寧夏大學(xué)理工科學(xué)生科學(xué)推理能力調(diào)查實(shí)證分析*——以物理與電子電氣工程學(xué)院大一學(xué)生為例

袁 倩 李佳妮 楊曉梅

(寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院 寧夏 銀川 750021)

1 引言

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》[1]指出，要充分體現(xiàn)物理學(xué)科對(duì)提高學(xué)生核心素養(yǎng)的獨(dú)特作用，為學(xué)生終身發(fā)展、應(yīng)對(duì)現(xiàn)代和未來社會(huì)發(fā)展的挑戰(zhàn)打下基礎(chǔ)，因此提出了包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個(gè)方面的物理核心素養(yǎng).科學(xué)推理能力作為科學(xué)思維的二級(jí)指標(biāo)，與科學(xué)探究緊密關(guān)聯(lián)，是我國核心素養(yǎng)教育追求的重要內(nèi)容.

科學(xué)推理能力最早是由兒童心理學(xué)家皮亞杰在其認(rèn)知發(fā)展理論中提出的，他認(rèn)為“科學(xué)推理”分為假設(shè)-演繹推理和若干子推理模式.文獻(xiàn)[2]確立了中學(xué)生和大學(xué)生的科學(xué)推理包括6個(gè)維度，分別是守恒推理、比例推理、控制變量推理、相關(guān)推理、概率推理、假設(shè)演繹推理.文獻(xiàn)[3]認(rèn)為科學(xué)推理一般包括系統(tǒng)地探索問題、提出和檢驗(yàn)假設(shè)、操縱和分離變量以及觀察和評(píng)估結(jié)果的能力.

本文旨在研究大一學(xué)生科學(xué)推理能力，分析學(xué)生高中階段科學(xué)推理能力的培養(yǎng)結(jié)果，針對(duì)當(dāng)前理工科學(xué)生科學(xué)推理能力培養(yǎng)現(xiàn)狀中的問題與不足，給中學(xué)物理教師修正教學(xué)策略提供參考，幫助一線教師完善教學(xué)模式，同時(shí)勉勵(lì)大一學(xué)生在大學(xué)學(xué)習(xí)中重視科學(xué)推理能力的提升.

2 測(cè)量分析

2.1 測(cè)量工具

美國學(xué)者Lawson在CTFR-78測(cè)量工具的基礎(chǔ)上進(jìn)行修訂與完善，制定了LCTSR問卷，并于 2000年正式推行科學(xué)推理課堂測(cè)試卷，簡(jiǎn)稱 LCTSR 2000，該套試卷共計(jì)24道選擇題，分別從質(zhì)量與體積守恒推理、比例推理、控制變量推理、概率推理、相關(guān)推理和假設(shè)演繹推理6個(gè)方面測(cè)量學(xué)生的科學(xué)推理能力，測(cè)量的各個(gè)能力維度題目分布如表1所示.

表1 LCTSR 2000 測(cè)試卷能力維度表

LCTSR 2000中文版的24道選擇題分為12個(gè)科學(xué)情境，每組情境中的兩個(gè)問題分別設(shè)置為推理結(jié)果和推理結(jié)果的原因，因此本套試卷有兩種評(píng)分方法：獨(dú)立評(píng)分和成對(duì)評(píng)分.本研究采用獨(dú)立評(píng)分法.

對(duì)于每一個(gè)問題，當(dāng)被試回答正確得分為1分，回答錯(cuò)誤得分為0分.整張?jiān)嚲淼姆謹(jǐn)?shù)是該試卷中每個(gè)題目表現(xiàn)的總和，滿分為24分.

2.2 研究樣本

理工科大學(xué)一年級(jí)學(xué)生剛剛經(jīng)歷了高中思維訓(xùn)練，能運(yùn)用假設(shè)和推理去解決脫離具體和當(dāng)前事物的觀察所提出的有關(guān)命題[4].因此，對(duì)于理工科大一學(xué)生進(jìn)行科學(xué)推理水平測(cè)試，能夠很好地反映中學(xué)物理教學(xué)優(yōu)勢(shì)與不足.該測(cè)試為紙筆測(cè)試，選取寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院全體大一學(xué)生共300人為研究對(duì)象，回收有效數(shù)據(jù)263份，被試者信息如表2所示.收集數(shù)據(jù)并整理，運(yùn)用SPSS23軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)學(xué)生的科學(xué)推理能力水平展開分析.

表2 被試者有效信息分布

3 研究結(jié)果分析

3.1 測(cè)試卷可行性分析

3.1.1 內(nèi)在一致性信度分析

3.1.2 結(jié)構(gòu)效度分析

運(yùn)用SPSS做效度分析最理想的方法是進(jìn)行因子模型適應(yīng)性分析，測(cè)量整個(gè)問卷的結(jié)構(gòu)效度，只有當(dāng)KMO檢驗(yàn)系數(shù)大于0.5，Bartlett球形度檢驗(yàn)P值小于0.05時(shí)，問卷才有結(jié)構(gòu)效度.本次科學(xué)推理測(cè)試結(jié)果的因子分析如表3所示，學(xué)生科學(xué)推理能力的KMO值為0.652，且顯著性水平值為0.000，顯著性水平通過了Bartlett球形度檢驗(yàn)，說明本次科學(xué)推理能力測(cè)試具有良好的效度，適合進(jìn)一步分析.

表3 學(xué)生科學(xué)推理能力KMO和Bartlett的檢驗(yàn)

3.1.3 測(cè)試卷的難度

以全體被試得分率為難度系數(shù)的方法來計(jì)算試題的難度，如果一個(gè)題目的難度越大，被試得分的可能性越小，難度系數(shù)就越小.計(jì)算所有試題難度系數(shù)并將難度系數(shù)表繪制成難度系數(shù)柱狀圖，如圖1所示.

圖1 科學(xué)推理試題難度系數(shù)圖

測(cè)試題難度指數(shù)分布在0.35至0.65之間為宜，所有試題的難度系數(shù)的平均值最好在0.5左右，這樣既可以保證測(cè)驗(yàn)對(duì)被試有較大的鑒別力，又可以使測(cè)試的難度適中[5].由科學(xué)推理試題難度系數(shù)表和難度系數(shù)圖，以0.35和0.65為界，簡(jiǎn)單、適中和較難試題的比例為5∶11∶8，經(jīng)計(jì)算，所有科學(xué)推理測(cè)試題的難度系數(shù)平均值為0.56，表明該測(cè)試卷對(duì)于被試難度適中.

3.1.4 測(cè)試卷的區(qū)分度

采用“高低分組法”計(jì)算區(qū)分指數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表4所示.

表4 科學(xué)推理試題的區(qū)分度

根據(jù)題目區(qū)分度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[6]，具體如表5所示，無必修淘汰或修改的題目，題目優(yōu)良、合格和尚可的比例為15∶7∶2，表明本試題對(duì)選取樣本團(tuán)體區(qū)分度良好，適用于測(cè)量學(xué)生科學(xué)推理能力.

表5 題目區(qū)分度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3.2 科學(xué)推理能力得分情況分析

3.2.1 科學(xué)推理能力表現(xiàn)

對(duì)被試得分進(jìn)行正態(tài)分布擬合，如圖2所示.

圖2 科學(xué)推理測(cè)試學(xué)生得分頻數(shù)分布直方圖

從圖中可以讀出，本次測(cè)試成績分布符合正態(tài)分布，最高分與最低分之間相差23分，個(gè)體之間科學(xué)推理能力差距較大，個(gè)體發(fā)展不平衡.總體上看，學(xué)生得分呈現(xiàn)中間多兩邊少的趨勢(shì)，得分集中分布在8～18分，測(cè)試成績?yōu)?4分的學(xué)生最多，大部分學(xué)生的科學(xué)推理能力還有待提升.

3.2.2 各維度得分情況

由于各維度的分值不同，各維度進(jìn)行比較之前，需要進(jìn)行歸一化處理，即對(duì)每個(gè)維度的得分都取平均值，將每個(gè)維度能力得分的平均值除以該維度題目的總分.對(duì)各維度的均值和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行計(jì)算以分析被試在科學(xué)推理能力各個(gè)維度上的表現(xiàn)情況，計(jì)算結(jié)果如表6所示.

表6 學(xué)生科學(xué)推理能力各維度的均值和標(biāo)準(zhǔn)差

被試6個(gè)維度的標(biāo)準(zhǔn)差都較大，說明在各維度被試之間都存在較大差異.為了直觀地展示學(xué)生各維度的發(fā)展，對(duì)歸一化結(jié)果用雷達(dá)圖表示，如圖3所示.

圖3 被試各維度科學(xué)推理能力雷達(dá)圖

被試的科學(xué)推理能力在各個(gè)維度上發(fā)展并不均衡，不同維度科學(xué)推理能力之間的跨度較大，質(zhì)量和體積守恒答對(duì)的人數(shù)最多，控制變量推理答對(duì)得人數(shù)最少.對(duì)比文獻(xiàn)[7]中美大學(xué)生科學(xué)推理能力的結(jié)論(圖4)可以發(fā)現(xiàn)，理工科大學(xué)生更擅長守恒推理，控制變量推理較弱.

圖4 中美大學(xué)生分維度科學(xué)推理能力對(duì)比

選取得分低于平均分的學(xué)生，進(jìn)行歸一化處理并繪制雷達(dá)圖，和全體學(xué)生各維度歸一化處理的結(jié)果進(jìn)行比較，如圖5所示.低分段學(xué)生在控制變量推理和概率推理能力上處于較低水平，和平均水平相比，概率推理和假設(shè)演繹推理水平還有較大的差距.

圖5 低分段學(xué)生和全體學(xué)生各維度科學(xué)推理能力對(duì)比

3.2.3 科學(xué)推理能力與各因素之間的相關(guān)分析

(1)科學(xué)推理能力總分及各維度得分的性別差異

對(duì)男生和女生的科學(xué)推理成績進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，結(jié)果如表7所示.

表7 獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)

從表7可以看出，男生、女生科學(xué)推理能力顯著性(雙尾)值為0.912>0.05，可見科學(xué)推理能力和性別這一因素?zé)o關(guān).

進(jìn)一步對(duì)男女在科學(xué)推理能力各個(gè)子維度的表現(xiàn)作雷達(dá)圖進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示.

圖6 男女科學(xué)推理各維度能力雷達(dá)圖

綜上，雖然男女科學(xué)推理能力總體上沒有太大的差異，但是通過雷達(dá)圖可以直觀地看出，在相關(guān)推理能力上，女生明顯優(yōu)于男生，在假設(shè)演繹推理能力上，男生更占優(yōu)勢(shì).

文獻(xiàn)[8]在探討中美大學(xué)生科學(xué)推理能力的性別差異中發(fā)現(xiàn)，中美大學(xué)生的科學(xué)推理能力都存在性別差異，并且男生的科學(xué)推理能力要高于女生.不同的是本研究未發(fā)現(xiàn)不同性別被試在科學(xué)推理能力上有顯著性差異，對(duì)于科學(xué)推理能力的不同維度，相對(duì)而言女生更擅長相關(guān)推理，男生更擅長假設(shè)演繹推理.這種不同可能與樣本的選取有關(guān)，具體還有待進(jìn)一步研究.

(2)科學(xué)推理能力總分及各維度得分的民族差異

將來自不同民族的學(xué)生分為漢族和少數(shù)民族，對(duì)民族是否是影響科學(xué)探究能力的因素進(jìn)行研究，結(jié)果如表8所示.

表8 不同民族獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)

根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，萊文方差等同性檢驗(yàn)顯著性為0.684，大于0.05，接受等方差假設(shè)，平均值等同性t檢驗(yàn)顯著性(雙尾)值為0.065>0.05，說明漢族和少數(shù)民族科學(xué)被試者推理能力總分的平均值不存在顯著性差異.

作不同民族被試各能力維度雷達(dá)圖，并對(duì)不同民族在各個(gè)維度的得分進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，得到圖7和表9.可知漢族和少數(shù)民族只在比例推理能力上存在較為顯著性的差異，并且漢族被試的比例推理能力要高于少數(shù)民族的比例推理能力.

圖7 不同民族被試各能力維度雷達(dá)圖

表9 不同民族被試各維度的顯著性

(3)科學(xué)推理測(cè)試總分與課程成績之間的相關(guān)性

選取高考學(xué)生總分、理綜、數(shù)學(xué)、語文成績對(duì)被試的科學(xué)推理測(cè)試總分進(jìn)行了相關(guān)性分析，結(jié)果如表10所示，表中*表示在 0.05 級(jí)別(雙尾)相關(guān)性顯著，**表示在0.01級(jí)別(雙尾)相關(guān)性顯著.

表10 科學(xué)推理測(cè)試得分與課程成績的相關(guān)性

通過表格可知，被試課程成績和科學(xué)推理測(cè)試總分存在著低程度的正相關(guān)，說明科學(xué)推理成績對(duì)學(xué)生課程學(xué)習(xí)有一定的影響，同時(shí)課程成績高的學(xué)生會(huì)具有相對(duì)成熟的科學(xué)推理能力.

4 結(jié)論與建議

對(duì)LCTSR 2000中文版測(cè)試卷的測(cè)量學(xué)指標(biāo)檢查結(jié)果表明，該測(cè)試卷具有良好的整體信度、效度、難度和區(qū)分度，可用于測(cè)量學(xué)生的科學(xué)推理能力，通過分析，得到以下有益結(jié)論.這幾點(diǎn)結(jié)論對(duì)提升學(xué)生的科學(xué)推理能力大有幫助.

4.1 理工科學(xué)生不同維度科學(xué)推理能力發(fā)展不均衡

就學(xué)生科學(xué)推理各維度的能力來看，質(zhì)量與體積守恒推理水平發(fā)展最高，這與當(dāng)前中學(xué)物理教學(xué)重視將結(jié)果性的知識(shí)(如概念、規(guī)律等)直接傳授給學(xué)生的教學(xué)模式緊密關(guān)聯(lián)[9]，出乎意料的是，在控制變量推理方面，理工科學(xué)生表現(xiàn)得不盡人意，學(xué)生從初中開始，就已經(jīng)開始接觸控制變量法，在高中物理學(xué)習(xí)中，控制變量法更是滲透在大部分物理實(shí)驗(yàn)中，但是一些教師為了節(jié)省時(shí)間，實(shí)驗(yàn)步驟、現(xiàn)象等直接通過課件展示，讓學(xué)生背實(shí)驗(yàn)步驟、現(xiàn)象等，隨后與理論知識(shí)一樣通過相關(guān)習(xí)題反復(fù)練習(xí)得以鞏固[10]，非常不利于各維度科學(xué)推理能力的培養(yǎng).因此在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)結(jié)論的形成過程.

尤其本次測(cè)試顯示低分段學(xué)生的科學(xué)推理能力，在概率推理和假設(shè)演繹推理能力上與各維度平均能力相比差距較大，因此在高中物理教學(xué)中，教師應(yīng)帶領(lǐng)學(xué)生關(guān)注物理原理或定律得出的過程與方法，引導(dǎo)學(xué)生自主依靠理論推導(dǎo)出一些具體的結(jié)論，打破思維定式，最終讓學(xué)生能夠輕松自如地運(yùn)用概率推理和假設(shè)演繹推理來解決遇到的常識(shí)性問題和復(fù)雜類問題.

4.2 寧夏地區(qū)比例推理能力的教學(xué)有待提升

不同民族被試的科學(xué)推理能力不存在顯著性差異，但是在比例推理維度，漢族的學(xué)生明顯優(yōu)于少數(shù)民族.寧夏大學(xué)少數(shù)民族的學(xué)生大多來自寧夏地區(qū)，因此對(duì)于寧夏地區(qū)的物理教學(xué)，要重視驗(yàn)證性、探究性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，幫助學(xué)生理解概念與概念、規(guī)律與規(guī)律之間的具體關(guān)聯(lián)[11].教師理應(yīng)將教學(xué)中心轉(zhuǎn)移到過程、方法和思維的訓(xùn)練上，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理能力，提高學(xué)生的科學(xué)推理能力.

4.3 在物理教學(xué)中落實(shí)核心素養(yǎng) 提升科學(xué)推理能力

能力與知識(shí)是相互促進(jìn)、共同發(fā)展的，知識(shí)的獲得與記憶需要科學(xué)推理能力的支撐.但是文獻(xiàn)[12]在跨文化比較內(nèi)容知識(shí)的學(xué)習(xí)與科學(xué)推理能力的培養(yǎng)中表明中學(xué)物理內(nèi)容知識(shí)對(duì)我國學(xué)生的科學(xué)推理能力并沒有產(chǎn)生顯著的影響，本研究也表明學(xué)生的科學(xué)推理能力與課程成績存在低程度的相關(guān)性，由此看出，我國依然存在重視高分迎合高考的現(xiàn)象.隨著物理核心素養(yǎng)的推進(jìn)，怎樣在物理教學(xué)中落實(shí)核心素養(yǎng)，在解決問題中提高探究能力、增強(qiáng)實(shí)踐意識(shí)成為教師應(yīng)首先思考的問題.

科學(xué)推理能力是科學(xué)思維的重要組成部分，在科學(xué)探究的每個(gè)步驟中都有體現(xiàn)，利用探究式教學(xué)可以很好地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理能力，在物理課堂教學(xué)中堅(jiān)持學(xué)生的主體地位，以促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的發(fā)展為重心開展教學(xué)活動(dòng)，一步步引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成透過現(xiàn)象看本質(zhì)的意識(shí)，達(dá)到提升學(xué)生科學(xué)推理能力的目標(biāo).

4.4 大學(xué)學(xué)習(xí)主動(dòng)提升科學(xué)推理能力

文獻(xiàn)[13]表明，在大學(xué)學(xué)習(xí)中，科學(xué)推理能力弱的學(xué)生學(xué)習(xí)到的內(nèi)容更少，缺乏科學(xué)推理能力的學(xué)生對(duì)觀察到現(xiàn)象的成因難以理解，因此學(xué)生在進(jìn)入大學(xué)之后也應(yīng)重視科學(xué)推理能力的提升，敢于嘗試新事物，積極主動(dòng)思考，更好地適應(yīng)學(xué)習(xí)型社會(huì).