[摘要]培养学生的科学探究能力是学校科学教育的重要目标。目前国外研究者对科学探究能力的认识不同,采用的评价方法也不同。一种观点认为,科学探究能力是过程技能的集合,对科学探究能力的评价主要采用纸笔测验的方式;另一种观点认为,科学探究能力是一种科学思维和科学推理能力,对科学探究能力的评价多采用动手的探究任务,通过观察学生的探究过程和事后访谈来评定学生的实验设计能力和证据评价能力。

[关键词]科学教育;科学探究能力;纸笔测验;动手的探究任务

培养学生的科学探究能力是学校科学教育的重要目标。如何评价学生的科学探究能力的发展状况已引起研究者的广泛关注。目前,国外研究者对科学探究能力的认识不同,采用的评价方法也不同,笔者就国外研究者对科学探究能力的不同认识及采用的评价方法作一概述。

一、什么是科学探究能力

目前,国外研究者对科学探究能力的认识主要有以下两种观点。

(一)科学探究能力是过程技能的集合

这种观点将科学探究过程分解为一系列独立的成分,如观察、测量、分类、推理等,相应的也将科学探究能力分解为一些独立的技能,如观察技能、测量技能、分类技能、推理技能等,这些技能就叫过程技能(process skill),科学探究能力是一系列过程技能的集合[1]。研究者认为,这些要素能力或过程技能可以被测量出来,通过训练学生的这些要素能力,学生的科学探究能力可以得到发展。学科教学领域的研究者多持这种观点。

后来的研究又进一步将过程技能分为两类:基本过程技能和综合过程技能,综合过程技能能被认为是对基本过程技能的综合运用。美国科学促进会推出的SAPA(Science一A Process Approach)课程列出13项科学过程技能,这13项技能又分成两大类:基本科学过程技能,包括观察、分类、应用时空关系、传达、应用数字、测量、推理、预测等技能;综合科学过程技能,包括下操作性定义、控制变量、形成假设、实验、解释资料等。

我国实施新课程改革后,科学教育已改变过去重知识传授、轻能力培养的局面,这些科学过程技能已全面渗透到中小学的科学教材中。如,教科版的小学《科学》教材中,三、四年级注重培养学生的观察、测量、比较、交流、绘制图表、记录等基本技能,五年级注重对学生实验设计、控制变量等综合技能的培养。

(二)科学探究能力是一种科学思维和科学推理能力

这种观点认为,科学探究的本质是科学思维和科学推理,科学探究能力是一种科学思维和科学推理能力。这是一种心理学的研究视角。这类研究主要是在双重搜索模型的框架内进行的,此模型将探究过程划分为三个阶段:假设空间的搜索、实验空间的搜索和证据评价。对科学探究能力的研究主要集中在探究过程的后两个阶段[2],因此又有两种观点。

一是强调个体的实验设计能力,认为科学探究能力反映在实验设计水平中。受皮亚杰的影响,研究者将被试能否使用控制变量策略,即CVS(control variable strategy)策略,作为科学探究能力的一个重要特征。在科学实验中,为探索某个变量或某些变量对因变量的影响,实验者要使其他变量固定不变,以避免这些变量的干扰,这就是变量控制策略,即在多变量设计中,要比较的两个处理中只有一个变量在不同水平上发生变化,其他变量都保持不变。

二是认为证据评价的能力是科学探究能力的核心。给被试提供一些现成的证据让其完成推论任务,通过考察被试推论时使用的策略和推论结果的正确性来评价其科学探究能力。被试需要根据实验中得到的证据,推论某变量是或不是某结果的原因。因此推论的类型主要有:(1)包含性的推论(原因推论);(2)排除性的推论(非原因推论);(3)不确定性推论。要使以上推论结果正确、有效,就需要相应的证据评价的策略。在纯粹的证据评价能力研究中往往不需要被试去操作实验,研究者直接给被试提供一些证据,被试对研究者提供的这些证据作出评价。

二、如何评价科学探究能力

研究者对科学探究能力内涵的认识不同,采用的评价方法也不同。将科学探究能力看作是一系列的过程技能的研究者,多采用纸笔测验的方式进行评价;而将科学探究能力看作是一种科学思维和科学推理能力的研究者,多采用动手的任务,在学生动手完成探究任务的过程中,通过观察和事后访谈来评价。

(一)利用过程技能纸笔测验评价学生的科学探究能力

过程技能纸笔测验主要是针对科学探究的过程技能设计的,这类测验往往用一道题评价一种探究技能。这类测验在内容方面主要测量SAPA列出的13项科学过程技能。有代表性的纸笔测验有Smith(1986,1994)的科学过程测验,Dillashaw和Okey(1980)编制的《综合过程技能测验(TIPS)》[3]。这些测验具体又分为两类:一类同时包括基本过程技能与综合过程技能,如,Smith的测验测量了13项过程技能[4];一类只强调基本或综合过程技能,如Dillashaw和Okey的测验只测量了5项综合技能:识别变量、操作性定义、识别要检验的假设、实验设计、作图解释数据等。

过程技能纸笔测验具有以下特点。

1.早期的纸笔测验主要针对具体课程设计,如Walbesser于1965年开发的科学过程问卷是针对SAPA课程设计的。这类工具大约出现在20世纪60-70年代。这类测验无法迁移到其他课程,因此, 20世纪70年代后,一些研究者开发了一些与具体课程无关的通用测量工具。

2.测验多适合团体施测,为降低阅读能力对过程技能表现的干扰,题目多以图形或表格为主、文字说明为辅,作答则采用选择题的形式。

3.测验的适用对象以小学阶段至中学阶段的学生最为普遍。纸笔测验成本低,易于操作,用时较短,可以大样本测试,20世纪80年代已成为相当成熟的工具,此后很少有研究者再开发类似的工具,转而直接使用这类测验。

(二)利用动手的探究任务评价学生的科学探究

能力随着研究的深入,研究者更关注整合的探究能力,研究多采用动手的探究任务,通过口语报告、访谈、查阅学生的实验记录卡[5]等方式获得被试的探究过程资料,从而深入探讨学生在真实情境中发生的复杂的探究行为,以对其科学探究能力作出评价,以下是这类评价中常用的探究任务和观测指标。

1.探究任务

(1)根据探究过程中被试的自主性及任务的完整性,可将探究任务分为自我指导的探究任务和部分探究任务。自我指导的探究任务是让学生完成一个完整的实验探究任务,自己设计实验、运行实验、获得证据,然后对实验中获得的证据作出评价;部分探究任务多是针对探究活动的某个环节设计的,被试无须参与探究的全过程,如,给被试一些现成的证据,要求被试作出评价。由于部分探究任务是针对探究活动不同环节设计的,探讨不同环节所需要的能力,尽管这种分离的研究有很多优势,如可以使研究得到严格控制,但要全面系统地理解科学探究的能力,研究完整的探究过程是必须的。近期的研究开始采用自我指导的实验,即在一个完整的探究过程中研究学生的实验设计能力、证据评价能力。这种任务的好处是:第一,它更真实,与实验室及日常情境中真正的科学活动具有更多的相同特征;第二,它虽然也会产生对探究成分的孤立的理解,但最起码学生可以知道这些成分是怎样整合的,知道多数科学探究包括提出假设、设计实验、验证假设、证据评价等环节;第三,这类研究既包括策略的改变也包括知识的发展,这两个成分是相互影响的,精细的策略有利于知识的获得,正确的知识有利于策略的选择。

(2)根据任务的真实性,可将探究任务分为动手操作的任务和计算机模拟的探究任务。动手操作的任务如Schauble的研究中用的“运河任务”[6]。近年来研究者开发了一些计算机模拟实验以代替动手的操作实验,模拟程序可以实时记录探究过程,对被试的每一步操作进行全程记录,包括对自变量的操纵、每一步操作的时间、实验结果等。这使得对探究过程的研究更加便捷和精确。

(3)根据任务的内容,又可将探究任务分为单摆任务、弹簧任务、斜坡任务、浮力任务、天平任务等,这些都是科学探究研究中最常使用的经典任务。这类任务是真实的科学任务,但多数不需要很多背景知识,安全,容易实施,并可快速完成。

另外,根据变量的数目,可将探究任务分为简单任务或复杂任务;根据探究任务的性质,可将探究任务分为科学领域任务和贫乏任务,等等。

2.衡量科学探究能力的指标

针对科学探究的不同阶段,研究者采用不同的指标来衡量学生的科学探究能力。在提出假设阶段,研究者主要考察:被试已有的信念,以及探究结束后,面对新证据其已有信念是否改变;提出假设的数量(即假设空间的搜索是否完备);假设的合理性等。在实验设计阶段,主要考察被试实验空间搜索的数量,实验设计的策略等,如Schauble的研究中运用“运河任务”,通过变化船的特征、水的深浅等变量可以产生24个变量水平的组合,也就是实验空间的数量为24,以此考察被试实验空间搜索的百分比[7]。假设空间搜索的数量和实验空间搜索的数量等指标往往用于多变量的任务,在这样的任务中,假设空间的数量和实验空间的数量要大于被试能意识到的组合数。在证据评价阶段,研究者主要关注正确推论的数量以及推论的策略。这类测验常常结合访谈和观察,比较费时、费力,成本较高,所以不适合团体施测,但这类测验能够更深入、更精细地考察被试的探究过程。

三、启示

以上两种研究方法着眼点不同,前者着眼于科学探究能力的构成要素,从静态方面研究科学探究能力,通过对构成要素的测量来了解学生科学探究能力的发展水平及特点;后者则着眼于科学探究的认知过程,从动态方面研究科学探究能力,通过对学生探究过程及结果的表现来了解学生科学探究能力的发展水平及特点。

两种方法测量的方式和内容各有侧重,但实质上都窄化了科学探究能力。将科学探究能力视作过程技能的观点实际上是把科学探究能力简化为一组要素能力,并分别进行测量。其实,科学探究能力不同于观察能力、测量能力、分类能力、推理能力等基本过程技能,它是具有复杂结构的高层次的能些要素能力的简单集合。同时,科学探究能力也不简单地等同于实验设计能力或证据评价能力,无论是实验设计能力还是证据评价能力,都只是科学探究能力的一个成分。因此,任何单一的方法都不能准确衡量学生科学探究能力的水平,不能解释科学探究能力的特点,研究中可将两者结合起来使用。

参考文献

[1]郭玉英.学生的科学探究能力:国外的研究及启示.课程·教材·

教法[J],2005,(7).

[2]杜秀芳,张承芬.科学探究的认知机制研究述评.心理科学 [J],2007,(2).

[3]Temiz,B.K.,Tasar,M.F.,and Tan,M.,Development and validation of a multiple format test of science process skills[J]. International Education Journal,2006,7(7):1007-1027.

[4]Smith,K.A.,and Welliver,P.W.(1995).Science process assessments for elementary and middle school students. Smith and Welliver Educational Services[EB/OL].Available: http://www.scienceprocesstests.com[Retrieved 2004.12.02.2004].

[5][6][7]Schauble,L.The development of scientific reasoning inknowledg-rich contexts[J].Developmental Psychology,1996,32(1):102-119.