理科教師探究教學(xué)實(shí)施能力急需提升：一項(xiàng)基于Rasch模型的實(shí)證研究

劉東方

(沈陽師范大學(xué)教師專業(yè)發(fā)展學(xué)院，遼寧沈陽 110034)

一、問題的提出

科學(xué)探究能力的培養(yǎng)是國際科學(xué)教育的核心內(nèi)容。美國2013 年頒布的新一代《科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》將工程實(shí)踐融入探究過程中，賦予科學(xué)探究更深的實(shí)踐性。[1][2]我國2016年發(fā)布的“中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)”指出“科學(xué)精神”的基本要點(diǎn)包括“勇于探究”，“社會(huì)參與”的具體要點(diǎn)包括“問題解決”。[3]各國持久地重視對科學(xué)探究能力的培養(yǎng)。

學(xué)生的科學(xué)探究能力很大程度上取決于探究教學(xué)的有效實(shí)施，探究教學(xué)實(shí)施能力是理科教師學(xué)科教學(xué)能力的構(gòu)成要素之一，[4]也是最體現(xiàn)教師教學(xué)實(shí)踐能力的要素之一。

理科教師探究教學(xué)實(shí)施能力是物理、科學(xué)、生物、地球科學(xué)等四門學(xué)科的理科教師在課堂上指導(dǎo)學(xué)生完成探究活動(dòng)時(shí)所具備的教學(xué)實(shí)施能力，是對探究教學(xué)實(shí)施活動(dòng)進(jìn)程及方式起穩(wěn)定調(diào)節(jié)作用、保證順利完成教學(xué)活動(dòng)的心理特征。目前，中學(xué)理科教師的探究教學(xué)實(shí)施能力處于何種水平，用什么樣的理論與工具可以對其進(jìn)行測查，如何為促進(jìn)教師探究教學(xué)能力培養(yǎng)提供借鑒，是本文要探討的內(nèi)容。

二、已有研究綜述

(一)關(guān)于理科教師的探究教學(xué)實(shí)施能力

學(xué)者首先從教師的教學(xué)能力展開研究，克拉克和彼得森將教學(xué)分為三個(gè)階段，即“行動(dòng)前”“行動(dòng)中”“行動(dòng)后”。因此，教師的教學(xué)能力也可以分為三個(gè)核心部分，即教學(xué)設(shè)計(jì)能力，教學(xué)實(shí)施能力和教學(xué)反思能力。[5]基于此，謝紹平等人從五個(gè)方面提出理科教師探究教學(xué)實(shí)施能力的構(gòu)成：指導(dǎo)學(xué)生提出問題、指導(dǎo)學(xué)生提出猜想與假設(shè)、指導(dǎo)學(xué)生獲取證據(jù)、指導(dǎo)學(xué)生分析與論證、指導(dǎo)學(xué)生交流。[6]

(二)關(guān)于理科教師探究教學(xué)實(shí)施能力的測查方法

研究者主要采用等級(jí)量表式問卷調(diào)查法，由教師對自身的探究教學(xué)情況做出判斷，從而得出研究結(jié)論。[7-9]例如，“在選擇探究教學(xué)方式時(shí)，您覺得：A.十分困難；B.困難；C.有點(diǎn)困難；D.不困難?！边@樣的題目在一定程度上能反映出教師對探究教學(xué)的認(rèn)識(shí)、體會(huì)及存在的困難，但在具體探究教學(xué)實(shí)施能力方面得到的結(jié)論客觀性較弱，需要進(jìn)一步探討客觀的研究方法。

(三)Rasch模型的應(yīng)用

Rasch模型是由丹麥學(xué)者Georg Rasch提出的描述智力和成就測驗(yàn)的概率模型。在該模型中，被試的能力越高于試題難度，則正確回答此題的概率越大。Rasch測量具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)測量分?jǐn)?shù)是等距的；(2)被試能力和項(xiàng)目難度相互獨(dú)立，互不影響；(3)能力和難度是被試在一系列項(xiàng)目上的反應(yīng)通過估算得到的，提高了測量準(zhǔn)確性；(4)被試能力和項(xiàng)目難度使用同一把量尺，使數(shù)據(jù)具有可比性。[10]Rasch模型在教育和心理測量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，例如，在測驗(yàn)設(shè)計(jì)、測驗(yàn)等值、計(jì)算機(jī)自適應(yīng)考試、試題質(zhì)量分析、學(xué)科能力表現(xiàn)測試等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。[11]但應(yīng)用Rasch模型對理科教師教學(xué)能力進(jìn)行測查的研究還極其少見。

三、研究設(shè)計(jì)

(一)探究教學(xué)實(shí)施能力的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.探究教學(xué)實(shí)施能力的評(píng)價(jià)要素

本研究在2012年基于國外10個(gè)國家或地區(qū)科學(xué)課程文件的頻次分析，提煉出提出問題、猜想假設(shè)、制訂計(jì)劃、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、收集證據(jù)、解釋結(jié)論、反思評(píng)價(jià)、表達(dá)交流等8個(gè)能力的二級(jí)要素能力，[12]豐富了科學(xué)探究能力構(gòu)成?；诳茖W(xué)探究二級(jí)要素能力，提出理科教師探究教學(xué)實(shí)施能力的評(píng)價(jià)要素如表1所示。

表1 探究教學(xué)實(shí)施能力的評(píng)價(jià)要素

2.評(píng)價(jià)要素的水平界定

在評(píng)價(jià)要素中，將每一個(gè)二級(jí)能力要素劃分了4個(gè)水平維度。不同水平維度劃分的主要依據(jù)是主體性、深刻性、創(chuàng)造性。[13]主要表現(xiàn)為“理科教師主體-學(xué)生主體”“表面指導(dǎo)-深入指導(dǎo)”“孤立指導(dǎo)—優(yōu)化指導(dǎo)”。例如，在“指導(dǎo)學(xué)生提出問題教學(xué)能力要素”的二級(jí)要素中，第一個(gè)要素為“指導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)并建構(gòu)明確的問題”。其水平1為0分：“由理科教師提出要研究的問題，未指導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出問題”；水平2為1分：“給予學(xué)生提出問題的機(jī)會(huì)，并對學(xué)生進(jìn)行表面性指導(dǎo)”；水平3為2分：“給予學(xué)生提出問題的機(jī)會(huì)，深入指導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)明確的問題”；水平4為3分：“深入指導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)明確的問題，并指導(dǎo)學(xué)生自主、清晰地表述問題”。該測查共有40個(gè)要素指標(biāo)，每個(gè)要素指標(biāo)滿分為3分，合計(jì)120分。

(二)研究方法

1.課堂觀察法

課堂觀察法是觀察者帶著明確的目的，憑借自身感官及輔助工具，直接或間接從課堂情境中收集資料并進(jìn)行分析的方法。[14]這種方法保證了教學(xué)能力及其表現(xiàn)研究的準(zhǔn)確性與客觀性。本研究采用課堂觀察法，觀察理科教師的課堂探究教學(xué)視頻，并進(jìn)行定量分析。

2.基于Rasch模型的統(tǒng)計(jì)方法

利用Rasch模型，并使用Bond&Fox Steps軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。[15]直接在理科教師、測查工具之間進(jìn)行比較，得出理科教師探究教學(xué)實(shí)施能力的情況。

(三)測查的理科教師樣本選擇

評(píng)價(jià)對象為遼寧省初中化學(xué)教師，以“一師一優(yōu)課”國家教育資源公共服務(wù)平臺(tái)為視頻來源，[16]年份為2015-2016年度及2016-2017年度，選取的內(nèi)容為義務(wù)教育化學(xué)教科書·九年級(jí)上冊(上海教育出版社)中第六章“溶解現(xiàn)象”、第七章“應(yīng)用廣泛的酸堿鹽”，以及義務(wù)教育化學(xué)教科書·九年級(jí)上冊(人民教育出版社)中第九章“溶液”、第十章“酸和堿”的所有課堂教學(xué)視頻。共有358節(jié)課，其中，探究教學(xué)課共有129節(jié)，如表2所示。在這些理科教師中，男教師21人，女教師108人。3節(jié)為部優(yōu)課，7節(jié)為省優(yōu)課，21節(jié)為市優(yōu)課，22為縣優(yōu)課，76節(jié)為一般課。農(nóng)村學(xué)校理科教師53人，城市學(xué)校理科教師76人。

表2 探究教學(xué)視頻樣本選取

四、測查結(jié)果與分析

(一)測查工具質(zhì)量分析

根據(jù)初測分析結(jié)果，對測量工具進(jìn)行修訂，并實(shí)施第二次測查，重新進(jìn)行測查的質(zhì)量檢驗(yàn)。測查工具整體信度為0.96， MNSQ值為0.98，在0.7～1.3范圍內(nèi)，接近理想水平，表明測查工具與理想模型具有良好的匹配度。分離度反映測量工具對不同能力水平被試的區(qū)分情況，分離度越大，說明區(qū)分效果越好，此試卷題目分離指數(shù)為4.88，分離度較好。Rasch模型要求測查是一維的，一維性檢驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，共40道題目，其中11道題目超出接受范圍(-0.4～0.4)，僅占總題目數(shù)的27.5%，表明測查具有一維性，這些題目能夠共同反映理科教師的探究教學(xué)實(shí)施能力。

圖1 試題一維性檢驗(yàn)

(二)測查結(jié)果與分析

1.理科教師探究教學(xué)方式的使用現(xiàn)狀

所選擇的兩個(gè)主題，都與學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)緊密結(jié)合，無論從內(nèi)容上還是學(xué)習(xí)方式上，都適合學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與探究。而在收集到的358節(jié)課中，有129節(jié)課的理科教師采用了探究教學(xué)的方式，僅占總課時(shí)的36%，這說明理科教師在日常教學(xué)中，采用探究教學(xué)方式較少。

2.理科教師各探究要素能力的情況

計(jì)算理科教師在各探究要素能力的得分，并按照滿分100分折算，結(jié)果如表3所示。

表3 理科教師探究教學(xué)實(shí)施能力的得分

總體來看，理科教師各探究要素教學(xué)能力的平均得分均未達(dá)到及格水平，總體極低。其中，提出問題教學(xué)能力幾乎沒有表現(xiàn)，即在教學(xué)中理科教師很少引導(dǎo)學(xué)生提出問題，很少會(huì)培養(yǎng)學(xué)生提出問題的能力；其次為猜想假設(shè)教學(xué)能力、反思評(píng)價(jià)教學(xué)能力和收集證據(jù)教學(xué)能力；再次為解釋結(jié)論教學(xué)能力、制定計(jì)劃教學(xué)能力、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)能力；最高分為表達(dá)交流教學(xué)能力，為50分。

3.理科教師探究教學(xué)實(shí)施能力的整體水平

測查的“理科教師能力-題目難度分布”如圖2所示，呈現(xiàn)了理科教師水平與測查工具難度客觀等距量尺圖形，顯示個(gè)體與試卷整體的綜合概況。軸線的左邊為理科教師能力水平分布，自下而上依次提高，軸線的右邊為測查題目，難度水平自下而上依次提高。從圖中可以看出，題目難度的主要跨度為-4～+4個(gè)logit值，從數(shù)值上將其分為四個(gè)區(qū)域，能夠代表理科教師探究教學(xué)實(shí)施能力的四個(gè)水平，將四個(gè)水平所對應(yīng)的題目組合，就分別代表理科教師在每一個(gè)水平所能達(dá)到的具體行為。相應(yīng)地，可以得出理科教師在課堂探究教學(xué)實(shí)施能力方面表現(xiàn)出如下四個(gè)水平：

處于“水平1”的理科教師在教學(xué)中能夠指導(dǎo)學(xué)生：系統(tǒng)地、精確地測量；確認(rèn)測量中誤差的可能性來源；交流數(shù)據(jù)和信息；交流科學(xué)結(jié)論和論點(diǎn)；考慮批評(píng)性意見和其他解釋并做出反應(yīng)。

處于“水平2”的理科教師在教學(xué)中能夠指導(dǎo)學(xué)生：基于化學(xué)知識(shí)和原理，發(fā)現(xiàn)并建構(gòu)明確的問題；選取合適的實(shí)驗(yàn)材料和工具(探測器、電子天平等)；按照設(shè)計(jì)程序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；系統(tǒng)觀察；重復(fù)實(shí)驗(yàn)，減小隨機(jī)誤差；使用圖和表格呈現(xiàn)信息；確認(rèn)和解釋意外的不一致的數(shù)據(jù)；根據(jù)證據(jù)和邏輯推理確立因果關(guān)系；使用數(shù)學(xué)關(guān)系解釋變量關(guān)系；批判性地思考證據(jù)，確定是否選擇了合適的證據(jù)進(jìn)行論證；檢驗(yàn)論證過程的邏輯性；交流科學(xué)過程和方法。

圖2 理科教師能力—題目難度分布圖

處于“水平3”的理科教師能夠指導(dǎo)學(xué)生：編寫科學(xué)的、以模型為中心的說明；評(píng)估、修改模型，以提高模型的解釋力，更好地適應(yīng)現(xiàn)有的證據(jù)；確定探究的方法，包括：實(shí)驗(yàn)、模型、實(shí)地調(diào)研、信息研究、二手資料；使用恰當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)技能；分析、推理證據(jù)的規(guī)律，通過歸納、演繹得出結(jié)論；構(gòu)造一個(gè)模型(物理模型、數(shù)學(xué)模型、概念模型)用以表征關(guān)系；評(píng)價(jià)結(jié)論和觀點(diǎn)的正確性和局限性；從科學(xué)的角度評(píng)估所使用的方法；從其他角度提出可能的解釋、結(jié)論和方法；提出需要進(jìn)一步解決的問題；口頭進(jìn)行探究實(shí)踐報(bào)告，并準(zhǔn)確地、有邏輯性地運(yùn)用語言；撰寫書面探究實(shí)踐報(bào)告。

處于“水平4”的理科教師能夠指導(dǎo)學(xué)生：解讀問題，把問題拆解，指向具體的研究對象；評(píng)估問題結(jié)構(gòu)、質(zhì)量與價(jià)值；基于觀察和所學(xué)科學(xué)知識(shí)進(jìn)行預(yù)測，建構(gòu)可驗(yàn)證的假設(shè)；建立簡單的模型(物理模型、數(shù)學(xué)模型等)來陳述現(xiàn)象或進(jìn)行預(yù)測；鑒別各種變量(自變量、因變量、控制變量)；設(shè)計(jì)有邏輯順序的實(shí)驗(yàn)步驟；使用統(tǒng)一測量尺度和記錄手法以消除系統(tǒng)誤差；利用現(xiàn)有技術(shù)和設(shè)備測定有一定精度要求的數(shù)據(jù)；用硬件(如計(jì)算機(jī))和軟件、電子資源收集和存儲(chǔ)信息；使用統(tǒng)計(jì)技術(shù)組織和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

4.理科教師探究教學(xué)實(shí)施能力所處水平

根據(jù)理科教師探究教學(xué)實(shí)施能力的logit值，能夠分別找出其在不同探究教學(xué)實(shí)施能力水平上的分布，如表4所示。

表4 理科教師探究教學(xué)實(shí)施能力的水平分布

在129名理科教師中，有14.7%的理科教師探究教學(xué)實(shí)施能力處于水平1，有70.5%的理科教師處于水平2，有14.7%的理科教師處于水平3，沒有理科教師達(dá)到水平4。

5.所處地區(qū)對理科教師探究教學(xué)實(shí)施能力的影響

為了考查理科教師所處地區(qū)對其探究教學(xué)實(shí)施能力的影響，做T檢驗(yàn)分析，如表5所示。結(jié)果表明，城市的理科教師探究教學(xué)實(shí)施能力略高于農(nóng)村理科教師，但兩者的Sig值為0.173，大于0.05，無顯著差異。

表5 農(nóng)村和城市理科教師探究教學(xué)實(shí)施能力T檢驗(yàn)

6.性別對理科教師探究教學(xué)實(shí)施能力的影響

為了考查性別對理科教師探究教學(xué)實(shí)施能力的影響，做T檢驗(yàn)分析，如表6所示。結(jié)果表明，男性理科教師的探究教學(xué)實(shí)施能力略高于女性，但兩者的Sig值大于0.05，無顯著差異。

表6 男性和女性理科教師探究教學(xué)實(shí)施能力T檢驗(yàn)

7.優(yōu)課等級(jí)對理科教師探究教學(xué)實(shí)施能力的影響

為了考查優(yōu)課等級(jí)對理科教師探究教學(xué)實(shí)施能力的影響，做多因素方差分析，如表7所示，數(shù)字1～5依次表示部優(yōu)、省優(yōu)、市優(yōu)、縣優(yōu)、一般等級(jí)。同時(shí)做了理科教師能力與優(yōu)課等級(jí)關(guān)系圖，如圖3所示。結(jié)果表明，隨著優(yōu)課等級(jí)的下降，理科教師的探究教學(xué)實(shí)施能力也隨之下降，一般等級(jí)課相對于縣優(yōu)課得分略有上升，但差異不大。具體來看，部級(jí)優(yōu)秀課的平均成績最高，其次是省優(yōu)課。盡管省優(yōu)與市優(yōu)課的理科教師探究教學(xué)實(shí)施能力差異不顯著，但以30分為界限，將等級(jí)3與等級(jí)4、5劃分在一起。由此可以得出結(jié)論：部優(yōu)課和省優(yōu)課理科教師的探究教學(xué)實(shí)施能力明顯高于其他等級(jí)的理科教師，且呈現(xiàn)顯著差異；市優(yōu)課、縣優(yōu)課、一般等級(jí)課理科教師的探究教學(xué)實(shí)施能力差異不大，其中市優(yōu)課理科教師的探究教學(xué)實(shí)施能力略高，一般等級(jí)課理科教師探究教學(xué)實(shí)施能力略高于縣優(yōu)課，但兩者差異不大。

表7 優(yōu)課等級(jí)對理科教師探究教學(xué)實(shí)施能力的多因素差異檢驗(yàn)

將顯示同類子集中的組均值。

a.將使用調(diào)和均值樣本大小8.585。

b.組大小不相等。將使用組大小的調(diào)和均值。將不足保證1類錯(cuò)誤級(jí)別。

圖3 教師探究教學(xué)能力與優(yōu)課等級(jí)的關(guān)系

四、研究啟示與建議

此次對遼寧省理科教師探究教學(xué)實(shí)施能力的測查在一定程度上能為基礎(chǔ)教育理科課程、教學(xué)和教師培訓(xùn)提供啟示。

(一)基礎(chǔ)教育課程標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)明晰科學(xué)探究的內(nèi)涵

教師在教學(xué)實(shí)踐之前，應(yīng)有足夠的理論作為指導(dǎo)。在現(xiàn)行的理科課程標(biāo)準(zhǔn)中，提出了八個(gè)過程性要素供教師參考，但沒有對每個(gè)要素進(jìn)行指示，例如，在指導(dǎo)學(xué)生提出問題時(shí)，是否應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生提出問題的角度，是否應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生甄別問題價(jià)值，是否應(yīng)該指導(dǎo)學(xué)生準(zhǔn)確地表述問題等，沒有做出具體的闡述，導(dǎo)致理科教師在設(shè)置探究教學(xué)時(shí)，沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)不夠深入?？茖W(xué)探究二級(jí)要素能力的確定，進(jìn)一步明確了“探究能力是什么”。因此，在課程標(biāo)準(zhǔn)中，應(yīng)在“科學(xué)探究”概念的基礎(chǔ)上，提出科學(xué)探究的二級(jí)要素，明確其操作步驟和要點(diǎn)，并給出完整的探究教學(xué)范例，便于理解和遷移。同時(shí)，在理科教科書中，探究性欄目應(yīng)在科學(xué)探究的二級(jí)要素上設(shè)置活動(dòng)，以此保障理科教師能夠更加精致地、創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)教學(xué)，有效地指導(dǎo)學(xué)生完成探究過程。

(二)理科教師探究教學(xué)實(shí)施能力應(yīng)向更高水平邁進(jìn)

由前文所界定的探究教學(xué)實(shí)施能力的四個(gè)水平可以看出，水平1是教師針對實(shí)驗(yàn)測量和交流結(jié)果等少數(shù)幾個(gè)探究二級(jí)要素對學(xué)生進(jìn)行局部性的指導(dǎo)，探究的過程多為教師完成，開放度??；水平2和水平3是教師針對更多的探究二級(jí)要素進(jìn)行指導(dǎo)，對二級(jí)能力要素的雕琢更加具體和精致，實(shí)踐性更強(qiáng)；水平4是教師加深了對學(xué)生思維性的指導(dǎo)，并且開放度增大，現(xiàn)代化教育技術(shù)的應(yīng)用程度也增大。目前大部分教師處于水平1～水平2，因此，理科教師在實(shí)施探究教學(xué)時(shí)，應(yīng)在主體性、深刻性、創(chuàng)造性上向更高的水平邁進(jìn)。

(三)對理科教師培訓(xùn)的建議

1.促進(jìn)理科教師從探究教學(xué)觀念向行為轉(zhuǎn)變

課程改革將近二十年，探究教學(xué)已經(jīng)深入理科教師觀念，但尚未在行動(dòng)上全面落實(shí)，多數(shù)教師由于各種因素而回避探究教學(xué)方式。反觀“部優(yōu)課和省優(yōu)課理科教師的探究教學(xué)實(shí)施能力強(qiáng)”這個(gè)結(jié)論，也說明，探究教學(xué)實(shí)施能力越強(qiáng)的教師，整體教學(xué)能力也越強(qiáng)。因此，在理科教師培訓(xùn)中，還需要完善課程模式，選擇有效的培訓(xùn)內(nèi)容，提供真實(shí)的案例，并鼓勵(lì)教師在培訓(xùn)過程中進(jìn)行實(shí)踐訓(xùn)練和展示，采取“理論引領(lǐng)+范例分析+實(shí)踐反思+評(píng)比提升”的學(xué)習(xí)模式，提供探究教學(xué)專項(xiàng)比賽，使培訓(xùn)方式多樣化，有效地使理科教師從探究教學(xué)觀念向行為轉(zhuǎn)變。

2.強(qiáng)化理科教師探究教學(xué)設(shè)計(jì)能力

探究教學(xué)設(shè)計(jì)決定了探究教學(xué)的具體實(shí)施，兩者是相輔相承、相互促進(jìn)的。因此，在探究教學(xué)內(nèi)容選擇、資源開發(fā)、探究問題和教學(xué)情境創(chuàng)設(shè)方面，為教師提供更好的內(nèi)容和策略，強(qiáng)化探究教學(xué)設(shè)計(jì)能力。

3.鼓勵(lì)理科教師開展探究教學(xué)行動(dòng)研究

通過探究教學(xué)行動(dòng)研究，找出探究教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題，進(jìn)一步查閱資料或同行研討找出策略。一方面能夠使遇到的實(shí)際問題得以解決，另一方面，使教師對學(xué)生發(fā)展、對自身局限有深刻的了解，能夠不斷積累理論和實(shí)踐性經(jīng)驗(yàn)，增強(qiáng)教師探究教學(xué)的積極性和研究力，提高自身的科學(xué)探究教學(xué)實(shí)施能力。