次的7 个条目均分别呈“M”形分布，其峰谷值与教师整体表现相似。具体而言：不同专业背景的科学教师思维能力层次在条目②和③上的差异较小，说明科学教师在能否根据所研究的原型抽象出理想模型、能否正确分析讨论数学结论式的科学意义等方面的差异较小；在条目④和⑦上的差异较大，说明科学教师在应用数学解决科学问题和科学推理等能力方面有较大差异。

四、结论

1.科学思维能力的整体情况

科学教师的科学思维能力层次整体较高，但在具体的思维内容、思维方法和思维品质上存在较大差异。

思维内容上的差异表现为：当“科学概念”和“科学规律”等思维内容单独呈现时，科学教师的思维层次较高；当“科学现象”与“科学规律”或“科学概念”等思维内容有所交叉时，其思维能力层次较低。这说明科学教师同时处理多种思维内容的能力还有待提高。

思维方法上的差异表现为：“分析综合”和“分类比较”等应用能力较强，但“抽象概括”和“科学推理”等应用能力还有待提升。

思维品质上的差异表现为：教师思维过程中缺乏“敏捷性”和“独创性”，但具有较好的“灵活性”和“深刻性”。

由模型可知[4]，科学教师思维能力层次的具体差异与其自身学习和教学实践有关，如对于科学现象、规律和概念的内在关系的学习较为缺乏，在教学的过程中，他们未能重视科学现象、规律和概念的内在联系，导致抽象概括和科学推理能力的缺失，也不能迅速地解决课堂中发生的具体的科学问题。

2.科学思维能力的群体差异

（1）城区教师科学思维能力优于非城区教师，教师资源分布不均衡的现象比较明显

就不同区域的教师科学思维能力层次而言，城区教师优于非城区教师，教师资源分布不均衡的现象比较明显。城区教师对于“科学概念”和“科学规律”等思维内容的把握更强，更擅于利用“综合分析”和“分类比较”等思维方法，在思维品质上更有“独创性”。科学教师思维能力层次除了受到“进城考”的影响，还与生源质量息息相关。城区学校相对来说吸纳了较为优质的生源，无形地迫使科学教师在教学时更加注重科学知识的内在联系，在思维方法和品质上表现得更优秀，以适应学生的高标准学习诉求。除此之外，城区学校拥有更多的名优骨干教师，科研氛围浓厚，在学习团队的引领下城区教师思维能力的培养有着先天的优势。

（2）“新手”和“高龄”教师科学思维能力有待加强

就不同教龄的教师而言，教龄6～20 年的教师的科学思维能力层次较高，而教龄5 年以内和30 年以上的科学教师思维能力层次较低。教龄5年以内的新教师处于职业生涯的初期，教学经验有所缺乏，尽管在科学知识的储备方面比较充足，但是科学思维能力的提升依赖教学经验的积累。从模型角度而言，教龄5 年以内的新教师具有的思维单元比较少，科学思维能力层次较差。但新教师学习的主动性和迫切性较强，因此6～10年教龄的科学教师表现出较高的科学思维能力层次。由此可见，科学教师科学思维能力层次的提升与其教学经验直接相关。30 年教龄以上的科学教师思维能力层次较低的原因在于，他们处于职业发展末期，动力不足，存在懈怠现象，导致经验积累的延缓或停顿，思维单元减少，从而引起科学思维能力层次的下降。这说明30 年教龄以上的科学教师尽管教学经验丰富，但若不及时补充，科学思维能力层次也会下降。当然，思维“敏捷性”的降低在一定程度上也与生理岁数的增加有直接关系。对不同教龄的教师而言，其科学思维能力层次是动态变化的，这种变化和教学经验密切相关。

（3）具有物理、化学专业背景的教师科学思维能力方面表现突出

就不同专业背景的教师而言，物理、化学专业教师的总体表现更好，而综合理科和其他背景教师的总体表现较弱。物理和化学的学科特点决定了这两个专业背景的教师在“科学概念”和“科学规律”等方面的表现更为出色，更擅长“抽象概括”和“科学推理”等思维方法。综合理科和其他学科的教师在知识内容的综合性上表现更佳，科学思维能力可能不是他们的强项。科学思维能力具有学科特征，溯源教师的专业背景，在经历了相似的科学课程教育之后，专业背景不同的科学教师思维能力的差异比较明显。思维能力结构模型中与“专业背景”相关的思维单元随时间不同而产生的变化并不大，“专业背景”不易导致思维单元的改变或重组。因此，可以采用跨学科的教学实践或研训活动，弥补由专业背景不同导致的教师科学思维能力层次的差异。

五、建议

1.根据专业背景和教龄差异，依托校本研训平台展开全员实践和培训，提升教学思维

教学实践和培训可以提升教师的科学思维能力，但必须贯穿在科学知识和方法的教学实践中，可以思维品质作为突破口。[4]研究发现，教师的科学思维能力总体水平还是不错的，但当多种思维内容同时出现时，教师在思维方法的表现上有所不足。根据教龄和专业背景的群体差异，教育管理部门和学校可以依托教师研训平台实施全员教学实践和培训。

教师研训平台是融合培训和教研功能的教师成长平台，其主要形式包括公开课研讨、集体备课、主题业务竞赛、主题培训、读书沙龙等。其中，公开课研讨、集体备课和主题业务竞赛是在实践和探讨中进行教学研究的，主要通过科学教师亲身参与，指向教研功能。主题培训、读书沙龙则强调科学教师通过交流或聆听间接参与，指向培训功能。当然，教研和培训的范畴会有所交叉和重叠，但目的是一致的。

在制订教学计划时，教育管理部门应充分考虑各教龄阶段科学教师思维能力的现状，针对性地安排相关主题的教研活动。比如，教龄5 年以内的新教师应侧重于思维品质方面的锻炼，而30年教龄以上的教师则应及时丰富思维内容，注重敏捷思维的训练。教育管理部门可根据不同教龄阶段教师自我发展需求上的差异，制定不同的评价机制：针对教龄5 年内的教师，多给予展示的平台，鼓励新手教师参与市级公开课和讲座等活动，有效快速地积累教学经验，提升思维能力；针对30 年教龄以上的教师，可通过师徒结对、师徒捆绑考核、让徒弟在思维敏捷等方面对师傅进行反哺等路径，引领师傅反思自己的教学行为，更新教育观念，做到终身学习。教育管理部门须以科学思维能力结构模型的测评内容对参与市级研训的教师进行教学思维的评价，将测评结果纳入学校评估和教师个人绩效考核，形成多级联动的长效评价机制。

学校科学教研组应根据教师专业背景的特点，选择合适的思维内容、方法和品质开展主题活动。比如，对于综合理科专业背景较强的科学组成员选择“读书沙龙”等方式，进行跨学科知识的交流探讨，以提高综合理科教师的科学思维能力等。由于科学思维能力的自调性，当个体学习新知识时，常能通过自身的平衡，使科学思维能力重新调整回归到新的水平，因此，教研组可以跨学科核心概念为统领，如科学本质教育、STEAM 教育等，组织教师参与科学活动或培训，弥补学科背景引起的差异性，提升科学教师的思维能力层次。

2.通过同伴互助、优秀教师帮扶，促进区域间教师流动，均衡教育差异

科学思维能力在很大程度上决定了一个人行动的方向和结果，科学教师可通过教研和观摩学习，创造性地寻求解决问题的有效方法，最终建立复杂的教学思维模式，提升科学思维能力。在思维内容、思维方法和思维品质方面，城区教师的科学思维能力表现均优于非城区教师，教师资源分布不均衡的现象比较明显。为了减少“进城考”“生源差异”等因素对非城区教师发展的负面影响，缩减教师科学思维能力发展的区域差异，教育管理部门应该在职称评定、评优、评先、招生政策和绩效奖励上，给予非城区教师群体更多的倾斜，通过教师流动互助，实现教育资源的均衡。

市级教研部门可组织城区的优秀教师进行送教活动。首先，鼓励优秀教师选择“科学概念”和“科学规律”等不同思维内容交叉融汇的“概念课”和“规律课”进行课堂展示，在展示的过程中利用“抽象概括”和“分析综合”等思维方法进行教学。然后，组织城区优秀教师和非城区教师就如何整合多种思维内容、如何选择合适的思维方法进行教学改进展开交流，经由同伴互助达到共生成长。最后，透过理论学习和帮扶计划，帮助非城区学校依据科学思维能力结构模型对教师的思维能力进行测评，以判断教师教学思维的变化状况。

3.基于科学思维能力结构模型科学地展开测评，促进科学教师的专业发展

教师专业发展主要从专业知识、专业能力和专业情感等方面展开。其中，科学思维能力是科学教师专业能力重要的组成部分。科学思维能力结构模型强调个体的科学思维能力是由多个思维单元构成的。随着环境的改变，科学思维单元也会发生改变或重组。对于教师专业发展而言，影响其科学思维能力的发展因素既包括外环境，如校本研训和主题研修等，也包括内环境，如在教学实践过程的自我反思和自我学习提升等。可以发现，外环境容易受到内环境中个体思维单元改变或重组的影响。

基于科学思维能力结构模型对科学教师展开测评，可从教师行为和教学内容着手。思维方法和品质内隐于教师的教学行为中，通过分析教师教学实践过程中外显的行为，可以获取教师行为背后蕴藏的思维能力，能够展示出不同教龄和地区教师的专业发展情况。如教师遇到学生的回答超出了预设的范畴等意外情况时，可能表现出“灵活性”和“深刻性”等思维品质,而对于问题的合理解决则体现了教师“综合分析”“比较分类”等思维方法。基于科学思维能力结构模型的整体性和动态性等特点，在处理教学的核心内容时，教师可经由“如何通过问题的设置和逐步引导，让学生构建核心知识”“当学生遇到学习困难时，采用什么方式、行为进行分层和引导”“如何通过有效的过渡让各个教学环节无缝衔接”等问题，反思自己的思维能力状况，最终通过科学知识和方法的学习，将思维品质的训练作为突破口，以测评结果作为教师专业发展的指导建议，有针对性地学习，完善自身的思维能力结构，提升教学思维层次。