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科学探究能力表现模型的建构及其在评价中的应用论文(附论文PDF版下载)

发布时间:2019-01-24 10:31:50 文章来源:sci论文网 我要评论














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 摘要:基于能力构成、认识方式和科学探究的基本理论建构的科学探究能力表现模型具有三个维度:一般探究能力、特定探究能力、不同类型探究任务,其中特定探究能力包含探究角度和探究思路。将学生在完成探究任务的过程中表现出的一般探究能力、探究角度和探究思路结合起来进行评价,是评价科学探究能力水平的有效途径。

关键词:科学探究能力;认识方式;表现模型;评价

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一、问题的提出
 
我国教育部于2018 年1 月印发了普通高中各学科课程标准 (2017 年版), 其中, 物理、化学、生物学科凝练的学科核心素养都包含 “科学探究”,体现了对科学探究能力培养的持续重视。然而,在教学实践中,学生科学探究能力的发展状况却不尽如人意。[1]原因固然是多方面的, 重要原因之一就是教师对发展学生的科学探究能力缺少有针对性和系统性地设计和指导,主要表现在以下两个方面。第一,对科学探究能力的构成要素缺乏整体性认识,对学生在各个能力要素的表现期望 (performanceexpectation) 不能做到心中有数, 使得科学探究活动流于形式。例如, 设计了 “制订实验计划” 的活动,但在课堂上缺少对探究角度和探究思路的指导,学生设计实验时或者无从下手,或者从教材或其他资料上直接找出正确方案,使得实验设计能力的培养只有表象而无实质。第二,不了解学生科学探究能力的发展状况, 也不知如何评价学生的科学探究能力,因而对学生科学探究活动的设计和指导缺少整体性和针对性,甚至将科学探究能力的评价局限为操作技能的考核或实验题考查,致使评价指向单一的、模式化的结果,而忽视多元的、开放性的思维过程。由此,如何评价科学探究能力的发展状况,做到以评价促发展成为人们关注的重要问题。
 
在现行的理科课程标准中,科学探究能力均以要素形式呈现,缺少对科学探究能力的整体构成和运行机制的表述,也没有系统的、基于学生表现的科学探究能力评价方法;理科教材中的科学探究活动内容大多也没有明确表述学生的表现期望水平。因此,开展指向表现性评价的科学探究能力表现模型的研究,对于改进科学探究教学和评价,提高学生科学探究能力具有重要意义。
 
二、研究的理论基础
 
(一) 关于能力构成的理论
 
科学探究能力是能力的下位概念,能力构成的相关理论对研究科学探究能力的表现模型具有指导意义。在 《简明教育辞典》中,能力指直接影响人顺利有效地完成某种活动的个性心理特征。它是在人的生理素质基础上,在实践活动中形成和发展起来的,可分为一般能力和特殊能力两种。一般能力是指人在一切活动中所必需的一些基本能力,如观察力、记忆力、注意力、思维力、想象力等。特殊能力是在某些专业活动中表现出来的能力。一般能力的发展为特殊能力创造了有利的发展条件; 在各种活动中发展特殊能力,会促进一般能力的发展。[2]
 
20世纪初以来, 心理学家对能力的研究总体分为两类,一类讨论能力的构成因素,另一类讨论能力的组成结构。[3]英国心理学家斯皮尔曼提出 “二因素” 说, 认为能力有两种因素组成, 一种是一般能力,一种是特定能力。吉尔福特于1959年提出智力三维结构, 认为智力可以分为三个维度,分别为内容、操作和产品。智力活动的内容是指智力活动的对象或材料 (刺激物);操作是指智力活动 (对刺激物进行智力加工) 的过程和方式;产品是指运用上述智力操作所得到 的结果,即大脑中形成的不同类别的心理结构, 如单元、类别、关系等。科学探究能力作为一种 能力, “二因素” 说同样适用; 智力的三维结构理论提示我们,科学探究能力是在面对实际问题 情境 (刺激物)、完成具体探究任务的活动中, 通过智力活动得到智能产品的能力。
 
(二) 关于认识方式的理论
 
科学探究是人类认识自然界现象、本质和客观规律的活动,科学探究能力的高低自然与认识方式有关。正如王磊所说, “学科认识方式是学科能力的核心机制。每个学科都有其特定的认识与研究领域和对象,有其特有的认识活动和问题解决任务,需要独特的认识事物以及分析和解决问题的角度、思路和方法,即特定的学科认识方式和推理模式。”[4]
 
科学的发展历程伴随着认识方式的变革,不同国家科学的发展路径和成果也与认识方式有 关。中国人对自然界的认识方式偏重直觉、顿悟和整体把握,[5]西方的认识方式则偏重逻辑实证和分析。认识方式的差异是近代科学发端于西方而不是中国的重要原因。但随着现代科学的发 展,人们越来越认识到,逻辑实证和分析式思维 也有局限性。西方人的将主观与客观相分离、相 对立的认识方式, 不仅造成科学研究上的局限, 也造成人与自然关系的对立和紧张;而中国人在 接受现代科学洗礼之后建立在逻辑实证和分析基础上的整体式思维越来越显示其优势。一定的科 学发展产生一定的科学认识,科学认识方式反过来有力地推动科学的发展。[6]科学认识建构过程的本质特征就是科学探究,认识方式之所以推动 科学的发展,是因为它对科学探究的过程具有方法论意义。作为认识主体,人们有什么样的认识 方式,就会用什么样的方式和方法去进行探究。是靠直觉与顿悟,还是靠实证和逻辑推理?是条 分缕析还是整体把握?抑或是不同认识方式的结 合?无论哪种认识方式,都会有与之相应的科学 探究的理论路径和效能。可见,认识方式的研究 是研究科学探究能力结构及其表现的理论基础。
 
关于科学认识方式, 国内外已有不少研究。皮克斯通认为科技医 (STM) 的认识方式主要有三种:博物志、分析、实验。[7]这三种认识方式依次在科学发展的不同阶段占优势地位。王磊 认为学科认识方式是学科能力构成的重要方面, 包括学科思想、认识角度和认识思路。[4]肖红从学生概念学习的角度梳理了 “认识方式”, 认为在学生的具体概念认识之上,存在着一种内在的 影响学生产生具体个人概念的因素。这种因素就 是学生在思考和处理化学问题时,所表现出来的 倾向于使用某种思维模式或从一定角度来认识或解决问题的信息处理对策或模式,称为 “认识方式”。[8]杨岩在此基础上, 于2006 年提出认识方式由认识域、认识角度、认识类别、认识水平四 个要素组成。认识域为具体问题领域;认识角度 是认识域包含的各个方面,体现了对认识域的认 识路径。认识类别是学生解决科学问题时不同思维模式的反应,有 “宏观—微观”“定性—定量”“静止的孤立观—动态的相互作用观” 三种类别, 每类认识方式存在不同的认识水平[9]。胡久华于 2008年进一步提出认识方式包含四个方面的构成要素:认识对象、认识域和认识角度、认识深 度、认识思路。其中,认识思路指个体对相关现象或事实认识的有序性和思路性。[10]个体通常具有相对稳定的、惯有的认识思路。
 
上述关于认识方式的研究,为建构科学探究能力表现模型提供了许多启示。
 
(三) 关于科学探究的理论
 
早在古希腊时期的科学家与哲学家亚里士多德,在其哲学著作 《分析后篇》中总结了科学研究的过程有三个基本步骤, 即观察、归纳、演绎。到13世纪, 英国哲学家罗吉尔· 培根认为科学家在对自然现象做观察的同时,还应进行主动的科学实验。另外,归纳得出的一般原理尚需接受进一步实验的检验。因此,将科学探究程序进一步修改为观察、实验、归纳、演绎、实践检验的过程。这种程序被后来的伽利略、牛顿等科学家所提倡。
 
到了18世纪, 英国化学家普利斯特利对带电粒子之间的相互作用力提出了 “与距离的平方成反比,与他们的电荷量成正比” 的猜测,被库伦所认同,并设计实验验证了这个猜想。他们经历的探究过程是 “建构假设—设计实验检验—提出科学理论—解释其他同类现象”。20 世纪物理学家爱因斯坦经历的是 “假说—演绎” 程序。同时,他认为科学研究活动起源于科学问题,科学家是为了解决科学问题才进行科学探究的。[11]尽管不同的科学家所经历的探究路径是多元的,但其基本规律为人们研究科学探究能力奠定了基础。
 
约翰·杜威在 《逻辑:探究的理论》中最早提出了教育中科学方法和思维的重要性,并把科学探究定义为 “一种有控制的或有方向的把一个不明确的情境转化明确情境的转化行动。它把初始情境里存在区别但又有内在联系的要素统一为一个完整的整体。”[12]杜威认为探究过程是科学的核心,率先提出了较为系统的 “教学五步” 探究教学理论。
 
受杜威科学教育思想的影响,美国教育学家施瓦布积极倡导科学探究的教学和学习方式。他提出探究教学遵循以下基本程序:(1) 给学生呈现调查研究的领域和方法;(2) 明确问题,确定研究中的困难, 困难可能在于数据的收集和解释、实验的控制或推理等;(3) 思考问题,提出假设;(4) 思考解决困难的途径,办法或是重新设计实验, 或用不同方式组织数据; (5) 导出结论。[13]
 
关于科学探究一般过程的理论,也是建构本模型的重要理论基础。一般来说,科学探究的一 般过程包括提出问题、猜想与假设、制定计划、进行实验、收集证据、解释与结论、反思与评 价、表达与交流等环节, 每环节包括若干要素, 关于这些内容,“科学探究能力的构成要素”[14]一文已有阐述,这里不再赘述。
 
关于科学探究的理论,是建构科学探究能力表现模型不可或缺的基础。
 
三、科学探究能力的表现模型
 
已有理论为研究科学探究能力的表现模型提供启示。

第一,借鉴吉尔福特智力结构,科学探究能力的表现模型也可以从 “内容、操作和产品” 三个层面来建构。 “内容” 即学生在探究活动时所面对的、需要应用具体学科知识来解决的不同类型探究任务。 “操作” 即由不同类型探究任务引发的科学探究过程; “产品” 即学生通过探究得到的成果或结论,通常蕴含于科学探究过程之中。这样,科学探究能力表现模型可以初步从探究任务、科学探究过程两方面展开建构。
 
第二,借鉴能力概念和能力 “二因素” 理论,科学探究能力包括一般探究能力和特定探究能力两个方面。一般探究能力是完成科学探究任务时所需具备的普遍性的能力。特定探究能力是完成具体的、特定学科 (物理、化学、生物) 探究活动时所具备的能力。考虑到一般探究能力通常体现在一般探究过程及其要素中,且各学科的科学探究活动都遵循基本相同的程序和过程,因此,本研究选择用 “一般探究过程” 作为刻画科学探究能力的一个构成维度;而科学探究能力体现在分析和解决具体的科学问题上,需要应用特定的学科知识和方法,只具备科学探究的一般过程和方法无法解决特定探究问题, 因此, 须将“特定探究能力” 作为刻画科学探究能力构成的另一个维度。
 
第三,借鉴有关科学认识方式的理论,在完成特定探究活动时,通过特定知识学习形成的认识角度和认识思路, 将指导特定科学探究过程, 使之具有切入的角度、明确的路径和解决问题的思路,即转化为探究角度和探究思路;而经过实践检验之后,原有的认识又会被重组,[15]使探究角度更深刻,探究思路更完整。由此可以看出完成特定学科探究活动的内部机制:将特定知识运用于探究过程形成切入的角度和路径,即为探究角度;形成解决问题的思路即为探究思路,二者有机融合,共同形成特定探究能力。
 
基于上述阐释,得出科学探究能力表现的主要组成部分,并建构其模型如图1所示。该模型由一般探究过程、特定探究能力和不同类型的探究任务三个主要维度构成。

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(一) 一般探究过程
 
科学探究能力可以广泛用于探究各种科学问题,各学科的科学探究遵循基本相同的程序和过程,因此,科学探究能力是建立在对科学探究一般过程和方法的了解与掌握基础上的。如前文所 说,目前一般认为一般探究过程包括八个环节, 每个环节又包含具体的二级能力要素。例如, “提出问题” 能力至少应包含以下四个二级要素:
 
(1) 发现问题,包括发现并建构问题,基于多个角度拆解问题并指向具体的研究任务;
(2) 表述问题, 即用科学语言将发现的问题表述出来;
(3) 问题意识,即有提出科学问题的意识,面对一定情境能提出有价值的问题,提出的问题越有价值或有价值的问题越多, 说明问题意识越强;
(4) 可探究性,即提出的问题与研究对象相关,且能够通过探究来寻找答案。本文限于篇幅,不 能将其他二级能力要素一一罗列,应用该模型时 可进行补充。
 
(二) 特定探究能力
 
特定探究能力是完成特定学科探究活动时所具备的能力,由探究角度和探究思路构成。探究角度是指完成探究任务、解决探究问题的切入点或出发点。探究角度决定了问题解决的深刻程度,例如,宏观或微观的角度、定性或定量的角度、孤立或完整的角度,会使探究呈现出浅显或深刻的差异。探究思路是完成特定科学探究任务所需要的思维程序和思维路径,探究思路完整缜密的人会呈现出有序的、系统的问题解决程序。
 
3.不同类型的探究任务
 
科学探究能力是在完成特定探究任务中表现出来的,离开了具体探究任务,学生的探究能力 就无从表现,当然也就无法评价。面对不同类型 的探究任务,学生表现出的科学探究能力会有区别,因此,要全面评价学生的探究能力,设计的 探究任务应该包括不同的类型。探究任务的类型 由探究对象和内容决定。例如,从探究的对象来 说,化学学科探究任务包括 “物质组成与结构探究” “物质性质探究” “物质制备与合成探究” “物质分离探究” “物质检验探究” “物质变化规律探究” 等;从探究任务的性质来说,探究任务包括 “定量分析实验探究” “定性分析探究” 或“验证性实验探究”“探索性实验探究” 等,生物学科的探究还可分为观察类探究、调查类探究、实验类探究、制作类探究等。不论是哪种类型的 探究任务,都需要应用学科知识,这是因为学科 知识是能力发展的主要基础,是科学探究能力形成的中介。[16]
 
上述科学探究能力表现模型具有如下特征:
 
(1) 思维性。无论是一般探究过程还是特定探究能力,都需要根据科学证据得出结论,即基于证据的科学推理, 它是一种内在的逻辑思维形式。[17]在各类科学探究任务中, 都涉及不同类型的科学推理。在该模型中,科学思维能力集中表现在一般探究过程的诸环节、每个环节的二级要素中,同时也表现在 “特定探究能力” 的探究角度和探究思路中。(2) 综合性。从本质上讲,科学探究能力是一种综合能力,其表现是学生头脑中知识、经验、视角、思路等多种成分综合作用的结果。因此,应用该模型评价学生的探究能力表现,不是看学生是否能完成某个实验,或者能否说出某个实验的原理和方法步骤,而是能否面对新的情境,综合调动头脑中多种成分,完成特定的探究任务。(3) 动态性。该模型的三个维度及其二级要素,看似静态的结构,其实是处于动态变化之中的。一般探究过程的各环节和各二级要素,以及探究角度和探究思路,均可随着探究任务的不同而有所调整; 随着课程的学习进程, 学生对一般探究过程的理解会不断深入,探究角度和思路也会不断拓展。该模型的动态性可以说正是发展学生核心素养的理念在科学探究教学中的生动体现。
 
四、应用模型评价科学探究能力的方法
 
应用科学探究能力表现模型对学生的科学探究能力进行评价,首先要根据特定学习阶段能力发展目标和学生实际,精心设计用于评价的科学探究任务。任务确定后,应将评价贯穿于学生的探究活动全过程,重点从一般探究过程、探究角度和探究思路三个方面去观察、 分析并做出判断。
 
(一) 一般探究过程的评价方法
 
在评价时,可以将一般探究过程的每个二级能力要素划分2—3 个表现水平, 划分的主要依据是系统性、深刻性、相关性、创造性[18], 其表现水平分别为 “孤立—联系—系统” “局部— 完整” “表象—本质” “无关—相关” “简单情境—复杂情境” 等。例如, “提出问题” 能力的四个二级要素,第一个要素 “发现问题” 的水平1 为 “基于现象和简单经验提出问题”,即 “表象”水平;水平2为 “基于理论指导和事物本质提出深刻的问题”, 即 “本 质” 水平; 第二个要素 “表述问题”的水平1 为 “初步表述且具局部的逻辑性”, 即 “局部” 水平; 水平2 为 “逻辑性强且表述系统完整”, 即 “完整” 水平; 第三个要素 “问题意识”的水平1 为 “提出问题数量较少,问题意识较弱”, 即 “孤立” 水平; 水平2为 “提 出问题数量较多, 问题意识较强”, 即 “系统” 水平;第四个要素 “可探究性”,其水平1为 “提 出的问题与研究对象相关较低”, 即 “无关” 水平;水平2 为 “提出的问题与研究对象相关性高”,即 “相关” 水平。
 
(二) 探究角度的评价方法
 
在评价时,可以根据探究角度对问题本质的揭示程度来划分表现水平,不同表现水平划分的 主要依据是系统性、深刻性、精确性、创造性, 主要表现为 “孤立—系统”“宏观—微观”“定性—定量” “误差—精度” “模仿—创新”。例1, 化学学科 “有机物合成的探究” 的主要探究角度有:“熟悉有机物的合成” “简单新物质的合成” “新物质的系统合成”,这三个角度分别代表 “孤立”“系统” “创新” 三个水平。例2, 生物学科 “酵母菌种群数量变化规律的探究” 的主要探究角度有 “根据观察的实验现象定性归纳变化规律”“根据实验数据定量地描述变化规律”“定量地改变自变量,控制无关变量,考察自变量对种群变化的影响”, 这三个角度分别代表 “孤立—定性”“孤立—定量”“系统—定量” 三个水平。
 
(三) 探究思路的评价方法
 
在评价时,可以根据探究思路的关键点和完整性来划分表现水平,主要表现为 “关键点的有无”“局部—完整”。例1, 化学学科 “无机物质制备” 的探究思路为 “明确实验目的—确定反应原理—根据反应的特点选择原料 (药品) —选择合适的制备装置—确定反应条件—产品纯化—选择产品收集方法—优化方案”。
 
在面对具体探究任务时,较低水平表现为缺少思路的关键点,导致探究思路不完整,无法顺 利完成探究任务; 较高水平表现为关键点全面, 探究思路顺畅、缜密,能够顺利、准确地完成探 究任务。
 
本模型应用于科学探究能力的表现性评价, 强调要将学生在科学探究活动中所呈现的一般探究过程、探究角度和探究思路结合起来进行评 价,这样能够较全面地刻画学生科学探究能力的差异和发展水平,具有可操作性,有助于提高评 价的针对性、系统性和实效性。该模型也适用于 指导开发科学探究能力的测量工具,用于全程了 解学生科学探究能力的发展水平和规律,为改进 科学探究教学提供数据支持,更加有效地培养学 生的科学探究能力。

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TheConstructionofScientificInquiryAbilityPerformance ModelandItsApplicationinEvaluation
LiuDongfang
(Collegeof TeachersProfessionalDevelopment,Shenyang NormalUniversity,
ShenyangLiaoning 110034,China)
Abstract:Based onthe basictheories ofability composition,cognition methods,and scientific inquiry,thescientificinquiryabilityperformancemodelhasthreedimensions:generalinquiryprocess, specificinquiryabilityandvarioustypesofinquirytasks.Thespecificinquiryabilityincludesinquiry perspectivesandinquiryideas.Itisaneffectivewaytoevaluatethelevelofscientificinquiryabilityby combiningthegeneralinquiryability,inquiryperspectiveandinquiryideasthatstudentsdisplayinthe processofcompletinginquirytasks.
Keywords:scientificinquiryability;cognition methods;performancemodel;evaluation
 
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