科學(xué)推理能力在物理問題表征過程中的作用

陳敏麗 熊建文 肖 洋

（華南師范大學(xué) 廣東 廣州 510006）

1 引言

我國(guó)2006年版的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》和2011年修訂的《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》，在“課程目標(biāo)”、“內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)”和“實(shí)施建議”中明確提出了要以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力為宗旨，以“提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)”為核心目標(biāo)，科學(xué)探究對(duì)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展具有不可替代的作用.科學(xué)探究是指?jìng)€(gè)體通過自主地調(diào)查和研究來認(rèn)識(shí)和解釋自然的過程［1］.國(guó)內(nèi)外科學(xué)教育研究者普遍認(rèn)為科學(xué)探究沒有固定的形式，但是卻有一些可辨別的要素：提出問題、猜想與假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與收集數(shù)據(jù)、分析與驗(yàn)證、得出結(jié)論、反思評(píng)價(jià)、拓展遷移加參考文獻(xiàn)，而科學(xué)推理能力則是整個(gè)過程中最核心的部分.

自20世紀(jì)60年代以來，皮亞杰基于認(rèn)知發(fā)展理論提出的科學(xué)推理（Scientific Reasoning）就引起了國(guó)內(nèi)外科學(xué)教育研究者的關(guān)注，并被認(rèn)為是學(xué)生科學(xué)探究能力的重要組成部分.研究者們認(rèn)為：科學(xué)推理（Scientific Reasoning）是個(gè)體思維能力發(fā)展到一定高度之后具有的推理類型；在個(gè)體進(jìn)行科學(xué)推理時(shí)一般采用的推理類型是歸納推理和演繹推理；個(gè)體應(yīng)用科學(xué)推理進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)或問題解決.同時(shí)科學(xué)推理能力的測(cè)試可以從7個(gè)維度進(jìn)行：守恒推理能力、比例推理能力、控制變量推理能力、概率思維能力、相關(guān)性思維能力以及假設(shè)演繹推理能力.Lawson等 人 研 究 開 發(fā) 出 的 《Lawson′s Classroom Test of Scientific Reasoning》［2］即 LCTSR 測(cè)試量表已被廣泛用于對(duì)科學(xué)推理能力的調(diào)查研究當(dāng)中［3］.

基于以上分析，我們發(fā)現(xiàn)，研究者們普遍認(rèn)為“個(gè)體應(yīng)用科學(xué)推理進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)或問題解決”，即科學(xué)推理與問題解決有著一定的聯(lián)系.但文獻(xiàn)［4］的研究卻表明學(xué)生的物理知識(shí)與科學(xué)推理能力的相關(guān)性不大，文獻(xiàn)［5］的研究也發(fā)現(xiàn)科學(xué)推理能力與物理問題解決能力不相關(guān).但他們的研究中對(duì)學(xué)生物理問題解決能力評(píng)價(jià)均以最終的總成績(jī)來衡量，缺乏對(duì)物理問題解決過程的動(dòng)態(tài)關(guān)注，也缺乏對(duì)科學(xué)推理的各個(gè)維度與物理問題解決過程的深入分析.

問題解決是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，文獻(xiàn)［6］認(rèn)為問題表征（Problem Representation）是問題解決的一個(gè)中心環(huán)節(jié)，問題表征的正確與否，很大程度上影響了問題解決的結(jié)果.也就是說，問題能否順利解決，問題表征起著關(guān)鍵作用.McDermott和Larkin認(rèn)為物理問題解決通常經(jīng)歷4個(gè)表征步驟：文字表征、樸素表征、科學(xué)理論表征、數(shù)學(xué)表征.文獻(xiàn)［7］對(duì)物理問題表征各個(gè)環(huán)節(jié)作出了詳細(xì)的說明：文字表征僅僅是問題的文字理解；樸素表征是物理情境的草圖，它使問題更顯而易見，更可視化；科學(xué)理論表征包括所有能被用來解決問題的、反映物理實(shí)質(zhì)過程的量，如力和動(dòng)量，但不包括現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)際物體，如物塊和繩子，在力學(xué)問題上，科學(xué)理論表征常常體現(xiàn)為物體受力分析的圖式構(gòu)建；數(shù)學(xué)表征則是一系列的公式，它在科學(xué)理論表征的基礎(chǔ)上建立出來，并且可直接被用以問題答案的求解.文獻(xiàn)［8］進(jìn)而對(duì)各表征層次有以下界定：文字表征所占時(shí)間，開始讀題至讀畢；樸素表征所占時(shí)間，開始畫圖到畫圖畢或讀題畢；物理表征所占時(shí)間，第一次物理詞匯出現(xiàn)至不再有新的物理概念或原理出現(xiàn)前；數(shù)學(xué)表征所占時(shí)間，第一個(gè)數(shù)學(xué)公式出現(xiàn)時(shí)刻至數(shù)學(xué)推導(dǎo)完畢.

因此，我們希望借鑒文獻(xiàn)［8］的物理問題解決的表征體系，研究科學(xué)推理能力與物理問題解決動(dòng)態(tài)表征過程的關(guān)系.

2 研究方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料包括《Lawson′s Classroom Test of Scientific Reasoning》和自編的《高一學(xué)生物理問題表征能力測(cè)試量表》.

《Lawson′s Classroom Test of Scientific Reasoning》由多位相關(guān)專業(yè)的研究生翻譯，經(jīng)歷多次校對(duì)與修改，在維持題目測(cè)量目的不變的條件下，以確保能讓中國(guó)學(xué)生流暢閱讀.

《高一學(xué)生物理問題表征能力測(cè)試量表》則是在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》的要求下根據(jù)相關(guān)物理教材，在重點(diǎn)中學(xué)物理教師的幫助下，確定了測(cè)試的知識(shí)內(nèi)容，其中涵蓋直線運(yùn)動(dòng)、平衡問題、牛頓運(yùn)動(dòng)定律、平拋運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)等內(nèi)容.針對(duì)每個(gè)知識(shí)點(diǎn)選取3～4道問題，通過對(duì)112位高一學(xué)生的預(yù)測(cè)，篩選出區(qū)分度大、難度中等的問題.在確定題目之后，結(jié)合文獻(xiàn)［7］和文獻(xiàn)［8］對(duì)物理問題各表征層次的界定，設(shè)置問題的結(jié)構(gòu).各表征層次并不相互獨(dú)立，在設(shè)計(jì)問卷的過程中應(yīng)考慮到各表征層次的交疊.

各層次計(jì)分編碼如下：文字表征層次的得分P1即 “關(guān)鍵詞”一項(xiàng)的得分；樸素表征層次的得分P2即 “畫草圖”一項(xiàng)的得分；科學(xué)表征層次的得分P3即 “畫草圖”和“確定思路”兩項(xiàng)的得分；數(shù)學(xué)表征層次的得分P4即“確定思路”和“求出最后答案”兩項(xiàng)的得分.

2.2 程序

在廣州市某中學(xué)根據(jù)學(xué)生平時(shí)成績(jī)，通過分層抽樣的方式選取被試共72人，學(xué)優(yōu)生、中等生和學(xué)困生各24人.

通過問卷調(diào)查法，以 《Lawson′s Classroom Test of Scientific Reasoning》和《高一學(xué)生物理問題表征能力測(cè)試量表》作為測(cè)量工具，對(duì)被試集中進(jìn)行獨(dú)立測(cè)試.測(cè)試不限制時(shí)間，直到學(xué)生完成為止.

利用Spss19軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.

3 結(jié)果

被試學(xué)生有72位，所得測(cè)試結(jié)果為72份，剔除無(wú)效問卷15份，最終所得的有效結(jié)果為57份.

《LCTSR測(cè)試量表》中各個(gè)科學(xué)推理能力的維度所對(duì)應(yīng)的題目及被試各個(gè)維度得分統(tǒng)計(jì)如表1所示.

表1 LCTSR測(cè)試7個(gè)維度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

被試各個(gè)維度能力發(fā)展不平衡，質(zhì)量和體積守恒概念能力（L1）的平均得分率非常高，為97.00%，概率思維能力（L5）平均得分率為87.25%，比例推理能力（L2）和變量控制能力（L3）的平均得分率也較高，分別是81.25% 和79%，假設(shè)演繹推理能力（L7）的得分率為69.75%，高級(jí)變量控制能力（L4）和相關(guān)性思維能力（L6）的得分率比較低，分別是58.00% 和54.50%.

《高一學(xué)生物理問題表征能力測(cè)試量表》測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示.

被測(cè)的物理問題表征能力測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)的峰度系數(shù)（－0.685）與其標(biāo)準(zhǔn)誤差（0.623）的比值，偏度系數(shù)（0.622）與其標(biāo)準(zhǔn)誤差（0.316）的比值都小于2，可近似認(rèn)為該變量符合正態(tài)分布.表中的得分率和標(biāo)準(zhǔn)偏差也顯示，問卷的難度中等、區(qū)分度大.

被試的科學(xué)推理能力與物理問題表征能力的相關(guān)性分析結(jié)果如表3所示.

表2 物理問題表征能力測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表3 物理問題解決與科學(xué)推理描述性統(tǒng)計(jì)與相關(guān)性分析

數(shù)據(jù)處理結(jié)果顯示，科學(xué)推理能力測(cè)試總成績(jī)與物理問題表征能力測(cè)試總成績(jī)的相關(guān)系數(shù)∣r∣＝0.189，p＞0.05.雖然相關(guān)性達(dá)到了顯著性水平，但是相關(guān)系數(shù)非常小，所以，我們可以認(rèn)為科學(xué)推理能力與物理問題表征能力整體呈現(xiàn)不相關(guān)關(guān)系，這與以往國(guó)內(nèi)外的研究結(jié)果一致.

高級(jí)變量控制能力（L4）與物理問題整體表征能力以及各表征層次能力的相關(guān)性均顯著，p＜0.05.相關(guān)性思維能力（L6）與物理問題整體表征能力以及各表征層次能力的相關(guān)性均顯著，p＜0.01.假設(shè)演繹推理能力（L7）雖然與物理問題整體表征能力和大部分問題表征過程不相關(guān)，但與文字表征能力（P1）之間顯著相關(guān)，p＜0.05.

3.1 高級(jí)變量控制能力與物理問題表征能力的統(tǒng)計(jì)分析

以上是對(duì)科學(xué)推理能力與物理問題表征能力的相關(guān)性分析，下面我們著重探討不同科學(xué)推理能力對(duì)物理問題整體表征能力及各層次表征能力的影響.

首先以物理問題整體表征得分（P）、文字表征（P1）、樸素表征（P2）、科學(xué)表征（P3）和數(shù)學(xué)表征（P4）為因變量，高級(jí)變量控制能力（L4）為自變量進(jìn)行多因素方差分析.結(jié)果顯示，不同高級(jí)變量控制能力（L4）下物理問題整體表征得分（P）存在顯著差異，F(xiàn)（4，52）＝2.913，p＝0.030.從物理問題表征各個(gè)層次來看，不同高級(jí)變量控制能力的被試，他們的樸素表征（P2）、科學(xué)表征（P3）和數(shù)學(xué)表征（P4）3個(gè)表征層次的能力都存在顯著差異，［F（4，52）＝2.970，p＝0.028］，［F（4，52）＝ 3.298，p＝ 0.018］，［F（4，52）＝3.182，p＝0.021］，而文字表征層次（P1）沒有存在顯著差異［F（4，52）＝1.861，p＝0.131］.

3.2 相關(guān)性思維能力與物理問題表征的統(tǒng)計(jì)分析

以物理問題整體表征得分（P）、文字表征（P1）、樸素表征（P2）、科學(xué)表征（P3）和數(shù)學(xué)表征（P4）為因變量，相關(guān)性思維能力（L6）為自變量進(jìn)行多因素方差分析.結(jié)果顯示，不同相關(guān)性思維能力下物理問題 整體表征能力（P）存在極顯著差異，F(xiàn)（2，54）＝8.888，p＝0.000，而不只是相關(guān)的關(guān)系.將物理問題表征分層次來看，不同相關(guān)性思維能力（L6）的被試，他們的文字表征（P1）、樸素表征（P2）、科學(xué)表征（P3）和數(shù)學(xué)表征（P4）4個(gè)表征層次的能力均存在極顯著差異，［F（2，54）＝7.258，p＝0.002］，［F（2，54）＝10.014，p＝0.000］，［F（2，54）＝9.271，p＝0.000］，［F（2，54）＝7.485，p＝0.001］.

4 討論與建議

與以往的研究結(jié)果一致，本文發(fā)現(xiàn)科學(xué)推理能力與物理問題表征能力整體不相關(guān).但是深入分析發(fā)現(xiàn)，科學(xué)推理能力中的高級(jí)變量控制能力和相關(guān)性思維能力兩個(gè)維度與物理問題表征的各個(gè)層次不僅僅是相關(guān)的關(guān)系，因?yàn)椴煌呒?jí)變量控制能力和相關(guān)性思維能力的被試在各個(gè)表征層次都存在顯著差異.我們認(rèn)為，在問題解決的過程中學(xué)生有時(shí)需要應(yīng)用控制變量法，通過人為地控制一些影響事件變化的條件，使得其中一些變量或因素不發(fā)生變化或依照需要發(fā)生變化從而可以更好地找到事物變化的規(guī)律，更好地解決問題.變量控制能力最重要的是掌握控制變量法并且應(yīng)用它來解決多個(gè)變量之間的關(guān)系和問題［9］.而相關(guān)性思維是一種非常重要的科學(xué)思維方式，事物的因果關(guān)系總是源自于他們的相關(guān)關(guān)系［10］.已有研究也表明，相關(guān)性思維能力有利于學(xué)生對(duì)函數(shù)和自變量之間關(guān)系的建立，對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)自然科學(xué)非常關(guān)鍵［11］，并且多數(shù)物理量之間也都存在著函數(shù)關(guān)系.可能是由于這種原因，學(xué)生的高級(jí)變量控制能力和相關(guān)性思維能力對(duì)物理問題表征過程存在影響.

相比物理問題解決過程中的樸素表征、科學(xué)表征和數(shù)學(xué)表征3個(gè)層次，人們可能認(rèn)為文字表征層次的能力與科學(xué)推理能力關(guān)系不大.在物理問題表征過程中，文字表征要求個(gè)體掌握與描述事件相關(guān)的知識(shí)和語(yǔ)詞，主要與問題解決者對(duì)問題本身的文字描述有關(guān).三段論中的氣氛效應(yīng)理論中提到，前提的性質(zhì)和量詞會(huì)在推理者心目中形成一定的氛圍［12］；三段論中的心理模型理論也提到推理者在推理的時(shí)候首先會(huì)構(gòu)成一個(gè)由前提中所描述事件的知覺或表象的心理模型［13］.所以，文字表征能力必然對(duì)科學(xué)推理過程有影響.而基于本論文的研究，學(xué)生的某些科學(xué)推理能力的維度（相關(guān)性思維能力）也顯著影響其文字表征能力.

教師們應(yīng)該堅(jiān)持提高學(xué)生科學(xué)探究能力的理念，因?yàn)樘岣邔W(xué)生在科學(xué)探究過程中的科學(xué)推理能力非常重要.科學(xué)探究過程是基于對(duì)整個(gè)自然界和人類社會(huì)的好奇，可以給予人類無(wú)限的活力，并時(shí)時(shí)刻刻改變著我們的世界，讓我們得到更多的知識(shí).結(jié)合相關(guān)的研究和本論文的研究可以看到，雖然從整體上看來科學(xué)推理能力對(duì)物理問題整體解決能力似乎沒有什么關(guān)系，但是關(guān)注物理問題解決的動(dòng)態(tài)過程的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在某些維度的科學(xué)推理能力對(duì)其物理問題解決能力還是有作用的.在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理能力的過程中，高級(jí)變量控制能力和相關(guān)性思維能力兩個(gè)維度必須引起重視，因?yàn)檫@兩方面的能力對(duì)學(xué)生解決物理問題過程中通過觀察、實(shí)驗(yàn)、閱讀等收集證據(jù)之后結(jié)合已有知識(shí)體系而發(fā)現(xiàn)新信息、合成新知識(shí)可能有非常重要的作用.

另外，本研究顯示科學(xué)推理能力中只有高級(jí)變量控制能力和相關(guān)性思維能力這兩個(gè)維度會(huì)對(duì)物理問題的解決過程產(chǎn)生作用，從LCTSR測(cè)試7個(gè)維度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)維度試題的得分率分別為58.00% 和54.50%.高級(jí)變量控制能力（L4）滿分為4分，標(biāo)準(zhǔn)差（SD）為1.167；相關(guān)性思維能力（L6）滿分為2分，標(biāo)準(zhǔn)差（SD）為0.931.得分率適中，標(biāo)準(zhǔn)差較大顯示這兩個(gè)維度的試題對(duì)該測(cè)試群體而言難度中等，區(qū)分度較大.雖然《Lawson′s Classroom Test of Scientific Reasoning》在國(guó)外適合于用來測(cè)試科學(xué)推理能力，但是細(xì)讀時(shí)卻發(fā)現(xiàn)該量表的許多題目對(duì)于長(zhǎng)期接受解題訓(xùn)練的中國(guó)學(xué)生來說難度過小.從表1可以看到許多維度的得分率過高，標(biāo)準(zhǔn)差較小，即難度低，區(qū)分度不大.所以運(yùn)用該量表進(jìn)行科學(xué)推理能力的測(cè)試時(shí)需要進(jìn)行改編，而科學(xué)推理的其他維度是否真的對(duì)物理問題解決能力沒有作用仍是一個(gè)需要深入研究的問題.對(duì)于文獻(xiàn)［4］研究得出的學(xué)生的物理知識(shí)與科學(xué)推理能力的相關(guān)性不大的結(jié)論，以及文獻(xiàn)［5］研究發(fā)現(xiàn)的科學(xué)推理能力與物理問題解決能力不相關(guān)的結(jié)果也值得進(jìn)一步研究.

5 結(jié)論

科學(xué)推理能力與物理問題表征能力整體不相關(guān)，但科學(xué)推理能力的高級(jí)變量控制能力和相關(guān)性思維能力對(duì)物理問題表征過程存在顯著影響.

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