袁 倩 李佳妮 楊曉梅

(寧夏大學物理與電子電氣工程學院 寧夏 銀川 750021)

1 引言

《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》[1]指出，要充分體現(xiàn)物理學科對提高學生核心素養(yǎng)的獨特作用，為學生終身發(fā)展、應對現(xiàn)代和未來社會發(fā)展的挑戰(zhàn)打下基礎，因此提出了包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態(tài)度與責任”4個方面的物理核心素養(yǎng).科學推理能力作為科學思維的二級指標，與科學探究緊密關聯(lián)，是我國核心素養(yǎng)教育追求的重要內(nèi)容.

科學推理能力最早是由兒童心理學家皮亞杰在其認知發(fā)展理論中提出的，他認為“科學推理”分為假設-演繹推理和若干子推理模式.文獻[2]確立了中學生和大學生的科學推理包括6個維度，分別是守恒推理、比例推理、控制變量推理、相關推理、概率推理、假設演繹推理.文獻[3]認為科學推理一般包括系統(tǒng)地探索問題、提出和檢驗假設、操縱和分離變量以及觀察和評估結果的能力.

本文旨在研究大一學生科學推理能力，分析學生高中階段科學推理能力的培養(yǎng)結果，針對當前理工科學生科學推理能力培養(yǎng)現(xiàn)狀中的問題與不足，給中學物理教師修正教學策略提供參考，幫助一線教師完善教學模式，同時勉勵大一學生在大學學習中重視科學推理能力的提升.

2 測量分析

2.1 測量工具

美國學者Lawson在CTFR-78測量工具的基礎上進行修訂與完善，制定了LCTSR問卷，并于 2000年正式推行科學推理課堂測試卷，簡稱 LCTSR 2000，該套試卷共計24道選擇題，分別從質(zhì)量與體積守恒推理、比例推理、控制變量推理、概率推理、相關推理和假設演繹推理6個方面測量學生的科學推理能力，測量的各個能力維度題目分布如表1所示.

表1 LCTSR 2000 測試卷能力維度表

LCTSR 2000中文版的24道選擇題分為12個科學情境，每組情境中的兩個問題分別設置為推理結果和推理結果的原因，因此本套試卷有兩種評分方法：獨立評分和成對評分.本研究采用獨立評分法.

對于每一個問題，當被試回答正確得分為1分，回答錯誤得分為0分.整張試卷的分數(shù)是該試卷中每個題目表現(xiàn)的總和，滿分為24分.

2.2 研究樣本

理工科大學一年級學生剛剛經(jīng)歷了高中思維訓練，能運用假設和推理去解決脫離具體和當前事物的觀察所提出的有關命題[4].因此，對于理工科大一學生進行科學推理水平測試，能夠很好地反映中學物理教學優(yōu)勢與不足.該測試為紙筆測試，選取寧夏大學物理與電子電氣工程學院全體大一學生共300人為研究對象，回收有效數(shù)據(jù)263份，被試者信息如表2所示.收集數(shù)據(jù)并整理，運用SPSS23軟件進行統(tǒng)計，對學生的科學推理能力水平展開分析.

表2 被試者有效信息分布

3 研究結果分析

3.1 測試卷可行性分析

3.1.1 內(nèi)在一致性信度分析

3.1.2 結構效度分析

運用SPSS做效度分析最理想的方法是進行因子模型適應性分析，測量整個問卷的結構效度，只有當KMO檢驗系數(shù)大于0.5，Bartlett球形度檢驗P值小于0.05時，問卷才有結構效度.本次科學推理測試結果的因子分析如表3所示，學生科學推理能力的KMO值為0.652，且顯著性水平值為0.000，顯著性水平通過了Bartlett球形度檢驗，說明本次科學推理能力測試具有良好的效度，適合進一步分析.

表3 學生科學推理能力KMO和Bartlett的檢驗

3.1.3 測試卷的難度

以全體被試得分率為難度系數(shù)的方法來計算試題的難度，如果一個題目的難度越大，被試得分的可能性越小，難度系數(shù)就越小.計算所有試題難度系數(shù)并將難度系數(shù)表繪制成難度系數(shù)柱狀圖，如圖1所示.

圖1 科學推理試題難度系數(shù)圖

測試題難度指數(shù)分布在0.35至0.65之間為宜，所有試題的難度系數(shù)的平均值最好在0.5左右，這樣既可以保證測驗對被試有較大的鑒別力，又可以使測試的難度適中[5].由科學推理試題難度系數(shù)表和難度系數(shù)圖，以0.35和0.65為界，簡單、適中和較難試題的比例為5∶11∶8，經(jīng)計算，所有科學推理測試題的難度系數(shù)平均值為0.56，表明該測試卷對于被試難度適中.

3.1.4 測試卷的區(qū)分度

采用“高低分組法”計算區(qū)分指數(shù)，計算結果如表4所示.

表4 科學推理試題的區(qū)分度

根據(jù)題目區(qū)分度評價標準[6]，具體如表5所示，無必修淘汰或修改的題目，題目優(yōu)良、合格和尚可的比例為15∶7∶2，表明本試題對選取樣本團體區(qū)分度良好，適用于測量學生科學推理能力.

表5 題目區(qū)分度評價標準

3.2 科學推理能力得分情況分析

3.2.1 科學推理能力表現(xiàn)

對被試得分進行正態(tài)分布擬合，如圖2所示.

圖2 科學推理測試學生得分頻數(shù)分布直方圖

從圖中可以讀出，本次測試成績分布符合正態(tài)分布，最高分與最低分之間相差23分，個體之間科學推理能力差距較大，個體發(fā)展不平衡.總體上看，學生得分呈現(xiàn)中間多兩邊少的趨勢，得分集中分布在8～18分，測試成績?yōu)?4分的學生最多，大部分學生的科學推理能力還有待提升.

3.2.2 各維度得分情況

由于各維度的分值不同，各維度進行比較之前，需要進行歸一化處理，即對每個維度的得分都取平均值，將每個維度能力得分的平均值除以該維度題目的總分.對各維度的均值和標準差進行計算以分析被試在科學推理能力各個維度上的表現(xiàn)情況，計算結果如表6所示.

表6 學生科學推理能力各維度的均值和標準差

被試6個維度的標準差都較大，說明在各維度被試之間都存在較大差異.為了直觀地展示學生各維度的發(fā)展，對歸一化結果用雷達圖表示，如圖3所示.

圖3 被試各維度科學推理能力雷達圖

被試的科學推理能力在各個維度上發(fā)展并不均衡，不同維度科學推理能力之間的跨度較大，質(zhì)量和體積守恒答對的人數(shù)最多，控制變量推理答對得人數(shù)最少.對比文獻[7]中美大學生科學推理能力的結論(圖4)可以發(fā)現(xiàn)，理工科大學生更擅長守恒推理，控制變量推理較弱.

圖4 中美大學生分維度科學推理能力對比

選取得分低于平均分的學生，進行歸一化處理并繪制雷達圖，和全體學生各維度歸一化處理的結果進行比較，如圖5所示.低分段學生在控制變量推理和概率推理能力上處于較低水平，和平均水平相比，概率推理和假設演繹推理水平還有較大的差距.

圖5 低分段學生和全體學生各維度科學推理能力對比

3.2.3 科學推理能力與各因素之間的相關分析

(1)科學推理能力總分及各維度得分的性別差異

對男生和女生的科學推理成績進行獨立樣本T檢驗，結果如表7所示.

表7 獨立樣本T檢驗

從表7可以看出，男生、女生科學推理能力顯著性(雙尾)值為0.912>0.05，可見科學推理能力和性別這一因素無關.

進一步對男女在科學推理能力各個子維度的表現(xiàn)作雷達圖進行對比，如圖6所示.

圖6 男女科學推理各維度能力雷達圖

綜上，雖然男女科學推理能力總體上沒有太大的差異，但是通過雷達圖可以直觀地看出，在相關推理能力上，女生明顯優(yōu)于男生，在假設演繹推理能力上，男生更占優(yōu)勢.

文獻[8]在探討中美大學生科學推理能力的性別差異中發(fā)現(xiàn)，中美大學生的科學推理能力都存在性別差異，并且男生的科學推理能力要高于女生.不同的是本研究未發(fā)現(xiàn)不同性別被試在科學推理能力上有顯著性差異，對于科學推理能力的不同維度，相對而言女生更擅長相關推理，男生更擅長假設演繹推理.這種不同可能與樣本的選取有關，具體還有待進一步研究.

(2)科學推理能力總分及各維度得分的民族差異

將來自不同民族的學生分為漢族和少數(shù)民族，對民族是否是影響科學探究能力的因素進行研究，結果如表8所示.

表8 不同民族獨立樣本T檢驗

根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，萊文方差等同性檢驗顯著性為0.684，大于0.05，接受等方差假設，平均值等同性t檢驗顯著性(雙尾)值為0.065>0.05，說明漢族和少數(shù)民族科學被試者推理能力總分的平均值不存在顯著性差異.

作不同民族被試各能力維度雷達圖，并對不同民族在各個維度的得分進行顯著性檢驗，得到圖7和表9.可知漢族和少數(shù)民族只在比例推理能力上存在較為顯著性的差異，并且漢族被試的比例推理能力要高于少數(shù)民族的比例推理能力.

圖7 不同民族被試各能力維度雷達圖

表9 不同民族被試各維度的顯著性

(3)科學推理測試總分與課程成績之間的相關性

選取高考學生總分、理綜、數(shù)學、語文成績對被試的科學推理測試總分進行了相關性分析，結果如表10所示，表中*表示在 0.05 級別(雙尾)相關性顯著，**表示在0.01級別(雙尾)相關性顯著.

表10 科學推理測試得分與課程成績的相關性

通過表格可知，被試課程成績和科學推理測試總分存在著低程度的正相關，說明科學推理成績對學生課程學習有一定的影響，同時課程成績高的學生會具有相對成熟的科學推理能力.

4 結論與建議

對LCTSR 2000中文版測試卷的測量學指標檢查結果表明，該測試卷具有良好的整體信度、效度、難度和區(qū)分度，可用于測量學生的科學推理能力，通過分析，得到以下有益結論.這幾點結論對提升學生的科學推理能力大有幫助.

4.1 理工科學生不同維度科學推理能力發(fā)展不均衡

就學生科學推理各維度的能力來看，質(zhì)量與體積守恒推理水平發(fā)展最高，這與當前中學物理教學重視將結果性的知識(如概念、規(guī)律等)直接傳授給學生的教學模式緊密關聯(lián)[9]，出乎意料的是，在控制變量推理方面，理工科學生表現(xiàn)得不盡人意，學生從初中開始，就已經(jīng)開始接觸控制變量法，在高中物理學習中，控制變量法更是滲透在大部分物理實驗中，但是一些教師為了節(jié)省時間，實驗步驟、現(xiàn)象等直接通過課件展示，讓學生背實驗步驟、現(xiàn)象等，隨后與理論知識一樣通過相關習題反復練習得以鞏固[10]，非常不利于各維度科學推理能力的培養(yǎng).因此在物理實驗教學中，教師應引導學生關注實驗方案和實驗結論的形成過程.

尤其本次測試顯示低分段學生的科學推理能力，在概率推理和假設演繹推理能力上與各維度平均能力相比差距較大，因此在高中物理教學中，教師應帶領學生關注物理原理或定律得出的過程與方法，引導學生自主依靠理論推導出一些具體的結論，打破思維定式，最終讓學生能夠輕松自如地運用概率推理和假設演繹推理來解決遇到的常識性問題和復雜類問題.

4.2 寧夏地區(qū)比例推理能力的教學有待提升

不同民族被試的科學推理能力不存在顯著性差異，但是在比例推理維度，漢族的學生明顯優(yōu)于少數(shù)民族.寧夏大學少數(shù)民族的學生大多來自寧夏地區(qū)，因此對于寧夏地區(qū)的物理教學，要重視驗證性、探究性實驗的教學，幫助學生理解概念與概念、規(guī)律與規(guī)律之間的具體關聯(lián)[11].教師理應將教學中心轉移到過程、方法和思維的訓練上，培養(yǎng)學生的科學推理能力，提高學生的科學推理能力.

4.3 在物理教學中落實核心素養(yǎng) 提升科學推理能力

能力與知識是相互促進、共同發(fā)展的，知識的獲得與記憶需要科學推理能力的支撐.但是文獻[12]在跨文化比較內(nèi)容知識的學習與科學推理能力的培養(yǎng)中表明中學物理內(nèi)容知識對我國學生的科學推理能力并沒有產(chǎn)生顯著的影響，本研究也表明學生的科學推理能力與課程成績存在低程度的相關性，由此看出，我國依然存在重視高分迎合高考的現(xiàn)象.隨著物理核心素養(yǎng)的推進，怎樣在物理教學中落實核心素養(yǎng)，在解決問題中提高探究能力、增強實踐意識成為教師應首先思考的問題.

科學推理能力是科學思維的重要組成部分，在科學探究的每個步驟中都有體現(xiàn)，利用探究式教學可以很好地培養(yǎng)學生的科學推理能力，在物理課堂教學中堅持學生的主體地位，以促進學生物理核心素養(yǎng)的發(fā)展為重心開展教學活動，一步步引導學生養(yǎng)成透過現(xiàn)象看本質(zhì)的意識，達到提升學生科學推理能力的目標.

4.4 大學學習主動提升科學推理能力

文獻[13]表明，在大學學習中，科學推理能力弱的學生學習到的內(nèi)容更少，缺乏科學推理能力的學生對觀察到現(xiàn)象的成因難以理解，因此學生在進入大學之后也應重視科學推理能力的提升，敢于嘗試新事物，積極主動思考，更好地適應學習型社會.