物理學科背景下高中生科學論證能力測評研究

劉曉坤 胡象嶺

(曲阜師范大學物理學系，山東 曲阜 273165)

1 引言

近年來，論證在科學教育研究領域引發(fā)廣泛關注.《普通高中物理課程標準(2017年版)》將“科學論證”列為科學思維的基本要素，科學論證能力幫助學生更好地理解概念、促進推理能力以及批判性思維能力的發(fā)展.[1,2]論證能力的培養(yǎng)對物理核心素養(yǎng)的形成有著至關重要的作用.在教學中，了解學生科學論證能力所處的水平，是有針對性地培養(yǎng)學生科學論證能力的基礎.為此，有國內(nèi)研究者在科學情景下廣泛開展學生的科學論證能力測評研究.例如，鄧陽基于化學學科背景，設計書面和口語科學論證任務，評價被試在“主張”、“證據(jù)”、“理由”和“反證”4個要素上的表現(xiàn).[3]韓葵葵基于Toulmin論證模式，設計了“鐵釘生銹”、“化學，我該不該愛你”、“黃金糧食”、“動物趨性”、“溫室效應”、“萬能的抗生素”6個論證任務對被試科學論證能力展開測評.[4]在物理學科背景下，鄭穎依據(jù)SOLO理論劃分了物理科學論證能力的認知表現(xiàn)層次.[5]陳穎評價被試在“觀點”、“事實證據(jù)”、“理論依據(jù)”、“推理過程”和“反駁”5個要素上的表現(xiàn).[6]以上研究設計了18個論證項目，部分項目所涉及的物理知識對初入高中的學生尚有難度.能力測試應盡量避免未知知識對結果造成的影響，同時降低項目難度才能更好地對處于高中各階段的學生展開測量.本研究關注被試論證時物理概念的運用情況以及使用證據(jù)的特征和進行推理的能力，過多的項目不利于學生對問題情境展開充分論述，應對問題情境的數(shù)量加以控制.因此，本文在已有研究的基礎上，構建評價框架、設計評價工具，對高中生的科學論證能力展開測量與評價.

2 研究設計

2.1 評價框架設計

科學教育領域分析論證時常常基于圖爾明論證模式(Toulmin Argument Pattern，簡稱TAP).圖爾明認為數(shù)據(jù)(Data)、主張(Claim)、正當理由(Warrant)、支持(Backing)、限制條件(Qualifiers)和反駁(Rebuttal)6個要素組成論證，出現(xiàn)更多的結構要素意味著具有更高水平的科學論證能力.[7]這種評價方式僅關注結構要素的多少，不關注各要素如何連接在一起，也不關注內(nèi)容是否表述準確，可以擺脫情境依賴，具有廣泛適用性.然而，僅憑借單一指標并不能夠全面地評價論證質量，還應從結構(Structure)、正當性(Justification)和內(nèi)容(Content)對論證進行評估和描述.[8]

基于此，N. Brown設計了如圖1所示的“證據(jù)使用框架(Using Evidence Framework)”.[9]與圖爾明論證模式不同，“證據(jù)使用框架”中包含“要素”和“流程”兩類信息.其中，“要素”共有5個：主張(Claim)和數(shù)據(jù)(Data)這兩個要素與圖爾明論證模式中含義相同；前提(Premise)、規(guī)則(Rule)、證據(jù)(Evidence)分別對應于圖爾明論證模式中的限制條件(Qualifiers)、正當理由(Warrant)和支持(Backing).“流程”體現(xiàn)的是論證過程中的推理過程，共有3個：應用(Application)是規(guī)則(Rule)在前提(Premise)所描述的特定情況下發(fā)揮作用的過程；解釋(Interpretation)是比較和整合多個證據(jù)(Evidence)的過程；分析(Analysis)是對多個數(shù)據(jù)(Data)進行比較、整合的過程.[10]該框架強調(diào)使用證據(jù)進行推理在論證過程中的重要性，推理過程是否合乎邏輯，是衡量論證是否有效的重要標準.[11]

圖1 證據(jù)使用框架

應用“證據(jù)使用框架”在物理學科背景下進行論證時，物理“概念”是基礎；可靠的“證據(jù)”是得到主張的前提，精確的“規(guī)則”是證據(jù)與主張連接的橋梁；有效的“推理”是論證的關鍵.因此，本研究將科學論證能力解構為“概念復雜性”、“規(guī)則精確性”、“證據(jù)可靠性”、“推理有效性”4個維度.其中，“概念復雜性”評價的是被試在特定的問題情境中調(diào)用相關知識進行論證的能力.在這一維度，依據(jù)郭玉英等設計的概念復雜度模型，劃分為“關聯(lián)”、“系統(tǒng)”、“整合”3個水平；[12]“規(guī)則精確性”維度依據(jù)規(guī)則表述的精確程度，劃分為“模糊”、“不準確”和“精確”3個水平；“證據(jù)可靠性”旨在評價被試在科學論證中引用證據(jù)的能力.在這一維度，依據(jù)證據(jù)的數(shù)量與相關充分性劃分了從“沒有證據(jù)或是無效的證據(jù)”到“一個以上有效的證據(jù)”3個水平；“推理有效性”檢驗將規(guī)則與主張聯(lián)系起來的推理的質量.在這一維度，依據(jù)推理的復雜程度劃分為從“在證據(jù)和觀點之間建立直接聯(lián)系”到“在證據(jù)和觀點之間建立科學的邏輯關系鏈”3個水平.

2.2 評價工具設計

在評價框架的基礎上設計科學論證能力測試題.為了避免因未知知識對論證能力造成的影響，題目情境涉及到的知識應是被試學過的、熟悉的物理學科核心概念和重要內(nèi)容.因此，依據(jù)《義務教育物理課程標準》和《普通高中物理課程標準(2017年版)》的學業(yè)要求，確定了以力與運動、磁現(xiàn)象、物態(tài)變化等作為問題情境的知識載體，設計了5個書面論證任務.由于篇幅限制，僅列舉情境1具體的題目設計.

情境1：跳傘者從500 m高的飛機上跳下，下落125 m時將傘打開.表1為跳傘過程中距地高度與速度對照表：(重力加速度，g=10 m/s2)

表1 距地高度與速度對照表

小趙和小錢看到上述資料后，各自對跳傘的過程提出了自己的看法：

小趙說：跳傘的過程中，所受到合力的方向一直是向下的.

小錢說：跳傘者開傘后，一直有受到重力的影響.

1a. 依據(jù)上述資料，你認為小趙和小錢誰的說法是合理的？說明你同意他的觀點的理由.并通過表格提供的數(shù)據(jù)詳細分析跳傘者的運動情況，說明你將如何反駁你不同意的觀點.

1b. 小孫說：“跳傘者是因為受到了力的作用才得以運動，如果沒有力就不動了”.因此，小孫以此為證據(jù)，得出“力是維持物體運動的原因，即有力有運動，沒力沒運動”.你同意小孫的觀點嗎?若同意請說明理由，若不同意請通過列舉實例詳細說明你將如何反駁小孫.

隨后，依據(jù)科學論證能力評價框架，設計了針對每道題目的評分標準.對于情境1-4的每個問題均分別從“概念復雜性”、“規(guī)則精確性”、“證據(jù)可靠性”和“推理有效性”4個維度進行評價.情境5以“CO2排放量與地球溫度的關系”這一熱點話題作為問題情境，由于社會科學議題更關注問題背后蘊含的倫理道德問題.因此，不對情境5中的問題進行“概念復雜性”維度評分.具體評分標準以題目1a為例進行說明，如表2所示.

表2 題目1a評分標準設計

續(xù)表

2.3 研究對象

為檢驗擬定評價工具的有效性，進行了兩輪實測.第1輪實測，從山東省Z中學高一年級隨機抽取一個班的學生作為測試對象，實測50人，收回有效問卷44份；第2輪實測263人，回收有效問卷250份，兩輪實測樣本信息如表3所示.Z中學生源豐富，學生群體之間存在著一定的差異，而且被試已學完測試題中所涉及的全部知識，可以作為本次測試的研究對象.

表3 兩輪實測樣本信息

3 研究結果

3.1 評價工具質量檢驗

在潛在特質理論基礎之上建立的項目反應理論，克服經(jīng)典測量理論中測試工具依賴和樣本依賴，具有“參數(shù)分離”、“參數(shù)恒定”的特點.[13,14]個體能力值和題目難度值經(jīng)Rasch模型共同轉化為logit scale單位，這樣就可以在同一單維度尺上進行比較.[13]在這種情況下，個體能力值和題目難度值的取值范圍為負無窮到正無窮，有效避免經(jīng)典分數(shù)極值是0或100的問題，能夠更好地區(qū)分高、低水平被試之間表現(xiàn)的差異.考慮到Rasch模型具有上述優(yōu)勢，選擇其作為本研究的數(shù)據(jù)分析模型，使用Winsteps軟件檢驗數(shù)據(jù).針對第1輪實測數(shù)據(jù)指標，對評價工具進行有針對性地修改，修改后再進行實測，直到各個指標均達理想值.本研究共進行兩輪實測，數(shù)據(jù)結果如表4所示.

表4 科學論證能力兩輪實測數(shù)據(jù)結果

可見，經(jīng)過修改后的評價工具各個指標體現(xiàn)良好特征.意味著設計的科學論證能力評價工具可以用來測量、評價被試的科學論證能力.

3.2 科學論證能力表現(xiàn)分析

使用SPSS軟件分析全體被試科學論證能力測試logit分，表5是被試得分描述性統(tǒng)計數(shù)據(jù)，圖2是科學論證能力測試得分頻率分布直方圖.

表5 科學論證能力測試得分描述性統(tǒng)計

圖2 科學論證能力測試logit分數(shù)分布直方圖

由表5可知，被試的科學論證能力測試得分全距為9.33，標準差為1.29，被試科學論證能力水平分布廣，差異顯著；得分均值為1.08，均值標準誤為0.08，測量數(shù)據(jù)具有較高的可信度.圖2顯示被試科學論證能力測試得分大致呈正態(tài)分布，說明大多數(shù)被試的科學論證能力處于中等水平.

為了解被試在科學論證能力不同維度上的表現(xiàn)，統(tǒng)計被試在各維度得分率情況，結果如表6所示.

表6 科學論證能力不同維度得分率描述性統(tǒng)計

不難發(fā)現(xiàn)，全體被試在“規(guī)則精確性”和“推理有效性”維度得分率相當，且高于“概念復雜性”和“證據(jù)可靠性”維度，“概念復雜性”維度得分率最低.意味著在科學論證能力測試中，被試對規(guī)則表述精確，且能夠基于證據(jù)進行合理、有效的推理得到結論，但是并不能很好地聯(lián)系多個概念，解決特定的物理問題.

3.3 科學論證能力與性別的關系

為了探討不同性別被試科學論證能力的差異，對不同性別被試科學論證能力進行獨立樣本T檢驗，結果如表7所示.

表7 科學論證能力總分及各維度得分率的性別差異

表7可以看出，男生被試在科學論證能力4個維度的得分率均略高于女生.其中，“概念復雜性”和“規(guī)則精確性”這兩個維度得分率的性別差異最為明顯，“推理有效性”維度得分率的性別差異最小.對于科學論證能力測試得分，男生均值為1.0929，女生均值為1.0405.可見，男生比女生的科學論證能力稍高，但是差異微小.經(jīng)檢驗，不同性別被試科學論證能力不存在顯著性差異.

3.4 物理學業(yè)成就與科學論證能力相關分析

為了探討科學論證能力及不同維度得分率與物理學業(yè)成就之間的關系，對數(shù)據(jù)進行二元變量相關性分析，具體結果如表8所示.其中，物理成績數(shù)據(jù)采用的是被試在高一下學期期中考試的物理成績，處于該階段的被試已學完本研究所設計測試工具包含的所有知識.而且，期中考試是一次較大規(guī)模的規(guī)范性考試，具有一定代表性.

表8 科學論證能力及其各維度得分率與物理學業(yè)成就的相關性

從表8可以看出：全體、男生、女生被試在科學論證能力各維度與物理學業(yè)成就之間均呈現(xiàn)顯著相關性.不同維度與物理學業(yè)成就的相關性，全體被試在“概念復雜性”維度相關性最高(r=0.598,p<0.01)，“證據(jù)可靠性”維度相關性最低(r=0.537,p<0.01)；男生被試在“概念復雜性”維度相關性最高(r=0.599,p<0.01)，“規(guī)則精確性”維度相關性最低(r=0.425,p<0.01)；女生被試在“推理有效性”維度相關性最高(r=0.618,p<0.01)，在“證據(jù)可靠性”維度相關性最低(r=0.555,p<0.01).

可見，科學論證能力4個維度均與物理學業(yè)成就顯著相關，對于物理學業(yè)成就的影響，男生被試“概念復雜性”維度影響最大，女生被試“推理有效性”維度影響最大.總的來看，科學論證能力與物理學業(yè)成就呈現(xiàn)顯著正相關(r=0.595,p<0.01)，被試科學論證能力越高，越可能獲得更高的物理學業(yè)成就.女生被試科學論證能力與物理學業(yè)成就的相關性大于男生被試，說明科學論證能力對物理學業(yè)成就的影響因性別不同而不同.

為進一步考察科學論證能力對物理學業(yè)成就的預測情況，對數(shù)據(jù)進行一元線性回歸分析，其中，將科學論證能力作為自變量，學業(yè)成就作為因變量.經(jīng)分析得到一元回歸系數(shù)為7.072(t=7.409,p<0.01)，測定系數(shù)為0.348.說明科學論證能力對物理學業(yè)成就具有顯著的預測性，可以解釋物理成績變異的34.8%.

4 討論

4.1 被試科學論證能力表現(xiàn)

以往針對初、高中生以及大學生開展科學論證能力的測評研究的相關文獻指出：我國學生的科學論證能力普遍較弱.[3]本研究發(fā)現(xiàn)，科學論證能力處于中等水平的被試占到全體被試的大多數(shù).其中，被試在“規(guī)則精確性”和“推理有效性”這兩個維度表現(xiàn)較好，“概念復雜性”這一維度表現(xiàn)較差.說明被試在本次測試中，能夠精確地表述將“證據(jù)”與“觀點”聯(lián)結的“規(guī)則”，“推理”嚴謹且有邏輯.但是，不能深入地挖掘題目情境背后蘊含的知識，致使在作答中不能很好地整合多個物理“概念”.這啟發(fā)我們，在教學中，學生學習了某個新知識后，應及時地幫助其梳理相關知識之間的聯(lián)系，辨析相近概念和相似概念，幫助學生形成完整的物理知識網(wǎng)絡，從而加強在科學論證能力“概念復雜性”這一維度的表現(xiàn).

4.2 科學論證能力的性別差異

關于性別對科學論證能力的影響，有研究者在物理學科背景下研究科學論證能力時發(fā)現(xiàn)初中生的科學論證能力與性別之間不存在相關性.[15]也有基于化學學科的科學論證能力實證研究發(fā)現(xiàn)中學生的科學論證能力存在著顯著的性別差異，其中初中階段女生的科學論證能力明顯高于男生；高中階段男生的科學論證能力明顯高于女生.[4]本研究發(fā)現(xiàn)，高中階段男生相較于女生，在科學論證能力各維度表現(xiàn)較好，在測試中得分也略高，但是不同性別被試科學論證能力并不存在統(tǒng)計學上的差異(t=0.312,p>0.05).造成研究結果差異的原因可能與選取的學科背景有關，也可能與選取的樣本有關，科學論證能力是否與性別有關值得進一步探究.

4.3 物理學業(yè)成就與科學論證能力

大量研究證明科學論證能力與學業(yè)成就二者有顯著的相關性.本研究發(fā)現(xiàn)：科學論證能力與物理學業(yè)成就之間存在著顯著相關性(r=0.595,p<0.01)，女生被試科學論證能力與物理學業(yè)成就的相關性大于男生被試.科學論證能力各維度與物理學業(yè)成就均呈現(xiàn)顯著相關性，其中“概念復雜性”維度與物理學業(yè)成就相關性最高，“證據(jù)可靠性”維度與物理學業(yè)成就相關性最低.這意味著如果學生在論證時能夠調(diào)用復雜的物理知識，那么他在物理測試中同樣會有較好的表現(xiàn).同時，研究發(fā)現(xiàn)，科學論證能力能解釋物理成績變異的34.8%.雖然影響物理成績的原因眾多，科學論證能力對物理學業(yè)成就具有顯著的預測性.總的來看，培養(yǎng)學生的科學論證能力可以有效提高物理成績.對于科學論證能力的培養(yǎng)，可以在日常的教學中顯化科學論證的結構要素.可以進行論證式教學，也可以通過向學生展示“圖爾明論證框架”和“證據(jù)使用框架”，說明框架中每個結構要素的含義，介紹應用框架進行論證的方法和基于證據(jù)進行論證的重要性.在此基礎上，學生才能更好地應用教師在教學中所使用的論證方式，有意識地培養(yǎng)科學論證能力.

5 結論

本研究結果顯示：設計的科學論證能力評價工具信度、效度和區(qū)分度良好；實測結果和模型擬合良好，試題具有單維性特征，均考察的是科學論證能力；評分分檔設置也較為合理，能夠較好地區(qū)分被試在各試題上表現(xiàn)的差異.因此，本研究所設計的科學論證能力評價工具科學、有效.通過分析對高中生科學論證能力實證研究的結果，得到如下結論： (1) 大多高中生的科學論證能力處于中等水平，被試在“規(guī)則精確性”和“推理有效性”這兩個維度表現(xiàn)較好，“概念復雜性”這一維度表現(xiàn)較差. (2) 不同性別被試科學論證能力不存在顯著性差異(t=0.312,p>0.05).(3) 科學論證能力與物理學業(yè)成就之間存在著顯著相關性 (r=0.595,p<0.01).不同性別被試的科學論證能力對學業(yè)成就的影響不同.科學論證能力能解釋物理成績變異的34.8%.