青少年科学素养的形成机理研究，本文主要内容关键词为：机理论文,青少年论文,科学素养论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
修回日期：2013-01-14.
中图分类号：G304 文献标识码：A 文章编号：1000-2995(2013)05-008-0153
1.引言
提升未成年人的科学素养是社会和个体发展的共同需求。从社会发展来讲，公民科学素养的整体水平直接影响到国家的综合竞争力，青少年科学素养形成机理在相当大程度上决定了公民科学素养水平和创新型人才储备，关系到国家发展的未来。因此，科学素养特别是青少年科学素养的形成和发展成为政府、学术界和社会各界普遍关注的热点问题。
“科学素养”最早见于哈佛大学校长科南特(Conant)1952年出版的《科学中的普通教育》一书。1964年，美国科学教育协会(NSTA)将科学素养作为科学教育的重要目标，并给出了科学素养的描述性定义：“有科学素养的人知道关于科学在社会中的作用，鉴赏科学生存的文化条件，知道概念产生和发展的过程。有科学素养的人理解科学和社会的关系，理解控制科学家的道德，理解科学的本质包括基本概念、科学和人文的相互关系”。佩拉(Pella)及其同事1966年通过分析1946年至1964年之间100种报刊文章中与科学素养有关主题词出现的频率，认为一个具有科学素养的人应了解以下内容：(1)科学和社会的相互关系；(2)科学家工作的伦理原则；(3)科学的本质；(4)科学和技术之间的差异；(5)基本的科学概念；(6)科学和人类的关系[1]。此后学者们从不同角度对科学素养进行了诠释。
1974年，肖瓦尔特(Showalter)认为具有科学素养的人应该具备以下七个特点：(1)明白科学知识的本质；(2)在和环境互动时，能准确运用合适的科学概念、原理、定律和理论；(3)能采用科学的方法解决问题做出决策，增进其对世界的了解；(4)和世界打交道的方式与科学原则保持一致；(5)理解并接受科学、技术和社会之间的相关性；(6)对世界有更丰富、生动和正面的看法；(7)具有许多和科学技术密切相关的实用技能[2]。与六十年代的认识相比，这一阐述增加了利用科学的方法与环境互动和解决问题的能力以及与科学技术相关的实用技能等理解。
1983年，米勒(J.Miller)提出科学素养三维模型和可操作测量方法，他将公众科学素养分为三个方面：(1)对科学原理和方法的理解；(2)对重要科学术语和概念的理解；(3)对科技的社会影响的意识和理解[3]。1989年，英国学者杜兰特博士采用米勒的指标体系，开展了欧洲15个国家的公众科学素养调查。
1992年和2001年，欧盟对其成员国进行了公民科学素养和对科学技术态度调查。加拿大和日本等国家也都先后采用了这个指标体系和调查方法对本国公众科学素养状况进行了经常或者定期调查。为了补充上述调查对青少年群体的缺失，国际教育成就评价协会(International Association for the Evaluation of Educational Achievement，IEA)和经济合作与发展组织(Organization for Economic Cooperation and Development，OECD)分别组织实施了面向青少年的测评项目。美国1993年发布《科学素养基准》，1995年12月颁布《国家科学教育标准》，对世界各国科学教育标准制定产生了重要影响。中国政府于2000年颁布了《2001～2005年中国青少年科学技术普及活动指导纲要》，从科学态度、科学知识与技能、科学方法与能力、科学行为与习惯四个方面规定了学生在科学素养方面的要求。
联合国全球科技脱盲计划“2000+计划”中提出的科学素养不仅包括科学和技术方面的阅读、理解和写作的能力，还包括在生活工作和文化中应用科技概念和方法技能的能力，以及区分恰当和不恰当使用科技的态度和价值观的能力。具体包括：(1)科技态度、方法和技能；(2)对科技本质的理解和欣赏；(3)获得有效的科技教学和实例训练；(4)熟悉获取和传播科技信息的途径。
总而言之，科学素养是一个不断与时俱进的概念，至今没有形成一个广泛认可的定义，也缺乏科学素养特别是青少年科学素养形成机理的系统研究。因此，需要综合采用多种研究方法，进一步加强科学素养特别是青少年科学素养调查和研究，深化和拓展科学素养内涵和外延研究，识别青少年科学素养形成的主要因素及其相互关系，剖析青少年科学素养构成要素和内部结构及其影响因素，揭示青少年科学素养形成机理，有效促进青少年科学素养的形成和发展，为建设创新型国家奠定人才基础。
2.科学素养九要素模型
20多年来，国内外学者或机构从各自认识出发，提出了一系列各具特色的观点，概括起来主要有“三要素说”、“四要素说”、“五要素说”、“六要素说”。
其中“三要素说”是以美国学者J.米勒(J.Miller)的测量模型为代表。2002年，他将三个维度修改为：(1)理解基本的科学概念和观点；(2)理解科学探究的本质和过程；(3)有日常的信息消费的模式。
“四要素说”的主要代表是PISA项目，将科学素养定义为“应用科学知识来确定问题，得出(或提出)基于证据的结论能力，以便理解并帮助作出关于自然世界的决定，并且通过人类的活动做出调整”。从科学知识、科学能力、科学情境、科学态度四个方面，对青少年的科学素养进行测评[4]与此相似。中国学者王素认为，科学素养应包括以下四个核心要素：(1)对科学技术的理解；(2)对科学、技术、社会三者关系的理解；(3)科学的精神和态度；(4)运用科学技术解决日常生活及社会问题的能力。中国《2001～2005年中国青少年科学技术普及活动指导纲要》[5]提出从科学态度、科学知识和技能、科学方法以及科学行为习惯等四个方面开展科普活动[6]。
“五要素说”代表美国学者克鲁佛(L.E.Klopfer)将科学素养概括为：(1)了解重要科学事实、概念、原则和理论；(2)将有关科学知识应用于日常生活情境中的能力；(3)具有利用科学探究过程的能力；(4)理解科学性质的一般原理和科学、技术与社会的相互作用；(5)具有明智的对待科学的态度以及对与科学有关的事物的兴趣[7]。
“六要素说”代表恩哲(S.K.Enger)等人撰文指出，促进科学素养的科学教育评估框架应该由基于科学的6个领域组成：科学概念、科学过程、科学应用、科学态度、科学创造力、科学本质。中国《全民科学素质行动计划纲要(2006～2010～2020年)》将科学素养概括为科学知识、科学方法、科学思想、科学精神和解决实际问题的能力、参与公共事务的能力，与“六要素说”基本内涵一致。
此外，还有学者和研究机构从七个要素、八个要素和十个要素描述科学素养的内涵与外延。
由于缺乏分类标准和分析逻辑框架，科学素养至今没有形成有共识的概念。要强化青年科学素养的首要任务就是清晰界定科学素养的内涵和外延。本文认为应该从科学和素养的基本内涵出发，提出科学素养的分析逻辑框架。
“素质”作为一个医学名词是指趋于患某种变异或疾病的身体倾向或体质的倾向，对应的英文表达是diathesis。“素质”一词在心理学中的含义扩大为某种个性或能力的倾向或先天基础条件。“素养”是一个教育学名词，指有文化的状态，尤其是指有阅读和写作能力的状态，通常指基本文化素养，英文为literacy。attainments也被翻译成“素养”，指达到的状态或获得的成就。“素质”具有先天性，“素养”具有后天性。随着“素质”概念使用日益广泛，“素质”在中国的内涵逐步外延为既包括先天的素质，也包括后天的素养。《美国传统词典》认为，“科学”一词有以下四种含义：一是对现象所进行的各种探究活动；二是方法学活动、学科或研究；三是需要特定研究和方法的活动；四是知识，尤其指经验知识。因此，本研究的“科学素养”包括“科学造诣”(scientific attainments)和科学素养(scientific literacy)，“涉及科学内容的读和写的能力”。
本文认为从“科学”和“素养”两个维度研究科学素养，在清晰把握“科学”内涵和“素质”内涵前提下，提出科学素养构成要素，有利于比较和深化对科学素养的认识。李象益和李亦菲从“科学”(探究活动、方法论层面的活动、应用性活动、知识)和“素养”(读的能力和写的能力)的不同组合角度分析科学素养，提出科学素养八要素模型，如表1所示。
李亦菲将“科学”解释为“科学过程与方法”、“科学知识”、“科学应用”等三个要素，与“素养”两要素组合形成科学素养“六要素模型”，如表2所示。
综合已有研究，本文从“科学知识”、“科学过程”、“科技成果”三个方面表征“科学”，从“读(理解)”、“写(表达与应用)”、“悟”(情感与态度)三个方面表征“素养”，从科学和素养两个维度表征科学素养，形成科学素养“九要素模型”，如表3所示。
根据科学素养“九要素模型”，可以将科学素养定义为个体理解科学知识、科学过程和科技成果，并利用它们解释自然和社会现象、从事科学探究、解决实际问题的能力，并包括个体对待科学知识、科学过程和技术成果的情感态度。
一方面，可以从“科学”这一维度，将科学素养分为科学知识素养(literacy based-on scientific knowledge)、科学方法素养(literacy based-on scientific process)、科技成果素养(literacy based-on scientific achievements)。其中，科学知识素养是对科学知识的理解、表达和感悟能力，包括“理解科学知识”、“表达科学知识”、“尊重科学知识”三个方面；科学方法素养是对科学方法的理解、运用和感悟，包括“理解科学过程与方法”、“开展科学探究”、“遵循科学规律”三个方面；科技成果素养是对科技成果的理解、应用和感悟，包括“理解科技成果”、“解决实际问题”、“善待技术成果”三个方面。
另一方面，可以从“素养”这一维度出发，将科学素养分为“基础科学素养”(basic scientific literacy)、“实用科学素养”(practical scientific literacy)、“文化科学素养”(culture scientific literacy)。其中，基础科学素养属于认识层面的要求，包括“理解科学知识”、“理解科学过程与方法”、“理解科技成果”三个方面；实用科学素养属于实践层面的要求，包括“表达科学知识”、“开展科学探究”、“解决实际问题”三个方面；文化科学素养属于情感态度层面的要求，包括“尊重科学知识”、“遵循科学规律”、“善待技术成果”三个方面。
3. 路径分析法及其在科学素养研究中的应用
路径分析(path analysis)由美国遗传学家S.赖特于1921年首创，通过测量变量之间的共变关系来检验研究者所提出的影响、预测或因果关系，检验假想的因果模型的准确性和可靠程度[8]。
美国学者米勒在“网络时代中成年人科学知识的学习”一文中，利用路径分析法建构了一个预测公民科学素养的路径模式(参见图1)[9]。在这一路径模式中，印刷媒体、电视、网络、博物馆(及非正式学习资源)是成人学习科学知识的四个主要途径，是影响公民科学素养的直接因素；对科技问题的兴趣、是否有未成年子女、教育程度、年龄等因素主要通过影响四个来源而间接影响科学素养，是影响科学素养的间接因素；修学科学课的数量、宗教信仰、性别等因素则既影响学习科学知识的途径，也直接影响科学素养，是影响科学素养的基本因素。
在路径模式中，各种影响因素按从左到右的方式排列，显示出各因素之间的关系。因素间的每一条路径都代表了两个变量之间显著的统计学相关，路径系数表示在其他变量不变的条件下，两个变量之间的部分相关性；关系的方向则通过箭头表示。分析图表中所有路径，能够得到有关公民科学素养影响因素的丰富信息，并据此推测公民科学素养的形成机理。
例如，宗教信仰与电视利用成正相关(0.07)，电视利用又与公民科学素养成负相关(-0.10)。将这两个路径系数相乘，就能得出宗教信仰通过这一路径对公民科学素养的影响(-0.007)。此外，宗教信仰与公民科学素养之间还有直接的路径系数(-0.19)。这说明前面的路径低估了宗教信仰与公民科学素养之间的相关性。综合这两条路径的系数，可以得出宗教信仰对公民科学素养的总效应为-0.2。
图1 预测公民科学素养的路径图
Figure 1 the path diagram to predict the civic scientific literacy
4. 青少年科学素养的路径关系模型建构
我国历次科学素养调查中都考察性别、年龄、文化程度、职业、城乡、地区等背景因素对公民科学素养的影响，也关注公民获得科技信息的主要渠道。参照公众科学素养调查的做法，并结合青少年身心和学习特点，青少年科学素养的影响因素指标包括“群体因素”、“个体因素”、“环境因素”、“教育与学习方式”等一级指标。
“群体因素”指将个体分为特定类群的生物性特征或社会性特征，前者是先天决定的，后者是社会赋予的，是青少年科学素养形成和发展的基础条件。“群体因素”包括自然因素和社会因素等二级指标。其中，自然因素包括种族、性别、年龄等三级指标；社会因素包括居住户籍、学段等三级指标。“个体因素”指个体所具有的个性心理特征，既是青少年科学素养的重要影响因素，也是科学素养的具体内容。“个体因素”包括认知因素和情感态度因素等二级因素。其中，认知因素包括注意力、记忆力、思维能力、学业成绩(含文理科倾向)、元认知能力等三级因素；情感态度因素包括兴趣、动机、价值观、意志力等三级指标。“环境因素”是个体所处环境的有关特征，是影响青少年科学素养的外部因素。“环境因素”包括社会环境、学校条件、家庭条件等二级指标。其中，“社会环境”包含特定地区的文化习俗、科普场所、科普活动、大众媒体(含互联网)等三级指标；“学校条件”包含学校类别、硬件设施、师资队伍、学校管理等三级指标；“家庭条件”包含家庭结构、父母文化程度、父母职业、家庭经济状况等三级指标。
“教育与学习方式”是青少年在科学方面所接受的教育与学习方式。在“教育与学习方式”之下，包括学校教育、家庭教育、自主学习等二级指标。其中，“学校教育”包含学科教学、校本课程、课外和校外教育等三级指标；“家庭教育”包含教养方式、家庭氛围等三级指标；“自主学习”包含自主阅读、主动求助、参加竞赛等三级指标。自主学习与社会环境及有关的社会教育等密切相关。
在现实生活中，每个人都具有年龄、性别、所属区县等相关属性，因此，各种因素对青少年科学素养的影响往往是同时发生作用，并且在各因素之间存在着复杂的相互作用。为深入了解青少年科学素养形成机理，需要考察这些变量是如何相互作用、共同影响青少年的科学素养。对影响青少年科学素养的群体因素、个体因素、环境因素、学习条件进行细致分析，并利用路径分析法的基本思路，建构青少年科学素养形成机理的预测关系模型。
本文首先系统梳理可能影响青少年科学素养的主要因素，包括四个方面：(1)群体因素，包含性别、年龄、区域、户籍、学段等；(2)个体因素，包括智力水平、对科学的兴趣等；(3)环境因素，包含居住环境、学校条件、家庭条件等；(4)学习科学的条件，包含学校教育、家庭教育、自主学习等。其次，分析各种因素与青少年科学素养的关系，并对各种因素与青少年科学素养的关系做出预测，不仅要预测是否有关，还要预测关系的方向和程度。从方向上看，可分为正相关和负相关，分别用“+”和“-”来表示；从程度上看，可分为高度相关、中等程度相关、低相关，分别用H、M、L表示。例如
指高度正相关，
指低负相关。无相关可以用0表示，完全相关用1表示。根据以上规定，对9种主要因素与科学素养的关系预测如下(见表4)：
根据各因素与青少年科学素养的关系以及各因素之间的关系，可以绘制青少年科学素养形成机理路径图，如图2所示。
图2 青少年科学素养形成机理的路径图
Figure 2 the path diagram of the formation mechanism of the youth scientific literacy
在路径图中，群体因素、个体因素、环境因素等为外效标变量(或称外衍变量)，教育与学习方式则为内效标变量(或称内衍变量)。内效标变量既是影响科学素养水平的预测变量，也是受到各种外效标变量影响的效标变量。
图2阐释了群体因素、个体因素、环境因素以及教育和学习方式等一系列变量是如何被排列到与青少年科学素养增长相联系的关系中。在这一路径图中，从左至右表示出变量之间的因果关系或影响；每一条路径代表了两种变量之间显著的统计学相关，关系的方向通过箭头表现出来。图3是根据北京市的一次调查获得的数据绘制的预测青少年科学素养的路径图。
图3 预测青少年科学素养的路径图
Figure 3 the path diagram to predict the Adolescent scientific literacy
图3既考虑了个体因素、群体因素、环境因素以及教育和学习方式对青少年科学素养的影响，同时还清楚地展示了不同要素之间的影响关系。图中变量对青少年科学素养的影响可分为三类：(1)学生自主学习对青少年科学素养水平为直接影响，因为两者之间的箭头没有通过中介变量的影响；(2)学校教育、性别、对科学科目的兴趣、学校设施的利用、父母文化程度等预测变量对青少年科学素养的影响既包含直接影响，也包含间接影响；(3)家庭教育、学段、所属区县、户籍等对青少年科学素养的影响为间接影响，即通过其他中介变量影响科学素养水平。由模型中数据还可以看出，学校教育和学生自主学习对青少年科学素养有积极的贡献(影响值分别为0.160和0.054)，但家庭教育对青少年科学素养预测效应不显著。这意味着当学校教育、学生自主学习对青少年科学素养的影响保持不变时，家庭教育的边际价值不显著。
5.主要研究结论
(1)本文综合已有研究提出从“科学”和“素养”两个维度表征科学素养，使科学素养内涵外延表述更有逻辑性、概括性。
(2)本文从“科学知识”、“科学过程”、“科技成果”三个方面表征“科学”，从“读(理解)”、“写(表达与应用)”、“悟”(情感与态度)三个方面表征“素养”，从科学和素养两个维度表征科学素养，形成科学素养“九要素模型”，思路清晰、结构合理，解释力更强。
(3)本文系统分析了影响青少年科学素养的主要因素，采用路径分析法绘制了青少年科学素养的路径模式，为探索青少年科学素养的形成机理提供了工具支持和数据支持。