高中生科学素养模型的构建及其实证研究_科学素养论文

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       一、科学素养研究的新进展

       科学素养是国际科学教育的核心目标，随着研究的深入，其内涵也不断地丰富起来。早在1983年Miller就提出了科学素养的三维模式，包含科学概念的理解，科学过程和科学本质的认识，以及科学、技术和社会的相互关系的认识三个方面。[1]随后，美国《国家科学教育标准》指出：科学素养就是对个人决策、参与公共和文化事务以及经济生产所需要的科学概念和过程的知识和理解。[2]进入21世纪，科学素养研究走向解构的生态范式。

       首先，内涵进一步拓深。Kyunghee等认为科学素养包括五个要素：内容知识；思维习惯、性格和价值观；科学作为人类努力探索的过程；元认知；自我引导。[3]该框架强调从全球公民普适性的视角来思考科学素养。Olander认为科学素养主要有七个方面，即正确的阐释、科学的结构、科学技能培养、扎实的基础、科学地处理日常问题、自己做决定、自我解释。[4]而Kawamoto则强调科学素养体现在：对科学知识的掌握、科学与社会的关系、对科学信息真伪的鉴别三个方面。[5]可以看出，新世纪的公民需要综合地理解科学问题，从而培养系统思考的思维习惯以及沟通与交流的能力。

       其次，强调阅读、讨论、写作等基本活动对于科学素养形成的重要性。Norris指出人们往往注重科学素养概念的派生意义，却往往忽视其最基本的意思，导致他们无法找到科学素养的核心组成部分。素养的本来意义是识字，强调阅读和写作。[6]如果在阅读中能获取这些隐含的信息，则可以通过“社会性科学问题(Socio-scientific Issue)”的讨论进一步提升学生的科学素养。Roberts等人的研究表明，在适当的训练之后，学生在涉及社会性科学问题时，对科学有了更深的理解，比如特别对科学家声称的证据加以审视。[7]它以组织与表达观点的过程为中心，通过有效引导学生参与关于科学议题的写作与交流活动，从而对知识形成的过程有了新的理解。

       再次，强调实践能力、创新精神的培养。Roth(2002)的案例表明，通过实践活动(比如探究身边的一条小河来习得关于环境与健康的科学知识)，学生所呈现的科学素养形式更高级，获得的科学认识更丰富。[8]2013年美国发布的《下一代科学教育标准》前瞻性地提出科学素养的基础内容应包括：学科核心概念、科学与工程实践、跨学科概念三个核心，其中科学与工程实践特别强调学生的实践能力和创新精神。[9]

       二、高中生科学素养问卷的编制与构成模型

       在大量文献研究的基础上，本研究自编问卷，并将编制好的原始问卷请相关领域的专家进行诊断分析，根据反馈意见进行修改，然后施测。用SPSS软件计算出内部一致性系数α值为0.846(＞0.8)，表明信度良好。通过数据分析，发现KMO=0.919(＞0.7)，sig=0.000(＜0.05)，表明适合进行探索性因素分析。当提取七个因素时，“解释的总方差”中数据表明七个因素共累积可以解释75.737％(＞50％)的变异量，表明将科学素养解构为七个维度是合适的。

       通过数据分析以及已有的科学素养理论，结合高中生的特点，科学素养被解构的七个维度大体可以凝练为三部分，即：具体内容、形成路径、表现形态。具体来说，即科学素养包含科学知识、科学情感态度、科学方法三个方面；实现科学素养的核心路径为科学阅读与写作、社会性科学问题讨论、实验与工程技术实践三个渠道；科学素养的最终品质体现在批判与创新，共计七个维度。本文构建的三层七要素科学素养模型如图1所示。

      

       图1 高中生科学素养的三层七要素模型

       科学素养的具体内容，在某种层面上来说更多的是静态存在，包括科学知识：科学的概念、假说、原理、实验等核心内容；科学方法：学生在接受知识的同时会对蕴蓄于知识内的科学方法有所领悟，如形象、逻辑、抽象等不同的思考方式；科学态度、情感：学生对科学学习的总体认知与评价，态度、情感直接影响学生知识可持续发展的程度。

       科学素养的形成路径，则是一种动态生成的过程，包括科学阅读与写作活动：身处信息时代的学生能够通过众多渠道获取大量与科学相关的素材，利用自身的知识对信息进行甄别、选择、重组、转述与评论等；科学实验活动、工程技术实践：实验并不是学生对教材内容的机械重复，而是基于理性分析的有目的，系统化的科学实践活动；社会性科学问题讨论与合作交往：科学不是某位科学家通过一己之力完成的知识建构，而是科学共同体通过社会讨论而确定的研究范式。

       科学素养的最终品质体现在批判与创新的科学本质精神。科学的本质特征是不断尝试、修正、否定、超越，科学理论随时面临“新”现象的挑战，处于不断完善的动态过程中。学生批判与创新的科学本质精神的达成，不仅是科学教育追求的最高境界，更是未来科学发展的动力之源。

       三、实证研究及结果与分析

       本研究问卷分为两部分：一为基本信息，包括学生的年级、性别、理化生成绩等；二为正文，问题以李克特量表的形式呈现，共七个维度，每个维度均为4道题，共计28道。选项“1”为非常不符合、“2”为比较不符合、“3”为一般、“4”为比较符合、“5”为非常符合，分别记1至5分。学生来源于北京市城区市级示范、区级示范和普通中学各两所，发放问卷1200份，收回有效问卷共计1034份。其中高一366人、高二342人、高三326人；男生538人，占52％；女生496人，占48％。

       (一)学生科学素养的总体情况：位于“一般”与“比较好”之间

       三个年级学生科学素养各维度均值位于区间(13.06，15.96)之内，即位于“一般”(12分)与“比较好”(16分)之间，其中得分最高的维度为社会性问题讨论与合作交往，均值为15.82，得分最低维度为科学阅读与写作活动，均值为13.45。因此，高中学生科学素养的总体水平并不乐观。具体如图2所示。

      

       数据分析结果表明：

       (1)学生科学素养发展水平在三个年级上的总体情况为，高二总体水平最高(年级均值为15.25)，高三总体水平居中(年级均值为14.97)，高一总体水平最低(年级均值为14.60)。高一学生刚由初中升入高中，知识的难度大幅增加，在这一时期内，学生往往忙于应对初高中知识的衔接，而对于科学素养中涉及的部分内容，例如科学写作与阅读，科学实验活动与工程技术实践，社会性问题讨论与合作交往等内容，还无暇顾及。高三学生面临高考，绝大部分时间、精力花费在复习、练习上面，因此，高三年级学生的科学素养相较于高二年级学生反而有所下降。

       (2)学生科学素养各维度水平由高到低为：社会性问题讨论与合作交往＞批判与创新的科学本质精神＞科学态度、情感＞科学核心知识＞科学方法＞科学实验与工程技术实践＞科学阅读与写作活动。这一结果表明，学生一般具备较好的静态科学知识以及对科学态度和精神有一定的了解，如27.4％的学生能深刻掌握所学的核心科学知识；但对于如何将知识学以致用、如何灵活地运用科学方法等方面，往往不知所措。只有15.1％的学生在问题解决时，能灵活综合运用各种适宜的科学方法。科学实验与工程技术实践、科学阅读与写作活动学生得分较低的原因在于，它们在我国现行的科学教育实践中仍然没有获得重视，只有8.3％的学生会设计一些新的更合理的实验方案，10.6％会解决一些实际生活中的科学问题。教育功利化的取向导致我们往往片面地追求对分数贡献立竿见影的静态知识。

       (二)物理、化学、生物成绩与科学素养七个维度的相关性：关注知识和方法，忽视实验的科学教育

       物理、化学、生物是我国高中科学教育的主要科目，为了讨论学科对科学素养不同维度的贡献，本研究计算了学生理、化、生成绩与科学素养七个维度的相关性。具体如表1所示。

      

       数据分析结果表明：

       (1)科学知识与科学方法两个维度，与理、化、生三科成绩均显著相关，尤其是方法维度。这表明以考试成绩作为评价依据，在某种程度上能够反映出学生的知识储备量和方法的掌握程度；同时也表明，科学知识和科学方法是学生实然科学素养的重要内容。理科成绩优秀的学生不仅拥有较多较深的知识，更重要的是掌握较为优越的科学方法。科学的本质在于方法，科学方法会以科学知识为载体渗透在教学的每一个环节中。物理、化学、生物三门学科作为科学课程的重要内容，其蕴蓄的方法具有一定的关联性，这些方法是引导学生知识可持续发展的重要途径。

       (2)科学实验与工程技术实践维度的得分，与理、化、生三科成绩均没有相关性。这表明，实验方面的教学没有得到重视，同时以纸笔测验的方式来考查学生的科学素养是不全面的。在高中理科教学实践中，由于对实验价值缺乏足够的认知，加之高考升学压力、实验硬件条件等因素限制，仅有约1/3的教师能够正常开展实验教学；绝大部分教师理念上认同利用实验进行科学探究，然而实践中容易将其与应试二元对立起来，导致绝大部分实验均为验证性的简单实验；由于学生实验习惯和态度、课时、课堂管理以及教师自身素养等因素，实验过程中学生积极性并不高，往往照单抓药，缺乏问题意识和持续探究的热情。[10]

       (3)物理成绩，仅仅是与学生科学知识和方法显著相关，与其他维度没有相关性。这表明，在物理教学实践中，我们对科学态度、阅读与写作、社会性科学问题讨论、实验、创新等方面关注得远远不够。这就是我们通常所批评的应试教育，考试往往围绕着对教材知识的记忆、再现、理解与简单应用而进行，这种客观知识体系的教育，主要依赖于逻辑推理和经验实证，漠视了学生对教材知识作出独特理解、质疑、批判与表达，也忽视了教师对知识的再创造和批判性思维，为了考试而教、为了考试而学，这是教育难以承受之殇。

       (4)化学成绩，除科学知识和方法外，还和科学阅读与写作、创新精神等显著相关。化学相对而言，更贴近学生实际生活经验，化学与社会、经济、环境等息息相关。学生容易获取大量的阅读材料，不仅能学会相关科学知识，更多的是从中学会对信息进行提取、辨别、重组等能力，在批判性的思考中培养创新意识和能力。同样需要指出的是，化学教学实践中对情感态度、实验、社会性科学问题的讨论等方面还有待进一步加强。

       (5)生物成绩，除科学知识和方法外，还与科学情感态度、社会性科学问题讨论、创新等维度显著相关。生物学科对于社会的影响往往更加直接、剧烈，例如经常能够接触到的食品、药物、健康、转基因、克隆等，都是生物学科经常探讨的社会性问题；另一方面这些问题对于人类的生存有着强烈的影响，因此对这些问题的探讨实际上也是对人类未来走向的探讨，让学生能在科技发展如此迅速的时代，有基本的道德底线和价值追求。

       (三)年级之间在科学素养七个维度上的差异性：三年中学生科学素养没有显著发展

       为了讨论高中三年学生在科学素养方面的发展情况，本研究分析了三个年级两两之间在科学素养各个维度上是否存在显著性差异，具体如表2所示。

      

       数据分析结果表明：

       (1)在科学知识维度上，高一与高二具有显著性差异(Sig=0.001)，高一学生与高三也具有显著性差异(Sig=0.003)，而高二与高三之间不存在显著性差异。高一是初中与高中的衔接阶段，学生开始接触大量新知识，因此高一与高二、高一与高三之间，学生在知识储备量方面具有显著性差异。高二年级阶段，教师应当更加关注学生掌握知识的程度与水平，引导学生构建合理有效的知识结构，从而从广度和深度上对知识进行系统加工。由于高三年级处于知识的复习阶段，很少有新知识摄入，这不利于科学素养的提升。

       (2)在科学方法维度上，高一和高二之间具有显著性差异(Sig=0.020)，而与高三之间却没有。一方面，高二学生相较于高一学生拥有更多的陈述性、程序性知识，在知识积累以及科学探究的过程中，学生自身逐渐形成适用于自身的科学方法；另一方面，高三学生由于处在复习阶段，主要以机械复习旧知识为主，在做练习题的同时教师可能会教授给学生不同的解题方法，但其只能视为科学方法的一部分，与在实际情景中解决问题的实际方法相去甚远。

       (3)在科学阅读与写作维度上，高一年级和高二年级具有显著性差异(Sig=0.022)。高二年级学生在能力和精力方面相较于高一年级和高三年级学生更具优势。高二年级学生相较于高一年级学生拥有更多的知识储备量，学生的知识面和知识量增多，有助于学生对于课外科学读物的选择与阅读。高二年级相较于高三年级学生可自由支配的时间更多。因此，科学阅读与写作需要一定的知识基础和自由时间，教师在平时的教学过程中也应当注重培养学生的科学阅读与写作意识，让学生自觉、自愿地完成科学阅读与写作活动。

       (4)我们从上表可以惊异地发现，学生科学素养在三年并没有显著的发展，不仅如此，在许多维度，高三水平反而还略低于高二。尤其是科学情感态度、科学实验活动等方面，高三学生水平仅与高一相当。因此不能仅仅关注静态的线性逻辑，而要大力挖掘丰富的科学思想、方法；我们不仅要关注科学世界，更应该关注学生丰富的生活世界；强调获得知识的结果，更要看重探究的过程等。从而让学生在高中三年的学习生涯中，不仅在知识量上有所积累，更应该在科学素养上有跨越式的发展。

       (四)性别与科学素养各维度的显著性差异：性别没有显著性差异

       数据分析结果表明：

       (1)总体而言，性别在科学素养七个维度上均没有显著性差异。

       (2)具体而言，男生在科学知识、科学方法、科学态度、阅读与写作活动、批判与创新等五个维度上略强于女生。女生在科学实验活动、社会性科学问题讨论两个维度上略强于男生。

       四、有效提升学生科学素养的教学策略

       (一)充分利用理、化、生等学科的不同特征，针对性地提升学生的科学素养

       数据表明，科学知识、科学方法两维度与物理、化学、生物三科成绩均显著相关；实验与工程技术实践和各学科成绩均不相关；科学态度情感、社会性科学问题讨论与生物成绩显著相关；科学阅读与写作和化学成绩显著相关等等。因此，在教学过程中教师应当明确把握理、化、生的不同学科特征，丰富教学内容，以弥补学科内容方面的不足。例如：社会性科学问题讨论与合作交往维度和生物成绩具有显著性差异。分析可知，在学生的经验领域中，生物对于改善人类生存环境具有重要意义。物理教师和化学教师应当以此为据，将教学内容与社会生产实践充分结合，引导学生理解所谓的“定理”和“定律”，只有具有高度解释能力和预测能力的“范式”，才可以修正和完善内容，进而培养学生的批判意识与创新精神。

       (二)充分了解不同年级学生的学习特征，可持续地提升学生的科学素养

       在科学素养的七个维度上，基本上是高二年级水平最高，高三其次，高一最低。因此教学中教师应当明确把握不同年级学生的学习特征，持之以恒地促进学生科学素养的提升。高一初涉高中知识，在科学素养的七个维度上总体水平偏低，教师应当注重科学知识的建构与科学方法的训练，为后续的学习奠定良好的基础。高二年级的学生已经积淀了一年的高中物理、化学、生物等学科知识，在这一时期内，教师可以适度增加知识的难度与广度，通过阅读、讨论、实验活动、合作交往等让学生充分接触更为丰富的知识和多元的思维方法。在高三阶段教师应当格外注重学生显性科学方法的教育，让学生主动建构系统的科学知识结构，学以致用到各种问题情境中，从而发展学生的科学素养水平。

       (三)正视男女学生存在的差异，全面提升所有学生的科学素养

       总体而言，男女学生在科学素养的七个维度上不具有显著性差异，表明我们有理由和信心提升全体学生的科学素养。但是我们也要看到具体细节方面男生和女生的差别，从而更好地有针对性地进行指导。男生在科学知识、科学方法、基本态度、科学阅读与写作、批判与创新等方面略强于女生，女生在科学实验活动、社会性科学问题讨论等方面略强于男生。因此，教师应当在一定程度上摈弃传统的“刻板印象”，例如我们往往认为男生的动手能力远强于女生，女生对于知识的记忆能力远强于男生等等。事实上，男女学生在科学学习上并不存在本质区别，仅仅是程度和倾向的差别而已，因此教师需要依据具体情况，扬长避短，取长补短，促进全体学生科学素养的和谐发展。

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