學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)及其評測體系的國際比較研究

楊基瑜 徐欣蕾 權(quán)夢婭 柏 毅

（東南大學(xué) 學(xué)習(xí)科學(xué)研究中心，江蘇 南京 210096）

目前國際上普遍認為，科學(xué)素養(yǎng)（Scientific Literacy）是指運用科學(xué)知識，確定問題和作出具有證據(jù)的結(jié)論，以便對自然世界和通過人類活動對自然世界的改變進行理解和作出決定的能力［1］。而對科學(xué)素養(yǎng)的研究，最終還是要落實到科學(xué)素養(yǎng)的評測，所以科學(xué)素養(yǎng)的操作性定義就顯得尤為重要。國際上關(guān)于科學(xué)素養(yǎng)的操作性定義歷來就有多種說法，但普遍將科學(xué)素養(yǎng)分為三個維度。其中，影響較大、較為科學(xué)的有：“米勒”界定（科學(xué)素養(yǎng)的三個維度即科學(xué)知識、科學(xué)方法、科學(xué)意識），PISA組織的定義（科學(xué)方法和技能、科學(xué)概念和內(nèi)容、科學(xué)語境），我國國務(wù)院頒布的《全民科學(xué)素質(zhì)行動計劃綱要》（科學(xué)知識、科學(xué)能力、科學(xué)意識）。［2］而國際上有關(guān)科學(xué)素養(yǎng)評測的組織主要有：The National Assessment of Educational Progress（NAEP），The Programme International Student Assessment（PISA），The Trends in International Mathematics and Science Study（TIMSS）和National Assessment Programme（NAP），等等。

我們對學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)及其評測體系進行國際比較研究的主要目的是對學(xué)生個人的創(chuàng)新意識培養(yǎng)及國家建立合理的科學(xué)素養(yǎng)評測體系提出合理建議。本文旨在對科學(xué)素養(yǎng)的維度及以上提及的四大評測組織的評測進行比較研究，按邏輯順序組織材料，所引文獻屬于教育學(xué)范疇，起于1966年，止于2013年，對適于我國的科學(xué)素養(yǎng)測評體系提出建議。

一、學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的研究意義與科學(xué)素養(yǎng)維度的研究背景

（一）科學(xué)素養(yǎng)的研究意義

國際科學(xué)教育界普遍認為，在義務(wù)教育階段，科學(xué)素養(yǎng)教育應(yīng)該是學(xué)校理科教育的首要目標。深入研究學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的操作性定義，有助于科學(xué)素質(zhì)教育的落實。不僅如此，從長遠角度看，我們生活在高科技時代，與科技密不可分，如果不具備一定的科學(xué)素養(yǎng)，輕者降低其社會生存能力，重者甚至無法立足于社會。而對于一個國家，這種危害性影響甚至還會放大，影響社會發(fā)展。所以，學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的研究有著極其重要的意義，有了學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的評測體系，我們不僅可以提高學(xué)生的創(chuàng)新意識，還可以對教學(xué)改革提出建議，探索更適合科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)的教育方式。

（二）科學(xué)素養(yǎng)維度的研究背景

科學(xué)素養(yǎng)的維度即科學(xué)素養(yǎng)的操作性定義有多種。1966年，Pella和他的合作者系統(tǒng)地挑選了出版時間為1946年到1964年之間的100種報刊文章，從中檢索各種與科學(xué)素養(yǎng)有關(guān)主題的出現(xiàn)頻率。經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，一個具有科學(xué)素養(yǎng)的人應(yīng)了解以下這些方面的內(nèi)容:（1）科學(xué)和社會的相互關(guān)系；（2）知道科學(xué)家工作的倫理原則；（3）科學(xué)的本質(zhì)，等等。

而Showalter在1974年總結(jié)了50年代末至70年代初有關(guān)科學(xué)素養(yǎng)的文獻后，認為具有科學(xué)素養(yǎng)的人必須達到以下七個條件（seven dimensions）:（1）明白科學(xué)知識的本質(zhì)；（2）在和環(huán)境交流時，能準確運用合適的科學(xué)概念、原理、定律和理論；（3）采用科學(xué)的方法解決問題，做出決策，增進其對世界的了解；（4）和世界打交道的方式和科學(xué)原則是一致的；（5）明白并接受科學(xué)、技術(shù)和社會之間的相關(guān)性；（6）對世界有更豐富、生動和正面的看法；（7）具有許多和科學(xué)技術(shù)密切相關(guān)的實用技能。二人都認為科學(xué)素養(yǎng)是多維度概念。［3-4］

最早對科學(xué)素養(yǎng)做出定義并進行度量的是美國，素養(yǎng)促進中心主任喬恩·米勒博士（Dr.Jon Miller）提出了“米勒”界定［5］，即認為科學(xué)素養(yǎng)具有三個維度：科學(xué)知識、科學(xué)方法、科學(xué)意識。

而目前國內(nèi)外對學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)維度的研究，大體見下表［2］［6］。

組織或研究者 科學(xué)素養(yǎng)的維度J．D．米勒 科學(xué)知識、科學(xué)方法、科學(xué)意識OECD／PISA 科學(xué)方法和技能、科學(xué)概念和內(nèi)容、科學(xué)語境J．杜蘭特 理解基本科學(xué)觀點、理解科學(xué)方法、理解科學(xué)研究機構(gòu)的功能《全民科學(xué)素質(zhì)行動計劃綱要》 科學(xué)知識、科學(xué)能力、科學(xué)意識

其中，OECD/PISA（the Organization for Economic Cooperation and Development/the Program for International Student Assessment，OECD/PISA）為世界經(jīng)濟合作與發(fā)展組織開發(fā)的國際學(xué)生測評項目；J.杜蘭特為歐盟國家科學(xué)素養(yǎng)調(diào)查的領(lǐng)導(dǎo)人；《全民科學(xué)素質(zhì)行動計劃綱要（2006-2010-2020）》［7］由我國國務(wù)院根據(jù)黨的十六大及十六屆三中、四中、五中全會精神，依照《中華人民共和國科學(xué)技術(shù)普及法》和《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》，制定并實施。

二、科學(xué)素養(yǎng)評測的發(fā)展脈絡(luò)

（一）全國教育進展評估NAEP對科學(xué)素養(yǎng)的評測

NAEP是由美國全國教育進展評議中心組織的全國教育進展評估，1996年起定期實施，測評全美中小學(xué)生在多個科學(xué)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)表現(xiàn)及發(fā)展趨勢。研究對象不僅為科學(xué)素養(yǎng)，還有閱讀素養(yǎng)、數(shù)學(xué)素養(yǎng)等。NEAP的評測形式包括：主評估（Main NAEP）、長期趨勢評估（Long-term Trend NAEP）和專項研究（Special Studies），這三種評估分別在不同時間，使用不同的評估和數(shù)據(jù)收集方式，對不同的學(xué)生樣本進行評估，其中主評估使用頻率最高。［8］NAEP主評估（以下簡稱NAEP）以四年級、八年級和十二年級的學(xué)生為測評對象，主要評估學(xué)校課程和國家課程共同包括的知識和技能，即特定的內(nèi)容主題和廣泛的思考技能［9］。

而關(guān)于科學(xué)素養(yǎng)，美國于1990年開始在全國范圍內(nèi)進行NEAP科學(xué)素養(yǎng)的評估。此后，1996、2000、2005、2009年NAEP都曾經(jīng)測評過科學(xué)素養(yǎng) （此處不包括NAEP長期趨勢評估測評的科學(xué)素養(yǎng)）。

NAEP2009科學(xué)評估框架相對于1996～2005年框架來說，在保持歷史連貫性的同時也作了一些調(diào)整，以適應(yīng)時代的變化。首先，在科學(xué)知識維度上，具體內(nèi)容都是物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)和地球空間科學(xué)這三個領(lǐng)域，只是維度方面不同；新框架對綜合性主題的評價側(cè)重于具體學(xué)科內(nèi)容的交叉；1996～2005年框架提出“至少要有15%的評價內(nèi)容圍繞科技發(fā)展史以及對科技發(fā)展有重大影響的科學(xué)本質(zhì)的重視”。2009框架將科學(xué)本質(zhì)歸類到科學(xué)能力的維度進行評價。第二，在科學(xué)能力維度的評價上，2009框架評價四類科學(xué)能力：識別科學(xué)原理、運用科學(xué)原理、運用科學(xué)探究、運用技術(shù)設(shè)計。而1996～2005年框架評價定義的概念理解、科學(xué)研究、實踐推理三類科學(xué)能力，更模糊不明確。2009框架結(jié)合學(xué)生的認知需求評價其能力，而1996～2005年框架對科學(xué)能力的考查大部分是基于學(xué)生經(jīng)驗的。第三，2009框架增加了兩類評價項目——組合題和計算機交互式任務(wù)，更貼近學(xué)生的現(xiàn)實生活。

在美國2014年NAEP技術(shù)與工程素養(yǎng)框架的預(yù)出版稿中，這種歷史變化更為顯著［10］。技術(shù)與工程素養(yǎng)是科學(xué)素養(yǎng)的重要方面，它有三個評價要素——實踐、情境、評估區(qū)域。當(dāng)對評估任務(wù)和項目做出響應(yīng)時，學(xué)生應(yīng)表現(xiàn)出一般類型的思維和推理，實踐環(huán)節(jié)正是通過清晰明確地表達出這些思維和推理，從而有助于該框架評估目標的實現(xiàn)；為確保學(xué)生有機會在基于問題的情境下展示出他們所知道的和能做的事情，該框架將技術(shù)和工程素養(yǎng)評估的任務(wù)和項目放在一系列情境中。本框架的重要特點就是強調(diào)實踐與情境、貼近生活、深入評價。

（二）國際數(shù)學(xué)和科學(xué)評測趨勢——TIMSS

國際教育成就評價協(xié)會IEA（International Association for the Evaluation of Educational Achievement）主持的TIMSS，原為第三次國際數(shù)學(xué)和科學(xué)評測的縮寫，TIMSS于1995年開始實施。為了更好地延續(xù)這項有意義的研究活動，2003年TIMSS正式成為國際數(shù)學(xué)和科學(xué)測評趨勢的縮寫。TIMSS每四年開展一次調(diào)查，目的是比較不同國家的學(xué)生在數(shù)學(xué)和科學(xué)學(xué)科方面的學(xué)業(yè)成就。最近的一次評估是在2011年開展的，參與的國家有60多個，評估的對象是四年級和八年級的學(xué)生。［11］［12］

如何把科學(xué)素養(yǎng)這個理念性的含義落實到科學(xué)素養(yǎng)水平的測試中是一個亟待解決的問題。TIMSS研究人員最初認為科學(xué)素養(yǎng)測試要集中于兩個方面:首先是科學(xué)概念和技能，其次是關(guān)于科學(xué)的信念和態(tài)度，因而科學(xué)素養(yǎng)的定義應(yīng)為“科學(xué)內(nèi)容及相應(yīng)的社會影響、推理過程、社會/歷史發(fā)展和態(tài)度”。這個定義對科學(xué)的社會意義等重視不夠，于是，在各方面的建議下，認為科學(xué)素養(yǎng)應(yīng)該包括：科學(xué)內(nèi)容；數(shù)學(xué)、科學(xué)和技術(shù)中的推理；數(shù)學(xué)、科學(xué)和技術(shù)對社會的影響。

TIMSS2011科學(xué)評估框架主要由內(nèi)容維度和認知維度兩部分構(gòu)成。四年級和八年級的內(nèi)容領(lǐng)域有所差異，反映了每個年級科學(xué)教育的重點和難點。四年級更重視生命科學(xué)；八年級更強調(diào)物理和化學(xué)。兩個年級認知維度的框架則相同。［13］

（三）PISA——OECD組織的國際學(xué)生評價項目

國際經(jīng)濟合作與發(fā)展組織OECD主持的國際學(xué)生評價項目PISA于2000年開始，針對32個國家的15歲學(xué)生實施教育評價。PISA是一項多維度、實質(zhì)性的國際教育調(diào)查研究，每三年一次。它的重要特征是“政策導(dǎo)向”性，服務(wù)于教育政策調(diào)整和教育改革［14］。PISA在閱讀素養(yǎng)、數(shù)學(xué)素養(yǎng)和科學(xué)素養(yǎng)領(lǐng)域內(nèi)有各自的評估，每輪PISA評估都在這三個領(lǐng)域中選擇一個，并確定為主要領(lǐng)域，用大部分時間評估主要領(lǐng)域。2006年科學(xué)素養(yǎng)是主要領(lǐng)域。

1997年，經(jīng)合組織設(shè)立“國際學(xué)生評估項目”（PISA），由其教育司教育統(tǒng)計處負責(zé)主持，各成員國教育部派代表組成了“PISA項目理事會”，由此正式啟動PISA測試，并隨即進入前期研究、設(shè)計和命題階段。經(jīng)過三年的準備，經(jīng)合組織于2000年正式舉行了第一次PISA測試，參加第一次測試的是來自32個國家共25萬名15歲學(xué)生。直到2009年，PISA參與國多達60個，還有其他5個教育組織參與。［15］

而關(guān)于科學(xué)素養(yǎng)，PISA2000和PISA2003中科學(xué)素養(yǎng)還處于次要領(lǐng)域地位。當(dāng)時對科學(xué)素養(yǎng)的界定為：“科學(xué)素養(yǎng)是運用科學(xué)知識來界定問題，得出基于證據(jù)的結(jié)論的能力，以便理解并幫助作出關(guān)于自然界的決定，并且通過人類的活動作出調(diào)整”［16］。PISA2006中科學(xué)素養(yǎng)是指個體能夠：“掌握的科學(xué)知識，應(yīng)用科學(xué)的知識來確定問題，獲得新知識，解釋科學(xué)現(xiàn)象，得出科學(xué)相關(guān)問題的有根據(jù)的結(jié)論；理解作為人類獲取知識和探究方式的科學(xué)的特征，關(guān)注科技塑造我們的物質(zhì)、精神和文化生活的方式；認識科學(xué)技術(shù)如何塑造我們的物質(zhì)、智力和文化環(huán)境；愿意從事科學(xué)相關(guān)事務(wù)，有科學(xué)觀念，成為會思考的公民”。PISA對科學(xué)素養(yǎng)的界定范圍越來越廣了。［17］

關(guān)于科學(xué)素養(yǎng)的評測，以PISA2006為例進行介紹。不同于傳統(tǒng)的學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)評測，PISA不限于測量學(xué)生對具體的科學(xué)內(nèi)容的掌握程度。它側(cè)重于衡量學(xué)生認識科學(xué)問題，科學(xué)地解釋現(xiàn)象與使用科學(xué)證據(jù)在科學(xué)技術(shù)方面解決問題和做出決定的能力。PISA以考察三種能力為特點：識別科學(xué)問題，解釋科學(xué)現(xiàn)象，使用科學(xué)證據(jù)。其評估框架如下圖所示。［18］

（四）2008年啟動的澳大利亞國家評估項目NAP

澳大利亞國家評估項目NAP（National Assessment Program）包括中小學(xué)信息素養(yǎng)評估、澳大利亞參與的PISA與TIMSS1等組成部分。信息素養(yǎng)Literacy with Information and Communication Technology（ICT Literacy）與科學(xué)素養(yǎng)密不可分，學(xué)校已在他們的教育計劃中使用信息和通信技術(shù)，幫助學(xué)生有效地學(xué)習(xí)。根據(jù)教育考試服務(wù)中心在2002年的報告，信息素養(yǎng)是指“使用數(shù)字技術(shù)、通信工具或網(wǎng)絡(luò)來訪問，管理，整合，評估和創(chuàng)造為了在知識型社會中發(fā)揮作用的信息”。［19］“中小學(xué)信息素養(yǎng)評估是該項目的一個組成部分，開始于2005年，隨后在2008年、2011年每隔三年進行一次評估。澳大利亞信息素養(yǎng)評估與傳統(tǒng)測試方式的最大區(qū)別在于，要求學(xué)生‘在真實的情境下完成真實的任務(wù)’，這被認為是澳大利亞信息素養(yǎng)評估設(shè)計的基礎(chǔ)，其評估系統(tǒng)正是基于這樣的理念進行設(shè)計的。強調(diào)在虛擬的真實情境中去完成日常生活中校內(nèi)校外會發(fā)生的任務(wù)，在考查學(xué)生信息知識技能的同時，也考察了學(xué)生的信息意識、信息思維，同時還涉及與人交流、社會責(zé)任等問題，這無疑是信息素養(yǎng)評估的新的有力嘗試”。

（五）四大組織科學(xué)素養(yǎng)評測的比較

第一，在評價目的方面，TIMSS和NAEP比較接近。PISA是在教育框架之外對教育成效的評價。而TIMSS和NAEP是對課程實施成效的評價。TIMSS更關(guān)注學(xué)校教育，了解學(xué)生對科學(xué)課程方面的掌握情況，PISA則更關(guān)注學(xué)生的實際能力，了解學(xué)生科學(xué)決策能力情況［13］。NAP評估要求模擬學(xué)生在“真實世界中”使用信息通信技術(shù)，展示信息素養(yǎng)水平，即關(guān)注實際能力。

第二，在評價設(shè)計的哲學(xué)基礎(chǔ)方面，TIMSS與NAEP有些類似。TIMSS是檢驗習(xí)得課程與目標課程之間的關(guān)系，而NAEP是以課程標準為主要依據(jù)設(shè)計題目。PISA則是以終身學(xué)習(xí)模型為基準設(shè)計題目考查學(xué)生為適應(yīng)不斷變化的社會所應(yīng)具備的能力。NAP是以真實生活情境為基礎(chǔ)的。

第三，在對內(nèi)容領(lǐng)域和認知能力的考查方面，四者的表述和界定差異較大。TIMSS2007的科學(xué)測試中包括四個內(nèi)容領(lǐng)域：生物、化學(xué)、物理、地理?？疾榈恼J知能力包括三個層次：了解、應(yīng)用、推理。其中對應(yīng)用能力和推理能力考查的比重較大?！癙ISA2006和NAEP2000&2005中都包括三個內(nèi)容領(lǐng)域：物質(zhì)科學(xué)、生命系統(tǒng)、地球和空間系統(tǒng)，其中PISA2006考查的科學(xué)能力包括三個方面：確立科學(xué)問題、解釋科學(xué)現(xiàn)象和運用科學(xué)證據(jù)。NAEP2000考查的三種過程技能包括：概念理解、科學(xué)研究、實際推理”。再比如，TIMSS2011與PISA2009科學(xué)評估框架雖然對科學(xué)知識具體的定義略有差異，但都很重視科學(xué)知識及其應(yīng)用，都強調(diào)科學(xué)探究能力的評估。TIMSS2011科學(xué)評估框架與課程結(jié)合緊密，更具層次性，更加具體細致，每一階段的評估結(jié)構(gòu)相對獨立和完整。而PISA2009科學(xué)評估框架與實際生活相結(jié)合，更強調(diào)不同生活情境中解決問題的能力，它的評估的領(lǐng)域關(guān)聯(lián)性更強［13］。而在最新的2014NAEP技術(shù)與工程素養(yǎng)框架中，其領(lǐng)域包括：技術(shù)與社會、設(shè)計與系統(tǒng)、信息與通信技術(shù)。很明顯，NAEP也包括了信息與通信技術(shù)，這與NAP中的信息素養(yǎng)有異曲同工之處。［20］［21］

三、目前科學(xué)素養(yǎng)評測的研究水平及其存在的問題

目前國內(nèi)研究PISA與NAEP的研究者相對比較多。隨著PISA、TIMSS、NAEP與NAP的展開，研究者們越來越趨向把幾個國際學(xué)生評價項目聯(lián)系起來，比較評價。

至于目前科學(xué)素養(yǎng)評測所存在的問題就是，大部分測試還停留在紙筆化的階段，沒有充分利用計算機，因此大范圍的測試不方便普及開來。此外，沒有充分利用計算機進行人機交互式交流測評，也沒創(chuàng)設(shè)十分貼近生活的真實情境。雖然NAP信息素養(yǎng)的評估進行了這種嘗試，NAEP2009使用了計算機交互式任務(wù)，PISA2006也強調(diào)了情境的重要性，但是這些嘗試并沒有普及開來，或者說，沒有很好地將這些新特征融為一體的測評體系。我們認為，這種新型的嘗試將會是今后科學(xué)素養(yǎng)評估方式的發(fā)展方向。

四、對我國科學(xué)素養(yǎng)及其評測的一些建議

雖然NAEP、NAP、TIMSS、PISA都有評估科學(xué)素養(yǎng)，它們制定的框架卻不盡相同。這是因為NAEP針對的只是美國特定年級的學(xué)生，NAP針對澳大利亞的公民，TIMSS、PISA都是基于國際組織，適用對象不同，對象們的年齡、學(xué)業(yè)水平、使用教材都不一樣，所以它們的框架、試題都不盡相同。因此，我們國家測評科學(xué)素養(yǎng)要根據(jù)國情，先明確測評目標和框架，在深入研究學(xué)生教材的基礎(chǔ)上設(shè)計相應(yīng)試題。受國際上素養(yǎng)調(diào)查熱潮的影響，1990年，中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會開始策劃全國性的科學(xué)素養(yǎng)調(diào)查。而這些調(diào)查都采用國際通用的科學(xué)素養(yǎng)評測標準。［22］

關(guān)于測評方法和工具，也應(yīng)根據(jù)具體情況確定。國際項目都充分利用分層抽樣等測試工具，利用相似的心理測量學(xué)方法處理數(shù)據(jù)［18］。不僅如此，國際項目還通過循環(huán)測試和錨題設(shè)計，對學(xué)生學(xué)業(yè)成就進行縱向的趨勢研究，比如PISA每三年展開一次測評等。

收集數(shù)據(jù)固然重要，合理解釋也不容忽視。不僅要運用統(tǒng)計學(xué)知識，還要聯(lián)系測評對象的生活實際來解釋，從而對我國部分學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)做出評價。

［1］OECD Publishing.Measuring Student Knowledge and Skills:The PISA 2000 Assessment of Reading，Mathematical and Scientific Literacy.2000.

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