我國(guó)青少年科學(xué)推理能力測(cè)評(píng)研究進(jìn)展及啟示

仝甜雨，韓旭，高守寶

（山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山東濟(jì)南250000）

一、引言

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱《課標(biāo)》）提出，物理學(xué)是一門(mén)基于觀察與實(shí)驗(yàn)、物理模型建構(gòu)、應(yīng)用數(shù)學(xué)等工具，通過(guò)科學(xué)論證和推理，形成系統(tǒng)的研究方法和理論體系的學(xué)科?！墩n標(biāo)》指出，物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個(gè)方面，其中“科學(xué)推理”作為二級(jí)指標(biāo)涵蓋在“科學(xué)思維”之中。義務(wù)教育階段要求學(xué)生從直接的觀察和實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)，而高中階段的物理學(xué)習(xí)則提出了更高的要求，需要在直接觀察和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)科學(xué)推理和科學(xué)論證等方式得到結(jié)論，所以科學(xué)推理能力水平在高中物理學(xué)習(xí)中顯得尤為重要。

二、科學(xué)推理能力的內(nèi)涵及測(cè)評(píng)方法

科學(xué)推理能力，是依據(jù)科學(xué)事實(shí)，運(yùn)用邏輯思維進(jìn)行推理，進(jìn)而做出解釋或得到結(jié)論的能力。這是個(gè)體的一種一般能力，并不依賴于某一專門(mén)領(lǐng)域而存在。[1]科學(xué)推理（Scientific Reasoning）概念最早源于皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展理論。[2]皮亞杰認(rèn)為，在個(gè)體從出生到成熟的發(fā)展過(guò)程中，認(rèn)知結(jié)構(gòu)在與環(huán)境的相互作用中不斷重構(gòu)，從而表現(xiàn)出具有不同質(zhì)的不同階段。根據(jù)兒童思維能力的發(fā)展變化，他將兒童的認(rèn)知發(fā)展分為四個(gè)階段，即：感知運(yùn)動(dòng)階段，前運(yùn)算階段，具體運(yùn)算階段和形式運(yùn)算階段。[3]其中，“形式運(yùn)算”是指對(duì)抽象的假設(shè)或命題進(jìn)行邏輯轉(zhuǎn)換。在這一階段，兒童逐漸從依賴于具體內(nèi)容的抽象思維中擺脫出來(lái)，進(jìn)入脫離具體內(nèi)容的抽象思維的認(rèn)知發(fā)展階段。形式運(yùn)算階段中的兒童能夠根據(jù)邏輯推理、歸納或演繹的方式來(lái)解決問(wèn)題，已經(jīng)完全具備進(jìn)行“假設(shè)—演繹”推理、抽象思維、系統(tǒng)思維的能力。在皮亞杰看來(lái)，科學(xué)推理是認(rèn)知發(fā)展到形式運(yùn)算階段之后，兒童或成人所能掌握的推理類(lèi)型，這就為科學(xué)推理的發(fā)展提供了一個(gè)理論基礎(chǔ)。

科學(xué)推理的概念自皮亞杰提出之后，在科學(xué)哲學(xué)、心理學(xué)及教育學(xué)等領(lǐng)域均有研究涉獵。[4]科學(xué)哲學(xué)領(lǐng)域從哲學(xué)角度研究了科學(xué)推理在科學(xué)發(fā)展中的作用以及推理的邏輯；心理學(xué)與生物學(xué)結(jié)合研究科學(xué)推理產(chǎn)生的生理基礎(chǔ)、如何發(fā)展以及隨年齡變化的發(fā)展?fàn)顩r等；教育學(xué)領(lǐng)域主要研究科學(xué)推理能力的影響因素以及如何在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生各方面的推理能力。

國(guó)際上較為認(rèn)可的科學(xué)推理能力獨(dú)立測(cè)量工具主要有：ACT、SRLT、GALT、TOLT、SRTS、LCTSR等。[5]其中最常用于進(jìn)行青少年科學(xué)推理測(cè)量的工具，是由美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)羅森（Lawson）教授開(kāi)發(fā)的LCTSR科學(xué)推理能力測(cè)量量表。該量表的信度和效度已被國(guó)外研究者在眾多實(shí)證研究中證明[6]，因而國(guó)內(nèi)科學(xué)推理能力測(cè)評(píng)主要用此量表進(jìn)行調(diào)查研究。該量表主要從守恒推理、比例推理、控制變量推理、高級(jí)控制變量推理、概率推理、相關(guān)性推理與假設(shè)演繹推理七個(gè)方面，對(duì)青少年的科學(xué)推理能力進(jìn)行測(cè)量。

三、國(guó)內(nèi)科學(xué)推理能力的影響因素研究

科學(xué)推理能力是學(xué)生獲取科學(xué)知識(shí)的基石，是一個(gè)學(xué)生在科學(xué)上取得好成績(jī)所需要的基本能力，它往往比具體的科學(xué)知識(shí)更重要。因此，探討科學(xué)推理能力的影響因素已成為國(guó)內(nèi)外科學(xué)教育領(lǐng)域的一個(gè)熱門(mén)課題。有關(guān)科學(xué)推理能力的影響因素主要集中在：教學(xué)方法、學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)、性別、地域以及生理發(fā)育年齡等方面。

1.教學(xué)方法對(duì)科學(xué)推理能力的影響研究

教學(xué)方法是指為了實(shí)現(xiàn)教師和學(xué)生共同的教學(xué)目標(biāo)，完成共同的教學(xué)任務(wù)，運(yùn)用在教學(xué)過(guò)程中的方式與手段的總稱，主要是指教學(xué)中的側(cè)重點(diǎn)、采取的教學(xué)模式和方法。

包雷等人在中美兩國(guó)中等排名的大學(xué)中選取了4所美國(guó)大學(xué)和3所中國(guó)大學(xué)的科學(xué)與工程專業(yè)大一新生共5760人，分別測(cè)試了他們的物理學(xué)科知識(shí)和科學(xué)推理能力，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)真正影響學(xué)生科學(xué)推理能力發(fā)展的并非物理課上學(xué)習(xí)到的知識(shí)，而是教師教學(xué)的方法。[7]魏昕在北京地區(qū)選取了從小學(xué)二年級(jí)到高中三年級(jí)，共2295人進(jìn)行研究，結(jié)果顯示，將結(jié)果性知識(shí)直接傳授給學(xué)生的教學(xué)模式可以有效地讓具有相對(duì)固定的計(jì)算形式與推理范式的推理類(lèi)型（如：比例推理）得以強(qiáng)化和提升，而對(duì)于在建構(gòu)概念與探究規(guī)律的過(guò)程中所需要的推理能力（如：控制變量推理、相關(guān)性推理以及假設(shè)演繹推理）則有所忽視。[8]孫慧娟通過(guò)對(duì)寧夏大學(xué)和北方民族大學(xué)775人進(jìn)行的非隨機(jī)分派控制組前后測(cè)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，研究性學(xué)習(xí)有助于提高在校學(xué)生的科學(xué)推理能力水平。[9]董秋月在杭州市某高中選取兩個(gè)班的學(xué)生，每班各34人作為實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)科學(xué)推理結(jié)合雙重情境學(xué)習(xí)模式（DSLM）教學(xué)，可有效促進(jìn)學(xué)生推理能力的提升。[10]劉佳對(duì)廣州市祈福英語(yǔ)實(shí)驗(yàn)學(xué)校高一年級(jí)，中加班（接受中方和外方兩種教育模式，不參加國(guó)內(nèi)高考）和國(guó)內(nèi)班（接受我國(guó)傳統(tǒng)教育，參加國(guó)內(nèi)高考）共87名學(xué)生進(jìn)行科學(xué)推理能力測(cè)試，結(jié)果顯示兩個(gè)班學(xué)生的科學(xué)推理能力并沒(méi)有顯著差異，也就是說(shuō)該學(xué)校中西結(jié)合的教育模式并沒(méi)有有效促進(jìn)學(xué)生推理能力的發(fā)展，該模式還需進(jìn)一步探討。[11]

綜上可知，學(xué)校教學(xué)理念和方式的不同，對(duì)學(xué)生科學(xué)推理能力的培養(yǎng)和提高會(huì)產(chǎn)生不同的影響，而科學(xué)推理能力的提升多與學(xué)生有直接經(jīng)驗(yàn)參與的教學(xué)方法的使用成正相關(guān)。

2.知識(shí)結(jié)構(gòu)對(duì)科學(xué)推理能力的影響研究

知識(shí)結(jié)構(gòu)是指一個(gè)人經(jīng)過(guò)專門(mén)學(xué)習(xí)培訓(xùn)后所擁有的知識(shí)體系的構(gòu)成狀況與結(jié)合形式，通常指一個(gè)人所具備的知識(shí)儲(chǔ)備。國(guó)內(nèi)學(xué)者在知識(shí)結(jié)構(gòu)對(duì)科學(xué)推理能力的影響因素方面進(jìn)行了研究。

朱麗杰在研究知識(shí)經(jīng)驗(yàn)對(duì)科學(xué)推理能力發(fā)展的影響時(shí)指出，領(lǐng)域性知識(shí)（學(xué)生的已有觀念包括概念、原理、具體經(jīng)驗(yàn)等）會(huì)映射到科學(xué)推理的問(wèn)題情境中；方法性知識(shí)（學(xué)生獲得的方法概念）也對(duì)科學(xué)推理有重要的影響。[12]周思琪采用雙盲分層取樣法調(diào)查了三個(gè)科教水平不同地區(qū)三所高中，各抽取三個(gè)年級(jí)共744名學(xué)生進(jìn)行科學(xué)推理能力水平測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)中學(xué)生科學(xué)知識(shí)水平與科學(xué)推理能力水平具有較強(qiáng)的相關(guān)性。[13]李力舟在甘肅甘南藏族自治州對(duì)某中學(xué)高一年級(jí)100人進(jìn)行測(cè)評(píng)指出，高一階段的物理學(xué)科知識(shí)也對(duì)科學(xué)推理能力產(chǎn)生一定的影響[14]，張軼炳等人在寧夏大學(xué)隨機(jī)抽取的558人進(jìn)行科學(xué)推理能力調(diào)查，結(jié)果顯示，大學(xué)生的專業(yè)差異對(duì)科學(xué)推理能力有顯著性影響，在概率推理與多層次假設(shè)推理等方面有顯著差異，而電子信息、機(jī)械、交通運(yùn)輸?shù)裙た茖I(yè)的學(xué)生科學(xué)推理能力較強(qiáng)[15]。楊宏艷抽測(cè)桂林某中學(xué)三個(gè)年級(jí)90人的科學(xué)推理能力，結(jié)果表明數(shù)學(xué)基礎(chǔ)越好，學(xué)生的邏輯推理能力越強(qiáng)。[16]談學(xué)婕通過(guò)湖北省某高中高一高二的文科班、理科班和理科實(shí)驗(yàn)班共計(jì)314名學(xué)生對(duì)照測(cè)評(píng)發(fā)現(xiàn)，被試的數(shù)理知識(shí)與他們的科學(xué)推理能力水平幾乎不相關(guān)[17]，隨后她在湖北省某高中隨機(jī)抽取了568名高一學(xué)生進(jìn)行測(cè)評(píng)，得出了一致的結(jié)論[18]。羅琦在天津市某高中兩個(gè)年級(jí)的科學(xué)推理調(diào)查研究中，僅對(duì)高一學(xué)生（沒(méi)有文理分科）的科學(xué)推理能力進(jìn)行了描述性統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明高一年級(jí)學(xué)生的理科成績(jī)與科學(xué)推理成績(jī)之間不相關(guān)。[19]

3.性別對(duì)科學(xué)推理能力的影響研究

國(guó)內(nèi)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)高中階段是男女生概念分化的關(guān)鍵期。[20]楊宏艷研究了桂林某兩所中學(xué)三個(gè)年級(jí)學(xué)生的科學(xué)推理能力，發(fā)現(xiàn)初二、初三和高一年級(jí)男女生之間并未發(fā)現(xiàn)顯著差異。[21]嚴(yán)文法抽取山西臨汾某初中一到三年級(jí)812人，采用3×2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了4個(gè)科學(xué)推理實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，男女生之間只在比例推理的某一個(gè)水平上表現(xiàn)出顯著差異，其他各類(lèi)推理的各級(jí)水平差異均不顯著；從推理能力發(fā)展趨勢(shì)看，男生在初二年級(jí)快速發(fā)展，女生總體發(fā)展較平穩(wěn)。[22]李力舟選取了甘肅甘南藏族自治州某中學(xué)高一年級(jí)的100名同學(xué)，調(diào)查結(jié)果顯示男女生之間科學(xué)推理水平存在一定差異，并且高一階段女生的科學(xué)推理水平明顯優(yōu)于男生。[23]

陸海燕選取南京市三所高中共108人進(jìn)行物理推理能力測(cè)評(píng)，獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)結(jié)果表明，男女生之間無(wú)顯著差異。[24]周思琪通過(guò)對(duì)三個(gè)地區(qū)三所不同高中744人的測(cè)評(píng)結(jié)果進(jìn)行T檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，除了某一所高中高一年級(jí)的男女生存在顯著差異之外，其余的結(jié)果均顯示男女生在科學(xué)推理能力上差異不大。[25]羅琦在天津市某高中選取高一高二共200名學(xué)生進(jìn)行科學(xué)推理能力測(cè)試，研究表明男女生在科學(xué)推理能力上并不存在顯著差異，而男女生的認(rèn)知風(fēng)格不同則導(dǎo)致男生的平均分高于女生。[26]

馮秀梅的中美調(diào)查研究是關(guān)于研究性別這一影響因素中選取樣本最大的。她選取了排名相當(dāng)?shù)钠咚袊?guó)大學(xué)和五所美國(guó)大學(xué)測(cè)評(píng)了1701人，通過(guò)對(duì)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，整體得分上女生推理能力較弱，且兩國(guó)女生整體水平差異較大，男生則相對(duì)一致；在不同推理維度上，除了中國(guó)女生的比例推理比男生強(qiáng)之外，在其他各維度上，無(wú)論中國(guó)還是美國(guó)，男生成績(jī)都比女生好；在不同的推理維度方面，美國(guó)學(xué)生的比例推理和中國(guó)學(xué)生的控制變量推理分別是兩國(guó)性別差異最大的推理維度。[27]

4.地域?qū)茖W(xué)推理能力的影響研究

周思琪選取了三個(gè)地區(qū)的三所不同高中，H高中位于重要科教基地的省會(huì)城市，坐擁優(yōu)勢(shì)教育資源，教學(xué)質(zhì)量超一流；M高中位于科教欠發(fā)達(dá)地區(qū)，教學(xué)質(zhì)量中上；X高中位于科教欠發(fā)達(dá)，而教學(xué)質(zhì)量一流的地區(qū)。通過(guò)對(duì)比研究認(rèn)為，一個(gè)地區(qū)良好的科教氛圍對(duì)學(xué)生科學(xué)推理能力的發(fā)展是有積極影響的，并且會(huì)形成一個(gè)良性循環(huán)。[28]李力舟對(duì)比了北京地區(qū)和甘肅甘南藏族自治州高一學(xué)生的推理能力，發(fā)現(xiàn)北京地區(qū)學(xué)生的推理能力明顯優(yōu)于甘南地區(qū)。作者指出，由于不同地域的硬件設(shè)施、師資力量等教育環(huán)境相對(duì)能夠直接地作用于學(xué)生，從而可能對(duì)其能力的發(fā)展產(chǎn)生更為直接的影響。[29]

5.生理發(fā)育程度（年齡）對(duì)科學(xué)推理能力的影響研究

年齡，也就是生理發(fā)育程度，被一些研究者認(rèn)為是影響科學(xué)推理能力的重要因素。有學(xué)者通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，個(gè)體在13—14歲時(shí)科學(xué)推理能力提高稍緩，14歲之后能力提升速度會(huì)增加。[30]魏昕通過(guò)對(duì)一個(gè)北京地區(qū)從小學(xué)二年級(jí)到高中三年級(jí)的2295人的樣本數(shù)據(jù)的研究發(fā)現(xiàn)，樣本在二年級(jí)到初一年級(jí)之間推理能力無(wú)顯著性差異，而從初一到高三之間則呈明顯的線性上升趨勢(shì)，也就是說(shuō)個(gè)體發(fā)育到“形式運(yùn)算”和“后形式運(yùn)算”的階段，表明個(gè)體生理發(fā)育對(duì)科學(xué)推理能力的發(fā)展具有顯著的影響作用。[31]嚴(yán)文法的科學(xué)推理實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，初中生的推理能力整體隨著年級(jí)的提升而持續(xù)上升。[32]羅琦的研究結(jié)果顯示，高二學(xué)生的科學(xué)推理成績(jī)顯著高于高一年級(jí)，這一結(jié)果也符合皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展理論。[33]

楊宏艷測(cè)評(píng)了桂林某中學(xué)90人的科學(xué)推理能力水平發(fā)現(xiàn)，由于中學(xué)階段學(xué)生接受應(yīng)試教育只注重分?jǐn)?shù)提升而不注重能力培養(yǎng)，科學(xué)推理能力的年級(jí)差異并不顯著，但是中學(xué)生的思維已經(jīng)開(kāi)始發(fā)生質(zhì)的變化。[34]

6.其他影響科學(xué)推理能力的因素

李力舟還研究了外部宏觀環(huán)境對(duì)個(gè)體的科學(xué)推理能力的影響。所謂的宏觀外部環(huán)境包含了多種因素及其之間的相互作用，如：經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、人文環(huán)境、自然環(huán)境、文化氛圍等。其中絕大部分因素對(duì)個(gè)體的科學(xué)推理能力發(fā)展都會(huì)產(chǎn)生隱性和間接的影響，并且牽涉的范圍廣，相互作用的機(jī)制也較復(fù)雜。[35]

周思琪從微觀角度分析，指出科學(xué)推理能力的增長(zhǎng)并非只是來(lái)源于個(gè)體思維的發(fā)展與成熟，除了性別影響因素外，還受所學(xué)知識(shí)、文化背景、個(gè)體能力、個(gè)性因素以及學(xué)生所處的地理位置和社會(huì)經(jīng)濟(jì)地位等因素的影響。[36]羅琦的研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的受教育環(huán)境不同也會(huì)導(dǎo)致其科學(xué)推理能力的顯著差異，對(duì)于同一所高中的學(xué)生而言，來(lái)自重點(diǎn)初中的學(xué)生科學(xué)推理能力要顯著高于來(lái)自非重點(diǎn)初中的學(xué)生，原因是不同學(xué)校在校園的硬件設(shè)施、文化氛圍、教學(xué)方式、學(xué)習(xí)氛圍、學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)和學(xué)生對(duì)新知識(shí)的掌握能力上存在一定的差異。[37]

四、結(jié)論與展望

目前國(guó)內(nèi)科學(xué)推理能力的研究仍處于初級(jí)階段。在整體研究趨勢(shì)上，呈現(xiàn)出重現(xiàn)狀調(diào)查，輕理論探討和實(shí)踐研究的趨勢(shì)。與西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)對(duì)科學(xué)推理能力的理論探討和測(cè)量研究起步較晚，仍停留在現(xiàn)狀調(diào)查的層面，缺乏完整的理論體系，更加缺乏教育實(shí)踐的改進(jìn)和突破，尤其是針對(duì)處于科學(xué)推理能力發(fā)展關(guān)鍵期的青少年，缺乏相關(guān)的教學(xué)實(shí)踐。由于國(guó)內(nèi)研究者選取樣本和測(cè)量方法等因素，導(dǎo)致對(duì)同一影響因素的測(cè)量結(jié)論存在差異甚至完全相反，教師在使用教學(xué)策略時(shí)應(yīng)該針對(duì)學(xué)生的特點(diǎn)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)環(huán)境等多因素進(jìn)行修改，使其適合本土環(huán)境。

在研究結(jié)果上，青少年科學(xué)推理能力整體水平低，且發(fā)展不平衡?？茖W(xué)推理能力檢測(cè)涵蓋了國(guó)內(nèi)外各個(gè)不同地區(qū)和民族，測(cè)評(píng)被試的選取都采用了隨機(jī)抽樣方式，然而調(diào)查結(jié)果顯示，目前我國(guó)青少年的科學(xué)推理能力整體水平偏低，亟待提升；而具體到個(gè)體推理能力上，由于性別、地域、教育環(huán)境、方式的不同，又呈現(xiàn)出發(fā)展不平衡的現(xiàn)狀。

綜上所述，科學(xué)推理能力的現(xiàn)狀調(diào)查比較成熟，在此基礎(chǔ)上，缺乏針對(duì)測(cè)量出的各子推理能力不平衡的成因分析；關(guān)于如何促進(jìn)青少年各子推理能力的提升與發(fā)展，缺乏一套系統(tǒng)的學(xué)科教學(xué)指導(dǎo)模式，能夠讓教師從學(xué)科知識(shí)和學(xué)生的認(rèn)知水平角度出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)科學(xué)推理和科學(xué)論證發(fā)現(xiàn)規(guī)律、得出結(jié)論，精準(zhǔn)地培養(yǎng)學(xué)生各方面的推理能力，培養(yǎng)科學(xué)思維，提升科學(xué)素養(yǎng)?！?/p>

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