劉 東 方

(沈陽師范大學 教師專業(yè)發(fā)展學院，遼寧 沈陽 110034)

科學探究能力的培養(yǎng)是國際科學教育的核心內容，國內外的教育體系中都對科學探究能力表現(xiàn)提出了系統(tǒng)要求。我國教育部于2018年1月印發(fā)了《普通高中課程標準(2017年版)》，其中，物理、化學、生物學科凝練的學科核心素養(yǎng)都包含“科學探究”。美國2013年春季頒布的新一代《科學教育標準》中提出基于科學工程的實踐活動，將工程實踐融入探究過程中，賦予科學探究以更深刻的實踐性[1]。國際的大型學業(yè)成就測試也明確考查科學探究能力。理科課程中關于科學探究的目標、內容及水平要求設定，教材圍繞科學探究內容的選取、組織與呈現(xiàn)，課堂探究教學過程的設計，科學探究能力的考試評價設計等方面，都與我們對科學探究能力的構成、表現(xiàn)水平及形成發(fā)展的研究密切相關?？茖W探究能力有怎樣的構成，如何對其進行評價，如何以發(fā)展科學探究能力為目標進行教學診斷和改進？這些問題正是本文要研究的內容。

一、科學探究能力構成及其表現(xiàn)的理論研究

(一)科學探究能力的已有研究成果

國內外研究者對于科學探究能力進行了深入的研究，主要從技能屬性、要素屬性、思維屬性、結構屬性幾個方面進行探討。早期傳統(tǒng)能力理論認為，科學探究能力是過程技能的集合，如觀察、交流、估計、測量、收集數(shù)據(jù)、分類、推斷、預測、制作模型等。由于其過于細碎和微觀，后來國際大型學業(yè)評價項目(TIMSS、PISA和NAEP)將科學探究能力要素化，以一般探究過程的能力要素作為評價單元和目標，從確定探究問題、確定證據(jù)、得出或評估結論、傳播結論、證明對科學概念的理解等方面刻畫探究能力并進行測評。我國學者也參考這種測評方式取得一些研究成果[2]101-109。國際上基本達成共識的過程要素主要包括提出問題、猜想與假設、制定計劃、進行實驗、收集證據(jù)、解釋與結論、反思與評價、表達與交流。從心理學的角度，研究者認為科學探究能力是一種科學思維和科學推理能力[3]73-75，具有思維屬性。將探究過程劃分為三個階段：假設空間的搜索、實驗空間的搜索和證據(jù)評價，強調實驗設計中的變量控制能力和運用邏輯推理、解釋相關證據(jù)能力。這種視角重視內在的科學思維培養(yǎng)，但對學生科學概念的認識并未能提高到應有的高度。后來，研究者試圖從能力的整體結構的角度來建立聯(lián)系，進入到了科學探究能力構成模型的研究，建構科學探究內容、過程和品質的三維模型[4]86-90。綜上所述，科學探究能力的已有研究成果較為深入和豐富，但同時也發(fā)現(xiàn)，科學探究能力結構的建立過程中缺失與學科知識和探究活動的關聯(lián)，較多片面的、側重性的研究，缺少對其內涵本質、思維機制和能力表現(xiàn)的整體研究。同時，科學探究能力的理論研究、能力表現(xiàn)評價以及科學探究教學實踐的連貫性研究相對缺乏。

建立基于探究任務的、將一般探究過程與思維機制相結合的探究能力表現(xiàn)模型，使其在具體操作中可測評、可調控，并普遍適用于科學學科領域。

(二)科學探究能力及其表現(xiàn)的理論模型

本研究以能力的“二因素”理論及智力三維度理論為基礎，基于對探究活動的心理機制分析，以及對國內外課程標準中科學探究能力要素的綜合提煉，構建科學探究能力活動表現(xiàn)構成及其發(fā)展水平的模型，如圖1所示。該模型既是科學探究能力及表現(xiàn)的測評和診斷框架，也是科學探究能力培養(yǎng)可遵循的路徑。

圖1科學探究能力表現(xiàn)模型

1.基于一般探究過程的科學探究能力要素及其表現(xiàn)

“科學探究指的是科學家們用來研究自然界并根據(jù)研究所獲事實證據(jù)做出解釋的各種不同途徑，”同時“也指學生構建知識、形成科學觀念、領悟科學研究方法而進行的各種活動”[5]7?？茖W探究能力是保證學生順利完成科學探究活動所需的個性心理特征[4]86-90?？茖W探究能力表現(xiàn)是學生應用學科知識順利完成特定類型的科學探究活動的表現(xiàn)。如前文所說，目前一般認為一般探究過程包括8個環(huán)節(jié)，即提出問題、猜想與假設、制定計劃、進行實驗、收集證據(jù)、解釋與結論、反思與評價、表達與交流。每個環(huán)節(jié)又包含具體二級能力要素[6]44-49。具體如表1所示。

表1 一般探究過程的二級能力要素

2.以學科知識、探究角度與探究思路為核心的科學探究能力實質

首先，學科知識是能力發(fā)展的主要基礎，是科學探究能力形成的中介[7]67。不論完成哪種類型的探究任務，都需要應用學科知識。

其次，探究角度和探究思路是科學探究能力的核心機制。各個學科領域都有特定的科學探究任務，需要特定的探究思路和探究角度與學科知識相匹配。當學科知識發(fā)揮其認識功能時，便轉化為認識角度、認識思路和推理路徑[8]83-92，125。而科學認識在建構過程中的本質特征就是科學探究，從古至今，科學認識方式之所以推動科學的發(fā)展，是因為它對科學探究過程具有方法論意義。人們有何種科學認識方式，就會用何種方式去探究。因此，認識角度和認識思路自然成為科學探究過程中的探究角度與探究思路。

3.影響科學探究能力發(fā)展及表現(xiàn)水平的變量

學生的科學探究能力之所以有差異，反映在完成相應的科學探究活動表現(xiàn)不同，包括能夠順利完成的科學探究活動類型不同、對一般探究過程和方法的掌握程度不同以及完成探究活動時的探究角度和探究思路不同。影響學生的科學探究能力發(fā)展及表現(xiàn)的變量：一是對一般探究過程能力，即對過程和方法的掌握，決定完成科學探究活動的程序性、科學性和規(guī)范性；二是知識，知識的積累與運用決定了學生科學探究能力的基礎；三是不同水平的探究角度與探究思路。探究角度和探究思路的從無到有，從外部提示到自主調用，決定了科學探究能力的發(fā)展水平；四是探究活動任務及類型，不同學科領域的探究任務和類型都具有獨特性，對學生的特定要求不同，同時，其任務本身也蘊含著開放度的差異。

綜上可以看出，越是探究任務開放度大、探究過程完整的探究活動，越?jīng)]有探究角度和探究思路的引導，越經(jīng)歷規(guī)范科學的程序，就越需要學生自主地將知識結構化、程序化、思路化，也越能體現(xiàn)出學生科學探究能力的最高水平。以科學探究能力表現(xiàn)模型為基礎，測查出的學生科學探究能力發(fā)展狀況，會對理科課程建設和教學具有借鑒意義。

二、科學探究能力表現(xiàn)測評工具的開發(fā)

基于科學探究能力表現(xiàn)模型，結合物理、化學、生物的學科特點選取具體內容和主題建構評價指標體系，并開發(fā)科學探究能力表現(xiàn)的測評工具。

(一)評價指標的建立

1.一般探究過程能力要素的水平界定

在評價一般探究過程時，以每個二級能力要素為單位，將其劃分表現(xiàn)水平，主要依據(jù)是系統(tǒng)性、深刻性、相關性、創(chuàng)造性[4]86-90，其表現(xiàn)水平分別為“孤立—系統(tǒng)”“局部—完整”“表象—本質”“無關—相關”“簡單情境—復雜情境”等。例如，“猜想與假設”能力的第一個二級要素“基于觀察和所學習知識，從不同角度建構可檢驗的假設”，從低到高分為2個水平，水平1為“基于問題的表面和簡單經(jīng)驗提出猜想與假設”；水平2為“基于理論指導和事物本質提出猜想與假設”，分別代表“表象”和“本質”水平。

2.探究角度與探究思路的水平界定

根據(jù)探究角度對問題本質的揭示程度來劃分表現(xiàn)水平，不同表現(xiàn)水平劃分的主要依據(jù)是系統(tǒng)性、深刻性、精確性、創(chuàng)造性，主要表現(xiàn)為“孤立—系統(tǒng)”“宏觀—微觀”“定性—定量”“誤差—精度”“陳舊—新穎”。例如，化學學科“物質分離與提取”的主要探究角度有：“相”不同物質的分離、“相”相同物質的復雜轉化與分離，這三個角度分別代表“孤立”“系統(tǒng)”“創(chuàng)新”三個水平。探究思路的水平界定是根據(jù)思路的關鍵點和完整性，主要表現(xiàn)為“關鍵點的有無”、思路的“局部—完整”。

(二)測評工具的質量

應用Rasch模型檢驗測試工具的信度。根據(jù)初測分析結果，對測量工具進行修訂，并重新進行測試的質量檢驗。最終得到的試題整體信度為0.98，試卷題目的INFIT MNSQ均值為0.97，在0.7—1.3范圍內，表明測試題可信，并與理想模型具有良好的匹配度。試卷題目分離指數(shù)為18.35，對能力測試的分離度較好。題目的一維性指數(shù)為89.5%，表明測試題目能夠共同指向并反映學生的科學探究能力。

三、科學探究能力表現(xiàn)評價的主要結果

本次測試樣本包括遼寧省12所學校的中學生，分別來自城市、農(nóng)村中學，普通、重點學校的實驗班及普通班，具有代表性。有效樣本總量為1 409 份，其中九年級總計330份，高一年級362份，高二年級356份，高三年級361份。

采用BookMark法劃定科學探究能力表現(xiàn)水平等級，先綜合考慮試題的一般探究過程能力要素指標、探究角度和探究思路指標以及Rasch模型處理測試數(shù)據(jù)后得到的試題難度值三個因素，通過邏輯分析初步劃定水平等級；再用SPSS17.0對各水平進行單因素方差分析，檢驗其顯著性差異；最后確定各水平所對應的試題難度值范圍?？茖W探究能力總體表現(xiàn)由低到高劃分為四個水平層級，將一般探究過程的能力要素由低到高劃分三個水平層級。

(一)中學生科學探究能力總體表現(xiàn)水平

中學生科學探究能力總體表現(xiàn)水平分布如圖2所示。

圖2 中學生科學探究能力的總體表現(xiàn)水平分布

3.8%的學生處于水平1，即能夠在簡單情境下，基于表象性的經(jīng)驗提出少量簡單的問題，問題的角度較為單一和孤立。這些問題與研究對象初步相關，對問題的表述具有一定清晰度，但問題淺顯并與研究問題的相關性較低；探究思路不夠明確。

63.2%的學生處于水平2，即具有一定的問題意識，有局部的探究思路；在較為陌生的情境下，以知識和理論作為指導，主動從多個角度提出探究問題，問題具有一定相關性和深刻性；能夠使用科學語言并較為完整地表述問題；用所學習的科學知識和原理，針對問題的本質提出假設，該假設與研究對象有一定相關度且可以檢驗，但提出的有效猜想較少；有建立模型來陳述現(xiàn)象或預測的意識但還不能夠獨立建立模型；基于知識和理論為提出的假設提供依據(jù)；有局部的探究思路，有變量控制的意識；能夠選擇部分實驗裝置及條件；根據(jù)經(jīng)驗孤立地考慮所需要收集的證據(jù)；所收集的證據(jù)初步與實驗目的匹配，根據(jù)提示收集證據(jù)；能根據(jù)證據(jù)得出一定相關度的結論，但對結論的表述不夠完整或邏輯性不強；較為孤立地反思探究過程所使用的方法；從定性的角度交流探究過程、方法以及結論和觀點；初步交流所獲得的數(shù)據(jù)；初步學會運用科學符號或術語撰寫探究報告，但表達不夠完整或邏輯性不強。

27.1%的學生處于水平3，即能主動基于理論指導從多個角度提出問題；提出的問題與研究對象相關性高；能夠解決情境較為復雜的、開放度較大的探究任務，能夠建立完整的模型并使用模型進行預測；提出與研究對象相關性高的、可檢驗的假設；能夠找出變量，并描述出各變量的關系；能初步選擇部分實驗材料；初步選擇簡單的實驗方法；在理論指導下系統(tǒng)地設計需要收集的證據(jù)；有局部的探究思路，設計簡單的實驗方案；系統(tǒng)地記錄實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)；使用圖、表等方式收集并有序組織和呈現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)象；通過歸納、演繹等方法得出證據(jù)高度相關的、可信的結論；利用較為復雜的證據(jù)和邏輯推理確立因果關系，得出結論；用準確完整的科學語言描述結論或做出解釋；系統(tǒng)地評價所選擇的證據(jù)能否支持結論，提出判斷的依據(jù)；對較簡單的方案提出改進的建議或需要進一步解決的問題；定量地交流探究結論和觀點，有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支持和論證過程。

5.9%的學生處于水平4，即有較為完整的探究思路，能夠系統(tǒng)地對所建立的模型進行解釋說明；系統(tǒng)合理地選擇實驗材料；系統(tǒng)地選擇可行的實驗方法；系統(tǒng)地選擇和安裝實驗裝置；在復雜、陌生的信息中對比、選擇可以用的證據(jù)，并系統(tǒng)地評價所選擇的證據(jù)是否能夠支持結論；系統(tǒng)設計完整、有序的實驗方案；定量、系統(tǒng)地交流所獲得的數(shù)據(jù)并闡述數(shù)據(jù)之間的關系；系統(tǒng)地評價所使用的方法；對于復雜情境的方案創(chuàng)造性地提出改進的建議或需要進一步解決的問題；定量、系統(tǒng)地交流所獲的數(shù)據(jù)，并闡述數(shù)據(jù)間關系；準確完整地運用科學符號或術語撰寫探究報告。

(二)各學段的學生科學探究能力表現(xiàn)的發(fā)展情況

根據(jù)學生能力分布，能夠分別找出初中、高一、高二、高三四個學段的學生探究能力表現(xiàn)的發(fā)展水平，如圖3所示。

圖3 各學段的學生科學能力的發(fā)展情況

初中生有41.8%處于水平1，45.4%處于水平2，很少部分處于水平3；高中階段，水平1的學生逐漸減少，水平2的學生有所增多，有21.0%—29.4%的學生進入到水平3，幾乎沒有學生達到水平4?？梢钥闯?，不同學段的學生科學探究能力表現(xiàn)出不同的水平層級，隨著年級的增長，學生在低水平的分布有所下降，在中高水平的分布呈增長趨勢。說明隨著年級增長，科學探究能力的總體水平逐漸升高，但總體來看，大部分學生處于中等偏低水平。

(三)中學生一般探究過程的能力要素表現(xiàn)水平

中學生一般探究過程的能力要素表現(xiàn)水平如圖4所示。

圖4 中學生一般探究過程的能力要素表現(xiàn)水平

從圖中可以看出，在所劃分出的三個水平上，處于低水平即水平1的學生比例較高，最高為收集證據(jù)能力86.6%，最低為提出問題能力為37.3%；處于中等水平的學生比例最高為提出問題能力57.0%，最低為反思與評價能力7.2%，提出問題能力、猜想與假設能力、制定計劃能力、表達與交流能力超過20%；在較高水平即水平3上的學生比例，各要素能力均僅有2.8%—9.9%。以解釋與結論能力表現(xiàn)的水平分布為例，各水平的內涵描述如表2所示。

表2 解釋與結論能力表現(xiàn)的水平描述與分布

上述研究表明，在目前的理科教學背景下，中學生科學探究能力總體為中等偏低水平，主要表現(xiàn)為一般探究過程的能力要素的表現(xiàn)水平較低，同時，大部分學生沒有表現(xiàn)出主動利用學科知識、一般探究程序和方法以及推理思維進行各類型探究任務的解決。

四、研究結論與建議

(一)科學探究能力發(fā)展及表現(xiàn)水平的影響因素

從研究結果可以看出，科學探究能力表現(xiàn)具有不同的水平層級?？傮w來看，處于高水平能力表現(xiàn)的學生非常少，大部分學生處于中等偏低水平，并隨著年級的提升呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。具體來看，一般探究過程的能力要素表現(xiàn)水平偏低，提出問題能力表現(xiàn)水平相對高于其他能力，收集證據(jù)能力和反思與評價能力相對較低。

利用影響科學探究能力發(fā)展及表現(xiàn)水平的變量可以分析上述結果。首先，學生科學探究能力表現(xiàn)水平的不同主要反映在一般探究過程的能力要素表現(xiàn)不同，對程序性的知識和方法的掌握對完成探究任務具有方法論意義。其次，學生科學探究能力表現(xiàn)的差異還表明完成特定學科探究任務時的表現(xiàn)水平不同，實質上是探究思路和探究角度的不同。對探究任務的切入角度，決定了探究的深刻性，探究思路的完整與否，決定了在具備一般探究程序與方法的基礎上，能否順利地將其結合核心知識并應用到特殊的任務解決中。再次，當探究任務是熟悉的情境或者有一定提示時，學生能夠沿著提示調動頭腦中的知識局部地解決問題。但當探究任務的開放度增大，需要學生自覺調用頭腦中的探究角度，并設計完整的探究思路，難度就增大了，這也是科學探究能力的最高水平。

因此，本研究所建構的科學探究能力內涵構成與活動表現(xiàn)的模型有利于對科學探究能力的培養(yǎng)。抓住一般探究過程的能力要素、各類型科學探究任務，以及探究角度與探究思路的關鍵機制，就使科學探究能力的培養(yǎng)有方可循。

(二)促進學生科學探究能力發(fā)展的建議

1.促進學生科學探究能力的理科課程與教材建設

第一，要重視對一般探究過程能力要素的全面培養(yǎng)。首先，在理科課程標準中已經(jīng)明確了科學探究一般過程的8個能力要素，在教科書中對這8個能力要素培養(yǎng)的設計要全面。例如，不能僅側重于制定實驗方案而忽略提出問題和猜想與假設等能力要素的培養(yǎng)；不能僅側重于研究結論的得出而忽視對探究過程的甄別與反思。其次，一般探究過程的二級能力要素的確定，進一步明確了“探究能力具體是什么”。因此，在對課程內容和課程資源進行選擇時，應該選擇適合于培養(yǎng)這些二級能力要素的內容。

第二，理科課程標準與教科書要建構科學探究能力的學習進階。應結合學生實際，在課程標準中合理建構科學探究能力表現(xiàn)的水平進階要求[9]66-72[10]1623-1630，即要設計在不同的學段或階段，學生科學探究能力表現(xiàn)應達到哪些水平。同時，在教科書中要有明確的體現(xiàn)。例如，在對反思評價能力要素的培養(yǎng)方面，第一階段讓學生反思自己的結論是否正確且符合邏輯；第二階段，讓學生反思所使用的方法是否還能有所改進；第三階段，讓學生評價他人的實驗方案并給出進一步修改的建議。這樣，體現(xiàn)了從孤立到系統(tǒng)、從熟悉到陌生、從指導到開放、從局部到完整的學習進階。使得學生在科學探究能力上，能夠分階段地、循序漸進地、符合規(guī)律地逐步發(fā)展。

2.促進學生科學探究能力的理科教學改進

第一，理科教師要將探究教學觀念進一步向行為轉變。需要將知識為本的教學轉化為促進學生科學探究能力發(fā)展為本的教學。教師重視對一般探究過程能力要素的培養(yǎng)，重視將學科知識轉化為學生的實踐能力。

第二，理科教師要設計多樣的開放性探究任務，強化真實情境。學生習慣于純粹知識背景下的問題解決，而科學學習的意義就在于能夠遷移應用到真實的社會、科技、環(huán)境等綜合性問題。真實的背景具有復雜性、陌生性的特點，有助于促進學生自主調用探究角度進行深度思考，并自主建立完整的探究思路。因此，在設計科學探究任務時，應適當設置真實情境，例如科學前沿知識、科學技術知識等，同時增大任務的開放度，增強學生自主性。

第三，要讓探究教學從表象向實質轉化，提高學生的科學探究表現(xiàn)水平?，F(xiàn)行教學中，教師對科學探究能力的培養(yǎng)不足，主要表現(xiàn)在不知如何教，科學探究活動流于形式。要將每一個環(huán)節(jié)的教學與展開落到實處，真正給學生自主思維的空間。同時，教師要培養(yǎng)學生科學探究能力表現(xiàn)的系統(tǒng)性、深刻性、相關性、創(chuàng)造性向更高水平進展。例如，在提出問題環(huán)節(jié)，不僅由學生發(fā)現(xiàn)并提出問題，還要指導他們用科學、具有邏輯性的語言完整清晰地表述問題，對提出的若干問題進行價值判斷和篩選。在猜想與假設環(huán)節(jié)，不僅要提出假設，還要讓學生提供猜想的依據(jù)，增加猜想的科學性與規(guī)范性，猜想可以是語言結論的形式表達，也可以采用物理模型、數(shù)學模型等形式，使定性與定量的判斷相結合，增強了邏輯思維容量。在制定計劃環(huán)節(jié)，從指導到獨立，開放度逐漸增強，不僅要關注方案的局部，更要有問題解決思路與完整的解決方案。對不同的方案要進行評價和篩選，使其充分、完備。在收集證據(jù)環(huán)節(jié)，不僅要指導學生記錄數(shù)據(jù)，更要對比數(shù)據(jù)與信息，用圖表等簡明的方式收集數(shù)據(jù)并尋找規(guī)律，便于做出推論與解釋。要鼓勵和指導學生完成反思評價和表達交流環(huán)節(jié)，將知識和思路在頭腦中重整與建構，并形成穩(wěn)定的問題解決思路與程序。通過這些方式，促使教學中科學探究能力向高品質、高水平發(fā)展。

第四，注重在科學探究過程中培養(yǎng)學生的探究思路。此次測試成績偏低的一個因素是學生對開放性試題缺乏整體探究思路，他們更適應結構良好性試題，已知條件充分且指向性清晰，套用解題模式即可，而對于開放度較大的試題便顯得力不從心。因此，需要重點培養(yǎng)學生的整體探究思路。例如，化學學科的“有機物的組成與結構”這類探究問題，探究思路是：首先，根據(jù)元素定性及定量測定，得出有機物的元素組成(元素原子個數(shù)比)，再用質譜儀測定有機物的相對分子質量，通過計算得出有機物的分子式；其次，計算不飽和度，根據(jù)不飽和度推測結構，根據(jù)化學實驗或光譜分析的方法，得出官能團種類、數(shù)目、位置和碳骨架結構，最終確定結構，具體思路如圖5所示。

圖5“有機物的組成與結構”的探究思路

在教學中，通過指導與自主加工的方式，與一般探究過程緊密結合，將具體的特定的知識思路化、結構化，使得學生建立對于特定探究任務的探究思路，使科學探究能力的表現(xiàn)的過程與內部思維機制有效結合。