初中生科學探究能力的調查研究

一、問題提出

在經合組織（OECD）組織進行的2009年國際學生評估項目（PISA）測試中，上海中學生在閱讀、數學和科學素養三方面均排名全球第一。這個測試結果讓不少人士感到歡欣鼓舞，使備受詬病的我國基礎教育有了信心和更多期待。但也有研究者認為PISA測試的還是知識，這本來就是我國學生的強項，這個測試結果不足為奇，不能由此遮蔽我國基礎教育的弊端，尤其是探究能力、創新能力的不足。探究能力是我國基礎教育改革的重要目標，然而至今我們還沒有看到系統的測試報告，我國一般是在學科考試中設置幾道探究試題，這種小題量顯然很難有效反映學生的探究能力。為便于國際比較，本研究將用一套國際著名的探究能力測試題進行測試，以了解我國初中生的科學探究能力現狀及其影響因素，并為改善探究教學提供科學依據。

二、研究方法

1.測試對象

在廣西14個地級市中，把每市的城市、鄉鎮初中學校按照重點、一般和薄弱進行分類，每類學校隨機抽出1所學校，再從每所學校隨機抽出50名九年級學生，共4200名。城鄉學生各2100名，男女生各2187名、2013名。

2.數據收集和處理

探究能力采用美國的Burns等人開發的探究測試題進行測試，共36道選擇題，分別測試定義變量、識別變量、猜想假設、探究設計和分析數據等探究能力，信度為0.86，區分度為0.55。科學興趣、探究程度調查采用自編問卷進行調查，共15道選擇題、3道開放題，信度為0.76。地理、生物、化學和物理成績采用各學期期考成績的平均分。使用SPSS18.0工具對數據進行處理，計算均分差異顯著性和相關系數。

三、結果和討論

1.初中生探究能力的表現水平

從表1看到，本次測試平均得分率是56.5%；而上世紀80年代伯恩斯等人對美國九年級學生進行測試，平均得分率54.2%[1]；早幾年又有研究者用這套試題對美國九年級學生進行測試，平均得分率55.6%[2]。這次測試結果表明受測試的初中生探究能力并不遜色，雖然我國提倡探究教學不過十年光景，但畢竟有后發優勢，有很多經驗可資借鑒，在培養學生探究能力方面已見成效。

下面再逐一分析學生在各個探究要素上的表現水平。

定義變量即把需要操縱的自變量、觀測的因變量具體化，使之具有可操作性。例子：一組學生在研究輪子的寬度對滾動難易程度的影響，他們首先把寬輪子和窄輪子安裝在兩輛相同的小車子上，分別讓它們從斜面滾下，并在水平面繼續運動。那么，為了比較輪子滾動難易程度，學生們會測量什么呢？A測量兩輛小車的運動距離；B測量斜面的傾斜程度；C測量兩種輪子的寬度；D測量兩輛小車的重力。這道題要求把因變量“輪子滾動難易程度”具體化，正確答案為A，得分率為55.3%。定義變量共9道題，平均得分率54.5%，這個結果說明學生的實踐意識和能力較差，或把抽象概念轉化為具體概念的能力較差，這與學生探究經歷不足有關。

識別變量即找出自變量、控制變量和因變量。例子：小華很想知道地球和海洋是不是被太陽同等地加熱，于是她用兩個相同的桶分別裝上相同體積的土壤和水，然后讓它們接收同樣多的太陽光照射。從上午8點到下午6點，小華每隔一小時就測一次土壤和水的溫度。該研究的自變量是什么？A放在桶里的水的種類；B水和土壤的溫度；C放在桶里的材料的種類；D每個桶在太陽中照射的時間。這道題答案為A，得分率22.3%。識別變量共9道題，平均得分率23.6%，得分率之低也許令人驚訝，但在筆者的意料之中，因為國內現行各個版本的初中理科教材無一出現自變量、因變量和控制變量這些概念，而大部分教師擔心增加學生負擔，也沒有在教學中涉及這些概念，以致大部分學生答題時憑猜測來揣摩這些概念的意思，接近1/4的得分率也恰好符合猜測規律。

猜想假設即運用知識和經驗對問題進行試探性解釋或解決。例子：小剛在研究豆類植物的食物含量，他測量了淀粉含量，以此當作豆類植物中的食物含量；他還能改變植物所接收的光量、二氧化碳量和水量。那么，在這個研究中，小剛要檢驗的假設是什么呢？A豆類植物得到的二氧化碳越多，它產生的淀粉就越多；B豆類植物產生的淀粉越多，它需要的光量就越多；C豆類植物得到的水越多，它需要的二氧化碳就越多；D豆類植物得到的光量越多，它產生的二氧化碳就越多。這道題答案為A，得分率52.3%，答錯者多數選了B，因為B是對一些豆類植物成立的書本知識，這些答錯者就把書本知識當作正確的猜想假設，以為猜想假設總應該與知識吻合，但本題考查的并非知識，而是能否把欲探究的因果關系找出來，錯選B表明潛在的“唯師唯上唯書”思想在作祟，還未建立開放的探究意識，未能區分探究和知識的關系。猜想假設共9道題，平均得分率63.7%，丟分的原因基本與以上類似。

探究設計即從操作角度把猜想假設具體化、程序化。例子：小明認為籃球內的氣壓越高，它的彈跳就會越高。為了檢驗這個假設，他用幾個籃球和一個能充氣的氣泵來進行探究。小明會怎樣檢驗他的假設呢？A用不同的力把籃球從相同高度丟下；B讓內氣壓不同的籃球從相同高度自由落下；C把內氣壓相同的籃球從不同角度丟下；D讓內氣壓相同的籃球從不同高度自由落下。這道題答案為B，得分率為85.3%。探究設計共3道題，平均得分率83.4%。這3道題考查的都是能否運用控制變量法判斷探究設計的合理性，說明學生對控制變量這個方法掌握較好。

分析數據即分析變量數據之間的關系，歸納出結論。例子：一個研究人員在研究植物生長需要多少水量時，給5塊相同的小塊土地施了不同的水量。兩個月后，他測量了植物的高度，數據呈現在圖中，從圖中可看出植物生長與水量有什么關系？A增加水量會增加植物的高度；B增加植物的高度會增加水量；C減少水量會增加植物的高度；D降低植物的高度會減少水量。這道題答案為A，得分率為82.3%。分析數據共6道題，或者給出圖形，要求判斷變量之間的關系，或者給出兩個變量的數據表，要求判斷哪個圖正確描繪變量之間的關系。這6道題的平均得分率85.2%，說明學生能較好地利用已有數據或圖形進行推理分析、歸納出結論。

2.不同學生群體的探究能力差異

對于性別差異，表2表明男生總體稍強于女生，但差異不顯著。在這方面，國內外不同研究者的結論差異較大，有的發現男生比女生強，有的發現男女生相當[2]。在本研究中男女生表現相當，是因為隨著我國社會不斷進步，教育條件不斷得到改善，男女生有了同等教育機會，提高女生學習質量的研究和關照日趨加強，影響性別差異的一些因素逐步消失。但總體表現也許難以反映男女生的探究特點，深入到各探究要素會有助于了解男女生的不同探究特點。從表2看到，在定義變量方面男生更強些，因為男生更喜歡動手探究，有更豐富的探究經歷，這些特點有助于男生把抽象變量轉換為可操作的具體方法；而在探究設計方面女生更強些，這與男女生的平時探究表現很一致，男生膽子更大，好奇心和動手操作欲望更強，急于動手操作，往往在動手和嘗試中調整設計；而女生膽子小些，在動手操作之前更謹慎、細心些，往往是先設計后動手，因此女生形成了良好的探究設計習慣和行為。至于在識別變量、猜想假設和分析數據方面，男女生稍有差異，但不顯著。

對于城鄉差異，表2表明城市學生總體強于鄉鎮學生，差異極其顯著；在定義變量和探究設計方面，也是城市學生強于鄉鎮學生，差異顯著。這些發現與一些國外研究發現不同，這顯然是國情不同造成的。我國城鄉教師素質、硬件配備等教育資源差異很大，鄉鎮學生很少經歷完整探究過程，實驗探究往往變成“理論探究”，即在嘴上講探究，在黑板上畫探究，在作業本上練探究。紙上談兵對陳述性知識是奏效的，但對程序性知識卻很難奏效，后者需要在具體情境中多次實踐，才能內化為一般能力并遷移到復雜情境中去。在識別變量、分析數據方面，城市學生稍強于鄉鎮學生，但差異不顯著，這是因為這兩個要素的理論色彩更濃，需要運用邏輯推理分析，即使城市學生有更豐富的探究經歷，其優勢也無法體現。但是，在猜想假設方面，卻是鄉鎮學生強于城市學生，差異顯著，這是因為猜想假設既要用到學科知識也要用到生活經驗，而本套試題所需的學科知識很淺顯，城市學生的學科知識優勢發揮不出來，但是在生活經驗方面鄉鎮學生顯然對大自然有更多的接觸認識和經驗，這些經驗優勢使其在猜想假設方面略勝一籌。

3.影響初中生探究能力的若干因素

對于探究要素、探究總體與各學科的相關系數，從低到高依次是地理、生物、化學和物理，但只有與物理的相關系數達到顯著水平，這個結果與其他研究者的發現有異同之處。美國的Lawrenz等人認為，任何科學探究都會涉及一定的學科知識，能否完成每個探究步驟不僅取決于相關的學科知識和技能，還取決于先前步驟的完成質量，因此探究能力與學科知識有關系[2]。但是，以色列Tamir等人認為，雖然科學探究或多或少會涉及學科知識，但它畢竟與學科知識不同，它是一種類似于想象能力、推理能力的獨特認知能力[3]。那么，在測試探究能力時，如何把嵌入的學科知識分離或剔除呢？Burns的做法是把所需的學科知識難度降到最低程度，使幾乎所有學生都具備這些知識，這樣測試結果即能代表探究能力水平。本套試題涉及到了地理、生物、化學和物理學科，測試結果與物理的相關系數最高，進一步證實了探究能力是一種獨特的高水平認知能力，因為這些學科的知識容量、知識難度和科學探究不一樣，相對而言物理知識容量最多、難度最大、探究時間和機會最多，即需要更高的認知水平。

測試結果與科學興趣、課內探究程度和課外探究程度等因素極其顯著相關，這些因素比學科知識更影響探究能力。表明學生對科學具有興趣，其投入科學和探究的精力會更多、牽涉的認知水平會更高；也表明不管是課內還是課外，只要增加探究活動程度，會顯著提高學生的科學探究能力。值得注意的是，測試結果與課外探究程度的相關系數最高。毫無疑問，提高課內探究程度使學生有更多的探究機會，同時能得到教師的更多指導，但課內探究畢竟是自上而下的外在要求，并非完全是學生的內在需求。而課外探究不同，主要是發自內在興趣，興趣驅使學生把探究遷移到課外，這些興趣和活動是提高探究能力的可持續原動力。

盡管測試范圍僅為廣西，但也能窺斑見豹，可以得出初步結論：在可比范圍內我國初中生探究能力總體并不遜色于美國初中生，但總體仍屬于一般，而且各要素水平不平衡，在與實踐相關較大的定義變量和識別變量方面較差，在與邏輯推理相關較大的猜想假設、探究設計和分析數據方面較強；男女生總體相當，但男生在與實踐相關較大的定義變量方面較強，女生在需要耐心細致的探究設計方面較強；城市學生總體強于鄉鎮學生，城市學生主要在需要豐富探究經歷的定義變量和探究設計方面較強，鄉鎮學生主要在需要生活經驗的猜想假設方面較強；科學探究能力與地理、生物和化學知識基本不相關，但與需要較高認知水平的物理知識相關，尤其與科學興趣、課內探究程度和課外探究程度相關。

參考文獻

[1] Burns J C，Okey J R，Wise K C.Development of An Integrated Process Skill Test：TIPS II.Journal of Research in Science Teaching，1985，22（2）.

[2] Lawrenz F，Huffman D，Welch W. The Science Achievement of Various Subgroups on Alternative Assessment Formats. Science Education，2001，85（3）.

[3] Tamir P，Doran R L，Kojima S，et al. Procedures Used in Practical Skills Testing in Science. Studies in Educational Evuluation，1992，19（3）.

（責任編輯 楊 子）