深度學(xué)習(xí)視角下小學(xué)生科學(xué)思維測(cè)評(píng)工具開發(fā)與核驗(yàn)

王定梅 陳名瑞

摘? ?要：科學(xué)思維是義務(wù)教育科學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，關(guān)注科學(xué)思維的評(píng)價(jià)對(duì)促進(jìn)小學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展具有重要意義?；谥R(shí)深度（Depth of? Knowledge）理論模型構(gòu)建了深度學(xué)習(xí)視角下的科學(xué)思維測(cè)評(píng)框架，并以“電磁鐵”為背景編制測(cè)評(píng)工具。經(jīng)過樣本施測(cè)和項(xiàng)目反應(yīng)理論Rasch模型的核驗(yàn)，證明測(cè)評(píng)工具符合模型預(yù)期，能夠區(qū)分不同科學(xué)思維能力水平的學(xué)生。

關(guān)鍵詞：深度學(xué)習(xí)；小學(xué)科學(xué)；科學(xué)思維；測(cè)評(píng)工具

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2023）5-0030-5

作為義務(wù)教育階段科學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展對(duì)于全面落實(shí)科學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)具有重要意義。為了解學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展情況，為教學(xué)改進(jìn)提出針對(duì)性意見，有效評(píng)價(jià)學(xué)生科學(xué)思維的價(jià)值不言而喻。國(guó)內(nèi)外大量學(xué)生科學(xué)思維評(píng)價(jià)研究中，針對(duì)中學(xué)生和大學(xué)生的評(píng)價(jià)研究居多，而對(duì)有效測(cè)評(píng)小學(xué)生科學(xué)思維能力的研究較少。大量研究指出，科學(xué)思維前身在嬰兒時(shí)期就已出現(xiàn)［1］，而科學(xué)思維能力的顯著提高大致發(fā)生在小學(xué)階段前后［2］。因此，更有必要抓住學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期。如何挖掘小學(xué)階段學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展的聚焦點(diǎn)？如何進(jìn)行科學(xué)有效的科學(xué)思維測(cè)評(píng)？均是亟待解決的重要問題。在深度學(xué)習(xí)視角下，以知識(shí)深度（Depth of Knowledge）模型為理論基礎(chǔ)，構(gòu)建小學(xué)生科學(xué)思維能力評(píng)價(jià)模型，并據(jù)此開發(fā)小學(xué)生科學(xué)思維測(cè)評(píng)工具，然后用Rasch模型核驗(yàn)測(cè)評(píng)工具的科學(xué)性和有效性，以期為科學(xué)測(cè)評(píng)小學(xué)生的科學(xué)思維能力提供方法借鑒，助力小學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)的有效發(fā)展。

1? ? 理論依據(jù)

1.1? ? 深度學(xué)習(xí)視角下的科學(xué)思維

《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》指出，科學(xué)思維是從科學(xué)的視角對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式，主要包括模型建構(gòu)、推理論證、創(chuàng)新思維等［3］，且科學(xué)思維由低段至高段呈發(fā)展性特征。胡衛(wèi)平指出，學(xué)生的科學(xué)思維能力是一個(gè)相互影響、共同發(fā)展的有機(jī)整體，它由內(nèi)容、方法和品質(zhì)三個(gè)方面構(gòu)成，如圖1所示［4］，可見學(xué)生的科學(xué)思維能力與科學(xué)知識(shí)（即模型中的內(nèi)容）有著密不可分的重要聯(lián)系。而科學(xué)思維作為一種發(fā)展性的核心素養(yǎng)，欲有力推動(dòng)其發(fā)展，必然離不開深度學(xué)習(xí)的探討。

教育領(lǐng)域的深度學(xué)習(xí)是建立在已有學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)上的關(guān)于學(xué)生認(rèn)知思維發(fā)展的理論。黎加厚認(rèn)為，深度學(xué)習(xí)是指在已有知識(shí)基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)新知識(shí)的過程，是學(xué)習(xí)者通過批判的眼光和獨(dú)特的視角，利用知識(shí)解決問題的過程［5］。何克抗認(rèn)為，深度學(xué)習(xí)是通過相關(guān)理念，利用相應(yīng)的方式、工具、資源等記憶、理解知識(shí)，并達(dá)到應(yīng)用、分析、評(píng)價(jià)及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)目標(biāo)［6］。國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者就深度學(xué)習(xí)的定義提出了不同觀點(diǎn)和看法，分析已有研究，對(duì)深度學(xué)習(xí)的理解主要從過程和結(jié)果兩個(gè)角度出發(fā)。從過程角度出發(fā)的深度學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)在舊知識(shí)的基礎(chǔ)上對(duì)新知識(shí)的加工過程，注重知識(shí)的銜接與整合，這一過程涉及學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、學(xué)習(xí)情境等問題。從結(jié)果角度出發(fā)的深度學(xué)習(xí)是基于個(gè)人能力而言的，即要求個(gè)人對(duì)知識(shí)的深層次加工以達(dá)到對(duì)知識(shí)的深度理解，聚焦高階思維、高級(jí)認(rèn)知能力的發(fā)展。

本研究中，深度學(xué)習(xí)視角下的科學(xué)思維能力主要從結(jié)果角度出發(fā)，關(guān)注學(xué)生對(duì)科學(xué)知識(shí)的深度加工，聚焦推理論證等高階思維能力。

1.2? ? 深度學(xué)習(xí)視角下的科學(xué)思維能力評(píng)價(jià)

近年來，隨著對(duì)學(xué)生思維發(fā)展的關(guān)注不斷提升，大量深度學(xué)習(xí)視角下的能力評(píng)價(jià)研究應(yīng)運(yùn)而生。鑒于科學(xué)思維與科學(xué)知識(shí)間的緊密聯(lián)系，本研究選取韋伯（Webb）（2013）提出的知識(shí)深度（Depth of Knowledge，簡(jiǎn)稱 DOK）作為深度學(xué)習(xí)視角下科學(xué)思維能力評(píng)價(jià)的理論基礎(chǔ)以制訂能力測(cè)評(píng)工具。DOK模型表征的是學(xué)生應(yīng)該理解的知識(shí)深度，該模型假設(shè)知識(shí)加工程度可以根據(jù)所達(dá)到的認(rèn)知要求進(jìn)行分類，通過完成不同的任務(wù)反映認(rèn)知期望或知識(shí)理解的不同深度水平。DOK模型分為 4 個(gè)層次，依次為 DOK1：回憶/復(fù)述（簡(jiǎn)單識(shí)記）；DOK2：技能/概念（知識(shí)的直接應(yīng)用或簡(jiǎn)單推理）；DOK3：戰(zhàn)略思維（知識(shí)的復(fù)雜應(yīng)用）；DOK4：擴(kuò)展思維［7］。當(dāng)順利完成DOK3和DOK4層次任務(wù)時(shí)，則被認(rèn)為達(dá)到了知識(shí)的深度理解?；谛W(xué)生認(rèn)知發(fā)展特征，本研究主要依據(jù)前3個(gè)層次設(shè)計(jì)測(cè)評(píng)工具。因此，深度學(xué)習(xí)視角下的科學(xué)思維能力評(píng)價(jià)模型（圖2）可從“思維能力”“科學(xué)知識(shí)”“科學(xué)情境”三方面進(jìn)行建構(gòu)。其中，科學(xué)情境是指編制科學(xué)測(cè)評(píng)工具各項(xiàng)目的背景信息，而非對(duì)情境本身進(jìn)行考查。首先，鑒于問題解決過程中情境對(duì)思維過程存在一定的影響［8］，因此，該方面旨在考查學(xué)生在不同情境下解決問題的能力。其次，相關(guān)情境也滲透著對(duì)科學(xué)知識(shí)的考查，即在情境當(dāng)中如何利用已有知識(shí)解決實(shí)際問題。再者，豐富的科學(xué)知識(shí)也能夠作用于思維能力，使得思維能力得到提升。綜合以上原因，形成“思維能力”“科學(xué)知識(shí)”“科學(xué)情境”三位一體的科學(xué)思維能力評(píng)價(jià)模型。

2? ? 測(cè)評(píng)工具的開發(fā)

為保證測(cè)評(píng)工具的信度和效度，開發(fā)測(cè)評(píng)工具需嚴(yán)格遵循科學(xué)的測(cè)評(píng)工具開發(fā)流程，主要涉及測(cè)評(píng)框架建構(gòu)、測(cè)評(píng)工具編制、測(cè)評(píng)工具施測(cè)、模型檢驗(yàn)、工具修訂等重要環(huán)節(jié)。

2.1? ? 測(cè)評(píng)框架的建構(gòu)

本研究選取的知識(shí)內(nèi)容——“電磁鐵”主要呈現(xiàn)于教科版科學(xué)（2017版）六年級(jí)上冊(cè)“能量”單元，包含“電磁鐵定義”“電磁鐵通電具有磁性和南北極”“電磁鐵的南北極變化與電池正負(fù)極的連接方式或改變線圈繞線方向有關(guān)”“電磁鐵的磁力大小與線圈匝數(shù)、電流大小等因素有關(guān)”四部分內(nèi)容。基于深度學(xué)習(xí)視角的科學(xué)思維能力結(jié)構(gòu)，形成基于“電磁鐵”的科學(xué)思維測(cè)評(píng)框架（表1）。

2.2? ? 測(cè)評(píng)工具的編制

形成測(cè)評(píng)工具還需要編制與測(cè)評(píng)框架相匹配的測(cè)評(píng)題項(xiàng)。每個(gè)題項(xiàng)所屬的水平層次要求清晰明確，且同一水平層次還應(yīng)設(shè)有若干題項(xiàng)。例如，首先設(shè)計(jì)趣味故事情境，然后設(shè)問如“小夏直呼太精彩了，想起以前在書上看到的一種裝備‘電磁發(fā)射器。1901年，挪威人伯克蘭造出世界上第一臺(tái)電磁發(fā)射器，首開電磁炮先河。為了認(rèn)識(shí)電磁炮的一些特性，小夏拉著你們趕緊制作了一個(gè)電磁炮模型，其原理如圖所示。線圈通電后，會(huì)產(chǎn)生磁性，在磁力作用下，吸引鐵制撞針迅速前移，推動(dòng)炮彈射出炮管。小夏在電磁炮模型的右端放了一個(gè)小磁針，小磁針旋轉(zhuǎn)如上圖所示，則電磁炮模型右端是……（改編自2022年春浙江湖州六年級(jí)統(tǒng)考期末檢測(cè)）”（圖略），改編題項(xiàng)均來源于各省市期末檢測(cè)或?qū)W業(yè)質(zhì)量檢測(cè)，本身就具有一定的信度和效度。共編制10個(gè)題項(xiàng)，分布于不同水平層次中，試測(cè)項(xiàng)目與框架指標(biāo)的對(duì)應(yīng)情況如表2所示。測(cè)評(píng)工具初步編制完成后，經(jīng)過課題組的多次交流討論和修改刪減，確保其內(nèi)容效度和表面效度，再利用Rasch模型進(jìn)行工具質(zhì)量實(shí)證核驗(yàn)，最終形成質(zhì)量合格的測(cè)評(píng)工具。

2.3? ? 測(cè)評(píng)工具的核驗(yàn)

為了確保測(cè)評(píng)工具的質(zhì)量，使用紙筆測(cè)驗(yàn)收集數(shù)據(jù)，然后利用Winsteps4.3.2軟件基于Rasch測(cè)量模型對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果來決定是否需要對(duì)題項(xiàng)進(jìn)行進(jìn)一步的修正。此次檢測(cè)對(duì)象為C市某城區(qū)小學(xué)六年級(jí)8個(gè)班434名學(xué)生，發(fā)放測(cè)試卷434份，回收434份，回收率為100%。

2.3.1? ? 總體質(zhì)量分析

分析測(cè)試結(jié)果，題項(xiàng)信度為0.99（大于0.7），符合診斷性測(cè)試的信度要求，說明編制的測(cè)評(píng)工具題項(xiàng)可信度較高。其中，Infit和Outfit反映了包括MNSQ和ZSTD在內(nèi)的測(cè)試數(shù)據(jù)與模型的擬合程度。對(duì)于本次施測(cè)的被試和題項(xiàng)而言，它們的MNSQ趨近于1，ZSTD趨近于0，表明該工具的測(cè)試數(shù)值可以與Rasch理論的理想模型進(jìn)行很好的匹配。題項(xiàng)分離度（Separation）較大，為9.08，表明在不同水平層次中，各項(xiàng)目分布較廣泛，而被試的分離度為0.92（偏低），說明該工具對(duì)學(xué)生的區(qū)分度不是很好。題項(xiàng)的可信度為0.99（接近于1），但被測(cè)試測(cè)量的可信度為0.46（偏低），如表3所示。整體而言，基于Rasch模型的分析發(fā)現(xiàn)，工具總體質(zhì)量表現(xiàn)良好。只是被試的分離程度略有不足，分析原因可能在于被試學(xué)校為城區(qū)較好的小學(xué)，被試能力水平較高，可進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行深入測(cè)試和分析。

2.3.2? ? 單維性分析

科學(xué)的測(cè)評(píng)工具要求符合單維性，單維性即假定工具中的每一項(xiàng)都是為了衡量一種能力，本研究則指小學(xué)生在深度學(xué)習(xí)視角下的科學(xué)思維能力。Rasch模型進(jìn)行單維性分析得到標(biāo)準(zhǔn)化的殘差對(duì)比圖（圖3），測(cè)評(píng)工具的幾個(gè)題項(xiàng)中有6個(gè)落在相關(guān)系數(shù)-0.4～0.4的范圍內(nèi)，有4個(gè)在這一范圍外，但局部獨(dú)立性的標(biāo)準(zhǔn)是項(xiàng)目的負(fù)荷值不超過0.7，所以絕大多數(shù)題項(xiàng)的標(biāo)準(zhǔn)殘差系數(shù)都達(dá)到了要求?？傮w來說，該測(cè)評(píng)工具具有單維性，主要測(cè)量的是一種能力。

2.3.3? ? 題項(xiàng)-被試對(duì)應(yīng)

Rasch模型首先將原始的分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)ogits分?jǐn)?shù)，由此可以將被試的能力和題項(xiàng)的難度置于同一把尺子上（即Logit interval scale），從而形成題項(xiàng)-被試對(duì)應(yīng)懷特圖。如圖4所示，10個(gè)測(cè)試題項(xiàng)的難度值分布比較均勻，范圍也比較廣，在預(yù)設(shè)的各水平層次中基本都分布了相應(yīng)難度的題項(xiàng)。被試的能力水平也基本符合正態(tài)分布，呈現(xiàn)出中間多兩邊少的態(tài)勢(shì)?？梢姡u(píng)價(jià)工具基本上涵蓋被試樣本的能力水平，但也存在少部分高能力水平的學(xué)生未能和難度值適合的題項(xiàng)相對(duì)應(yīng)，說明被試的能力水平較高，和預(yù)測(cè)的原因相吻合?？傮w而言，該測(cè)評(píng)工具基本能評(píng)價(jià)出小學(xué)生科學(xué)思維所處的能力水平。

2.3.4? ? 項(xiàng)目擬合分析

Rasch模型要求測(cè)試數(shù)據(jù)與其模型假設(shè)能夠擬合匹配，對(duì)Infit和Outfit及其包含的MNSQ與ZSTD參數(shù)進(jìn)行分析。先查看較為重要的Outfit，再查看Infit；查看ZSTD是否超出[-2，2]范圍，若超出范圍表示擬合度不佳，再查看MNSQ是否處于[0.5，1.5]范圍內(nèi)。分析圖5可知，ZSTD和MNSQ均在可接受范圍內(nèi)，且工具所包含的所有題項(xiàng)的點(diǎn)—測(cè)量相關(guān)系數(shù)均在（０，１）之間，表示題項(xiàng)的建構(gòu)效度可以接受。

通過以上分析可知，本研究制訂的測(cè)評(píng)工具總體來說是符合單維性的，滿足Rasch模型的基本要求，表明只對(duì)一種能力進(jìn)行了測(cè)評(píng)，其各題項(xiàng)分布于不同水平層次，各水平的題項(xiàng)分布也比較集中。雖然題項(xiàng)難度沒能完全覆蓋少部分能力水平較高的學(xué)生，但總體而言，每個(gè)題項(xiàng)所預(yù)設(shè)的水平層次與實(shí)際難度水平是相匹配的。該測(cè)評(píng)工具包含10個(gè)題項(xiàng)，滿分10分（通過二分法賦分），每個(gè)水平層次有多個(gè)題項(xiàng)相匹配。因此，可以根據(jù)各層次所包含的題項(xiàng)難度值的均值為界限，在不同的能力層次上劃分出各層次的臨界值，以此來判斷學(xué)生所處的科學(xué)思維水平。

3? ? 結(jié)? 語

基于DOK理論模型，以小學(xué)科學(xué)六年級(jí)“電磁鐵”為科學(xué)知識(shí)內(nèi)容，開發(fā)了基于深度學(xué)習(xí)的小學(xué)科學(xué)思維測(cè)評(píng)工具，并利用Rasch 模型理論進(jìn)行了工具檢驗(yàn)，經(jīng)過施測(cè)檢驗(yàn)證明，本研究開發(fā)的小學(xué)科學(xué)思維測(cè)評(píng)工具能夠?qū)Σ煌茖W(xué)思維程度的學(xué)生進(jìn)行有效區(qū)分，測(cè)評(píng)工具的質(zhì)量較高，是一套符合科學(xué)編制要求的高信效度測(cè)評(píng)工具。該測(cè)評(píng)工具的開發(fā)和核驗(yàn)為科學(xué)制訂科學(xué)思維測(cè)評(píng)工具提供了方法參考，并具備多種優(yōu)勢(shì)。在評(píng)價(jià)層面，該方法更具目的性和科學(xué)性，能幫助教師在日常教學(xué)過程中制訂評(píng)價(jià)工具時(shí)避免盲目，依據(jù)評(píng)價(jià)目標(biāo)科學(xué)地優(yōu)化日常的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)方式；在教學(xué)層面，該方法更具針對(duì)性和深入性，深度學(xué)習(xí)視角下的科學(xué)思維測(cè)評(píng)有助于教師精確了解學(xué)生的思維水平，關(guān)注學(xué)生內(nèi)在對(duì)知識(shí)進(jìn)行加工的情況，可更具針對(duì)性地改進(jìn)教學(xué)策略，以幫助學(xué)生思維發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

［1］Gopnik A，Glymour C， Sobel D， et al. A Theory of Causal Learning in Children： Causal Maps and Bayes Nets［J］. Psychological Review， 2004，111（1）：3-32.

［2］Koerber S，Mayer D，Osterhaus C， et al. The Development of Scientific Thinking in Elementary School：A Comprehensive Inventory［J］. Child Development，2015，86（1）：327-336.

［3］中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［S］. 北京：人民教育出版社，2022.

［4］胡衛(wèi)平，羅來輝.論中學(xué)生科學(xué)思維能力的結(jié)構(gòu)［J］.學(xué)科教育，2001，14（2）：27-31.

［5］何玲，黎加厚. 促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)［J］. 現(xiàn)代教學(xué)，2005（5）：29-30.

［6］何克抗.深度學(xué)習(xí)：網(wǎng)絡(luò)時(shí)代學(xué)習(xí)方式的變革［J］.教育研究，2018，39（5）：111-115.

［7］Norman Webb and Sara Christopherson. DOK： Categories of Cognitive Engagement for Science. Webbalign[EB/OL].2019. https：//www.webbalign.org/dok-definitions-for-science.

［8］胡詠梅，楊素紅，盧珂.青少年科學(xué)素養(yǎng)測(cè)評(píng)工具研發(fā)及質(zhì)量分析［J］.教育學(xué)術(shù)月刊，2012，29（3）：16-21.

（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）