中學(xué)生科學(xué)推理能力發(fā)展規(guī)律及啟示

杜明榮 郭江

摘 要：本文通過學(xué)者Lawson建立的科學(xué)推理能力測試體系，研究高中學(xué)生科學(xué)推理能力的發(fā)展現(xiàn)狀，并深入解析學(xué)生在階段性學(xué)習(xí)過程中，守恒推理、比例推理、控制變量推理、概率推理、相對性推理和假設(shè)演繹推理六個維度能力的差異，發(fā)現(xiàn)問題并尋求相應(yīng)的解決方案。

關(guān)鍵詞：中學(xué)生；科學(xué)推理能力；發(fā)展規(guī)律

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）6-0013-3

1 問題的提出

科學(xué)推理能力是運用邏輯思維依據(jù)科學(xué)事實進(jìn)行推理、進(jìn)而作出解釋或得到結(jié)論的能力。2009年《Science》雜志發(fā)表了一篇題為《Learning and Scientific Reasoning》的文章[1]，文章給出了中美大學(xué)新生的科學(xué)推理能力和科學(xué)知識的測試比較結(jié)果。結(jié)果顯示，盡管中國學(xué)生在科學(xué)知識上的成績遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過美國學(xué)生，但兩國學(xué)生的科學(xué)推理能力卻相差無幾。這一結(jié)果從一個側(cè)面反映出我國學(xué)生科學(xué)知識與推理能力之間發(fā)展的不平衡，引起了國內(nèi)外科學(xué)教育研究者的普遍關(guān)注。

具備基本的科學(xué)推理能力是進(jìn)行科學(xué)探究的必要條件，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理能力是培養(yǎng)他們科學(xué)探究能力的基礎(chǔ)[2]?？茖W(xué)推理還是需要相對完善的知識體系作為支撐，而中學(xué)生從低年級到高年級的學(xué)習(xí)過程中，一方面不斷地接受新知識，并將其內(nèi)化，儲備到自身的知識體系中，另一方面他們的思維方式也在發(fā)生著階段性的改變，即從前運算階段到具體運算階段再到形式運算階段。在不同的思維發(fā)展階段，中學(xué)生將運用已有的知識，采取科學(xué)的研究方法，理解和解釋已有的現(xiàn)象和規(guī)律，進(jìn)而不斷認(rèn)識世界和探索世界，這種認(rèn)識世界和探索世界的能力就是科學(xué)推理能力。

本文希望通過研究可以了解普通高中生在獲取科學(xué)知識的過程中科學(xué)推理能力的發(fā)展?fàn)顩r；分析對于普通高中生，科學(xué)推理能力的哪些維度較為薄弱；判斷高一到高三的跨度里他們的科學(xué)推理能力有沒有得到有效的提升。

2 研究的設(shè)計

在普通高中的教學(xué)進(jìn)程中，高一學(xué)生的科學(xué)知識體系才剛開始建構(gòu)，科學(xué)知識的掌握尚不完善，而經(jīng)過兩年系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，高三階段學(xué)生的知識體系相對完備。所以，本研究以高一和高三兩個年級的學(xué)生為研究對象，解析他們的科學(xué)推理能力的發(fā)展現(xiàn)狀，并通過文獻(xiàn)研究找到適當(dāng)?shù)奶岣卟呗?，解決研究中發(fā)現(xiàn)的學(xué)科性問題。

本研究以筆者所在市的一所有代表性的普通高中為例，從高一和高三分別隨機(jī)抽取兩個班，對抽中的四個班學(xué)生進(jìn)行科學(xué)推理能力測試。在問卷調(diào)查環(huán)節(jié)，發(fā)放問卷240份，回收213份，有效問卷196份。樣本分布情況如表1所示。

研究采用美國Lawson教授修訂的“Lawson科學(xué)推理能力測試量表”[3]，量表共有24道題目，全部為選擇題，每道題1分，共計24分。測試量表所設(shè)計的推理背景都是現(xiàn)實情境或?qū)嶒炃榫常髮W(xué)生運用科學(xué)推理得出結(jié)論或作出解釋。為了檢驗量表對所選樣本的適用性和測試數(shù)據(jù)的可靠性，對測試結(jié)果進(jìn)行信度分析，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得到量表的Cronbach Alpha[4]值都較接近0.8，因此可以認(rèn)為本問卷的信度是比較好的。量表測試的推理類型可分為6個維度，每個維度對應(yīng)的測試題目編號如表2所示。

3 數(shù)據(jù)的分析

3.1 科學(xué)推理能力的整體分布

利用Lawson科學(xué)推理能力測試量表對樣本進(jìn)行測試，結(jié)果顯示高一學(xué)生平均得分為13.66分，標(biāo)準(zhǔn)差為4.3分，高三學(xué)生平均得分為13.89分，標(biāo)準(zhǔn)差為4.65分，在集中趨勢和差異趨勢上沒有較大差異，兩者的分布態(tài)勢也比較接近，如圖1所示。針對兩個班級樣本的非參數(shù)獨立樣本K-S檢驗結(jié)果Sig值0.785>0.10，表明高一學(xué)生和高三學(xué)生的科學(xué)推理能力在一定程度上沒有顯著性差異。值得關(guān)注的是高三學(xué)生的科學(xué)推理能力平均得分為13.89分，與中國大學(xué)生平均值17分之間存在著明顯的差距[5]，表明高中階段的學(xué)生在科學(xué)推理能力上依然存在較大的發(fā)展空間。

3.2 科學(xué)推理能力各維度的分析

通過獨立樣本的T檢驗，對高一和高三學(xué)生科學(xué)推理能力各維度的顯著性差異進(jìn)行分析，結(jié)果如表3所示。

高一和高三兩個班級學(xué)生的科學(xué)推理能力中，守恒推理T檢驗的雙側(cè)Sig值[6]0.974>0.10，即在0.10的顯著性水平上，高一和高三學(xué)生的守恒推理能力沒有明顯差異。比例推理和相關(guān)性推理能力也沒有顯著性的差異。在0.10的顯著性水平上，兩個年級學(xué)生的控制變量推理能力有些許差異，并且高三學(xué)生強(qiáng)于高一學(xué)生。高一和高三學(xué)生的概率推理能力和假設(shè)演繹推理能力都有明顯差異。統(tǒng)計圖2表明，高一的概率推理成績要優(yōu)于高三，高三的假設(shè)演繹推理成績要優(yōu)于高一?？梢姡咭粚W(xué)生經(jīng)過三年的學(xué)習(xí)，在控制變量推理、假設(shè)演繹推理和相關(guān)性推理等方面的能力都有了一定的提高。由此我們推測，高中階段的教學(xué)對學(xué)生控制變量推理和假設(shè)演繹推理以及相關(guān)性推理方面的訓(xùn)練成效顯著，而在概率推理方面的訓(xùn)練有所欠缺。

表4展示了被試在各個維度上的得分率，可見，在兩個年級中守恒推理和比例推理的成績較高，盡管相關(guān)性推理在高一到高三的階段性學(xué)習(xí)中有了很大的提升，但是其正確率依然處于較低的狀態(tài)。另外，概率推理的正確率也比較低，原因可能是高一學(xué)生還沒有開設(shè)相關(guān)概率問題的課程，但生活中的一些實例給了他們很大的啟發(fā)，比如擲篩子、拋硬幣，高三學(xué)生雖然經(jīng)過了一系列系統(tǒng)的概率類的學(xué)習(xí)，但是量表的題目是擲篩子這類與生活密切相關(guān)的問題，所以高一學(xué)生概率推理維度的得分率反而比高三學(xué)生的要高一些[7]。

4 結(jié)論與啟示

本研究表明，高一和高三階段學(xué)生的科學(xué)推理能力呈現(xiàn)以下特點：其一，高一到高三這樣一個階段性的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生的科學(xué)推理能力總體上沒有得到很顯著的提升，表明本研究中被試所在區(qū)域的教學(xué)對高中生科學(xué)推理能力的培養(yǎng)有待提升。其二，高中學(xué)生由于其守恒推理能力和比例推理能力在初中階段有了較好的基礎(chǔ)，已經(jīng)得到充分的發(fā)展，測試中表現(xiàn)為兩個年級中成績跨度不明顯。高三學(xué)生在控制變量推理、相關(guān)性推理和假設(shè)演繹推理方面的能力有較大程度的提升，但是相關(guān)性推理能力依然處于較低層次。另外，概率推理能力表現(xiàn)為有所降低，表明本研究中被試所在區(qū)域的教學(xué)對高中生科學(xué)推理能力的培養(yǎng)，側(cè)重于學(xué)生的控制變量推理和假設(shè)演繹推理能力的訓(xùn)練，并且有了較突出的效果，但在概率推理和相關(guān)性推理能力的培養(yǎng)上略顯不足。

因此，提升高中學(xué)生的概率推理能力和相關(guān)性推理能力成為亟待解決的問題?？茖W(xué)推理能力是科學(xué)探究活動中極為重要的能力之一，它滲透在科學(xué)探究活動的每一個環(huán)節(jié)之中，學(xué)生需要依靠這種能力體驗科學(xué)探究的具體過程，感受科學(xué)探究中隱含的科學(xué)奧秘。提高學(xué)生的科學(xué)推理能力需要學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，真正地切身參與到科學(xué)探究活動中，遵守科學(xué)探究的一般步驟，逐步透過現(xiàn)象來理解科學(xué)的本質(zhì)。

量表中測試概率推理能力的題目表達(dá)方式與生活中擲篩子的問題極為相似，高一學(xué)生能夠依據(jù)基本的生活常識去解決量表里的問題，而高三學(xué)生同樣也擁有這樣的生活常識，但其接受的系統(tǒng)化的概率知識卻成為了解決生活問題的障礙，得分反而低于高一學(xué)生。學(xué)生缺乏概率意識，不能客觀地理解概率問題的本質(zhì)，認(rèn)為概率是不可預(yù)測的。因此，教師需要引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的概率推理意識，從源頭上幫助學(xué)生提高概率推理能力。

其次，高中課程學(xué)習(xí)中存在模式化訓(xùn)練的現(xiàn)象，使得學(xué)生難以花時間認(rèn)真解讀問題，久而久之造成了學(xué)生的思維惰性，對付類似的概率問題善于使用固定的公式計算，不能進(jìn)一步地分析思考問題，容易造成簡單問題復(fù)雜化，不利于問題的解決[8]。在這樣的情況下，教師需要在課堂上去講解概率推理的科學(xué)步驟，要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會自主分析類似問題，能夠輕松自如地運用概率推理來解決遇到的常識性問題和復(fù)雜類問題。

在相關(guān)性推理能力的培養(yǎng)中，教師首先要幫助學(xué)生克服思維定勢。在日常的題海訓(xùn)練中，學(xué)生很容易陷入思維定勢，加重了思維的惰性，導(dǎo)致學(xué)生遇到問題時急于得到結(jié)果，尋找相關(guān)的捷徑，從而使學(xué)生忽略了問題之間的本質(zhì)聯(lián)系[9]。教師要在學(xué)生原有的基礎(chǔ)上適當(dāng)引導(dǎo)，鼓勵學(xué)生積極參與探究式學(xué)習(xí)，讓學(xué)生真正理解日常生活中蘊(yùn)含的科學(xué)原理，學(xué)會觀察事物整體與局部之間的關(guān)聯(lián)，透過事物的表面現(xiàn)象深入理解問題的本質(zhì)，并且能夠有意識地應(yīng)用于解決實際的問題之中。

參考文獻(xiàn)：

[1][3]Lei Bao，Tianfang Cai，e.g. Learning and Scientific Reasoning[J]. Science ，Vol.323， January 2009：586-587.

[2]楊燕，郭玉英，魏昕，等. 高師理科教學(xué)與學(xué)生科學(xué)推理能力的培養(yǎng)[J]. 教育學(xué)報，2010（2）：42-47.

[4][5][6]杜強(qiáng)，賈麗艷，嚴(yán)先鋒. SPSS統(tǒng)計分析從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2014：113-121.

[7]周思琪. 中學(xué)生科學(xué)推理能力的比較和分析[D].武漢：華中師范大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012.

[8]梁美怡.初中物理學(xué)習(xí)與科學(xué)推理能力相關(guān)性分析與研究[J].物理教師，2014，35（5）：37-39.

[9]黃昭.寧夏中學(xué)生科學(xué)推理能力現(xiàn)狀及培養(yǎng)策略研究[D].銀川：寧夏大學(xué)碩士學(xué)位論文，2011.

（欄目編輯 趙保鋼）