基于“九要素模型”的青少年科學素養指標體系建構

周立軍，李亦菲，趙紅

(1．中國科學院大學管理學院，北京100190;2．北京師范大學教育學部，教育心理與學校咨詢研究所，北京100875)

一、引言

提高青少年科學素養歷來為世界各國所重視，許多國家都將加強青少年科技教育作為課程改革的核心，并為此制定了配套的教育政策和教育目標。一些國際組織實施了針對青少年科學素養的評價項目，如經濟合作與發展組織(OECD)開展的針對15歲學生的國際學生能力評估計劃(PISA)，國際教育成就評價協會(IEA)開展的國際數學和科學學習成就趨勢測評(TIMSS)等。

進入21世紀以來，我國將提高青少年科學素養作為建設創新型國家和全面建設小康社會的基礎性社會工程給予高度重視。2001年，科技部頒布了《2001—2005年中國青少年科學技術普及活動指導綱要》、教育部頒布了基礎教育階段科學課程標準。2006年，國務院發布了《全民科學素質行動計劃綱要(2006—2010—2020年)》，其中，未成年人作為重點人群之首得到關注。

對青少年科學素養狀況進行監測是開展青少年科技教育的基礎工作，有助于增強政策制定與組織推動的針對性，提高科技教育規劃與實施的科學化水平。自1992年起，我國先后開展了八次針對18歲以上成年人的全國性公民科學素養調查。相比之下，全國范圍的針對青少年的科學素養測評工作在我國尚未系統地開展，在一些區域性的評價項目中，有的借鑒公眾科學素養調查的指標［1］，有的借鑒PISA的指標體系［2］，有的則根據科學課程標準采取考試方式進行測評［3］。

制約青少年科學素養狀況監測的首要因素是缺乏青少年科學素養的指標體系與測評工具。本文以科學素養的“九要素模型”為基礎，對青少年科學素養的評價內容進行系統的梳理，建構了青少年科學素養的指標體系，并以北京市的測評實踐為例，介紹這一指標體系的應用情況。

二、科學素養的“九要素模型”

眾多國內外學者或機構在對科學素養的概念進行界定時，大多是從描述具有科學素養的人應該知道或做到的內容來展開，并將科學素質分解為若干組成部分(要素或維度)。由于考察的角度不同，提出的科學素養構成要素也各不相同，歸納起來，主要有“三要素說”、“四要素說”、“五要素說”、“六要素說”、“七要素說”、“八要素說”、“十要素說”等。

其中，“三要素說”的代表人物是美國學者J．米勒(J．Miller)。1983年，他將科學素養分為以下三個維度:(1)對科學原理和方法的理解;(2)對重要科學術語和概念的理解;(3)對科技的社會影響的意識和理解［4］。PISA項目將科學素養定義為“應用科學知識來確定問題，得出(或提出)基于證據的結論能力，以便理解并幫助作出關于自然世界的決定，并且通過人類的活動做出調整”，并從科學知識、科學能力、科學情境、科學態度四個方面，對青少年的科學素養進行測評［5］。與此相似，我國于2001年發布的《2001～2005年中國青少年科學技術普及活動指導綱要》也將青少年科學素養分為科學態度、科學知識和技能、科學方法、科學行為習慣等四個方面［6］。

對三種觀點進行比較，米勒提出的科學素養三要素大致對應于科學方法、科學知識和科學態度，而我國《科普活動指導綱要》提出的“科學行為習慣”與PISA測試中的“科學情境”都強調科學技術在日常生活中的實際應用。

我國于2006年發布的《全民科學素質行動計劃綱要(2006－2010－2020年)》指出:“科學素質是公民素質的重要組成部分。公民具備基本科學素質一般指了解必要的科學技術知識，掌握基本的科學方法，樹立科學思想，崇尚科學精神，并具有一定的應用它們處理實際問題、參與公共事務的能力。”［7］根據這一界定，可以將科學素養的要素概括為“四科二能力”，即:科學知識、科學方法、科學態度、科學精神、解決實際問題的能力、參與公共事務的能力。與“四要素說”相比，這一觀點增加了“科學精神”，并將“科學行為習慣”分解為“解決實際問題的能力”、“參與公共事務的能力”兩個方面，從而形成“六要素說”。

注意到根據單一維度羅列科學素養要素的做法難以系統、全面地闡明科學素養的內涵，李亦菲于2007年采用二維分析的方法，建構了科學素養的“六要素模型”。這一模型將“科學”分解為“科學知識”、“科學過程”、“科學應用”三個方面，將“素養”解讀為“讀(理解)”和“寫(表達與應用)”兩個方面;通過將“科學”和“素養”的構成要素組合，得到科學素養的六個要素(參見表1)。

“六要素模型”從“科學”與“素養”兩個維度分析科學素養，既明確了科學素養的內涵，又展現了科學素養諸要素之間的關系。在利用“六要素模型”分析各種科學素養定義時，發現它沒有包含“科學態度”和“科學精神”兩個要素。為彌補這一不足，在將“素養”解讀為“讀”、“寫”兩個方面的基礎上，增加“悟”(情感與態度)這一水平，從而將“六要素模型”擴展為“九要素模型”(見表2)。

表1 科學素養的“六要素模型”

表2 科學素養的“九要素模型”

根據科學素養的“九要素模型”，一方面，可以從“科學”這一維度，將科學素養分為科學知識素養(literacy based－on scientific knowledge)、科學方法素養(literacy based－on scientific process)、科技成果素養(literacy based－on scientific achievements);另一方面，可以從“素養”這一維度出發，將科學素養分為“基礎科學素養”(basic scientific literacy)、“實用科學素養”(practical scientific literacy)、“文化科學素養”(cultural scientific literacy)。下面，分別對基礎科學素養、實用科學素養、文化科學素養的具體內容進行簡要說明。

1．基礎科學素養

在“九要素模型”中，“科學”主要表現為科學知識、科學方法和科技成果三個方面，與此相對應，對科學的理解也可以分為“對科學知識的理解”、“對科學過程的理解”、“對科技成果的理解”三個方面。這三個方面構成的基礎科學素養大體對應于米勒的“三要素說”所確定的公眾科學素養。下面分別加以說明。

“對科學知識的理解”可以從多個角度進行分析。例如，從知識的性質和類型看，可以分為對科學事實的了解、對科學術語和概念的理解、對科學理論的理解等方面;從知識所屬的學科領域看，可以分為對物質科學的理解、對生命科學的理解、對地球與空間科學的理解。“2061計劃”編寫的《科學素養的基準》沒有按照學科領域分類，而是根據知識涉及的對象進行分類，主要包括自然環境、生存環境、人類機體、人類社會、被改造的世界、數學等6個方面，并將通用概念和思維學習設為兩個特殊的專題［8］。測評“對科學知識的理解”通常采用紙筆測驗的方式進行。

“對科學過程的理解”是指對科學研究歷程和科學探究方法的理解。作為未來社會的建設者，青少年不僅要了解科學研究的發展歷程，而且理解科學探究的基本方法。根據《美國國家科學教育標準》的表述，“科學探究是指科學家們用來研究自然界并根據研究所獲事實證據做出解釋的各種活動。同時，它也指學生構建科學知識、形成科學觀念、領悟科學研究方法的各種活動。”［9］

“對科技成果的理解”主要指對科技成果的原理和功能的認識。在日常生活中，人們通常認為科技成果就是指那些重大的科技發明創造和技術變革，如電話、計算機、克隆技術等。科技部(原國家科委)頒布的科技成果鑒定辦法所規定的科技成果是廣義的，包括科學理論成果、應用技術成果以及軟科學研究成果三個方面。由于科學理論成果表現為科學知識，因此，這里所說的科技成果，主要指應用技術成果和軟科學研究成果兩個方面。

需要說明的是，與米勒所強調的“對科技的社會影響的意識和理解”不同，“對科技成果的理解”主要強調對科技成果本身的理解，而不是對科技成果與社會之間關系的理解。我們認為，從內涵上看，“對科技成果與社會之間關系的理解”屬于科學態度，反映個體對科技成果價值判斷和情感傾向;并且，這種態度是建立在對科技成果的正確理解的基礎之上的。

2．實用科學素養

1975年，美國學者申恩(B．S．P．Shen)將“實用科學素養”定義為個體運用科學知識和技能解決生活中遇到的實際問題的能力［10］。我國的《全民科學素質綱要》也提出“四科兩能力”的界定，將“解決實際問題的能力”、“參與公共事務的能力”作為科學素養的重要組成部分。根據“科學素養的九要素模型”，實用科學素養指表達與應用科學的能力，包含以下三個方面:(1)表達科學知識的能力;(2)開展科學探究的能力;(3)解決個人與社會問題的能力。下面分別加以說明。

“表達與運用科學知識的能力”主要通過兩種形式表現出來，一是借助于書面語言、身體姿態、圖形、模型等方式表達科學知識，并征求和聽取他人意見;二是利用科學知識解釋現象背后的原因、預測事物的變化。無論是美國的國家科學教育標準，還是我國基礎教育階段的科學課程標準，都將“表達與交流能力”作為科學探究能力的重要組成部分。

“開展科學探究的能力”是基礎教育中科學課程的重要培養目標之一，也是青少年科學素養的重要組成部分。在20世紀60年代的國際科學課程改革中，大多數學者認為，科學探究可以被分解為一系列獨立的探究活動，如觀察、測量、分類、推理等;相應的，可以將科學探究能力分解為一些獨立的技能，如觀察技能、測量技能、分類技能、推理技能等。在這些技能中，科學思維和科學推理是核心。

20世紀80年代中期，一些研究者在認知科學研究成果的啟發下，將科學探究看成是問題解決的一種形式。在開展探究時，探究者從自己的“工具箱”里選擇“工具”，對任何一個給定的探究任務，并不需要所有的工具，而是要正確地挑選和使用所需的工具。根據這一理解，美國學者R．米勒(R．Millar)將科學探究能力分為三類:一般的認知技能(如觀察、分類等)、實踐的技能(如知道怎樣使用不同的測量工具)和探究的策略(如知道用重復測量來提高測量的可靠性)。他認為第一種技能是不需要教的，它是所有孩子都擁有的認知的一般特性，其他的兩種技能是需要教的［11］。

“解決個人和社會問題的能力”是青少年科學素養的重要組成部分。國外主要科學教育標準都非常重視對青少年解決問題能力的培養。例如，“2061計劃”強調具有科學素養的人應該能夠“運用科學知識和思維方法處理個人和社會問題”;《美國國家科學教育標準》也指出，有科學素養的人應該能夠“參與就有關結論是否有充分根據的問題所作的社交談話，能識別國家和地方決定所賴以為基礎的科學問題并提出有科學技術根據的見解。PISA測試注重從日常生活取材，強調科學知識在不同情境任務中的運用，主要包括個人的、社會的和全球的三個層次。綜合來看，具備解決個人和社會問題的能力，指能夠對個人和社會面臨的問題進行深入和系統的思考，并能應用科學和技術解決這些問題。

3．文化科學素養

申恩將“文化科學素養”解釋為將科學作為一種對人類文化活動的理解和認同。我們認為，文化科學素養涉及對科學的價值判斷和情感態度，并通過具體行為表現出來。“2061計劃”指出接受過科學教育的兒童應該具有以下5個方面的科學態度:(1)好奇心，表現為善于提出問題，并且積極地去尋求答案;(2)尊重證據，表現為思路開闊，積極主動地去考慮不同的、有沖突的證據;(3)批判地思考，表現為權衡、觀察，對觀察到的事實進行評價;(4)靈活性，表現為能積極主動地接受經過證實的結論，并重新考慮自己的認識;(5)對變化世界敏感，表現為有尊重生命和環境的意識和覺悟［12］。在“九要素模型”中，這五個方面的科學態度可以分別從科學知識的態度、對科學方法的態度、對科技成果的態度三個方面進行分析。

首先，“批判性思考”和“靈活性”可以解釋為對科學知識的態度。“批判性思考”主要針對觀察到的、表面正確的現象和事實，一個人能做到批判性思考，就能夠做到實事求是，從而不會相信迷信。“靈活性”主要針對經過證實的客觀結論和已有的主觀認識，一個人能具有靈活性，就不會固守于自己已有的知識，并且不會迷信權威。

其次，“好奇心”和“尊重證據”可以解釋為對科學方法的態度。“好奇心”主要針對觀察到的、有明顯疑問的現象和事實，一個人具有好奇心，就能夠積極投身于科學探究活動中，主動應用科學方法解決面對的疑問。“尊重證據”主要針對科學探究過程中出現的各種不同的、有沖突的證據，一個人能做到尊重證據，就能夠在研究中保持客觀態度，獲得真實的結果。

第三，“對變化的世界敏感”可以解釋為對科技成果的態度。這里所說的變化的世界，既包括生生不息的自然環境，也包括豐富多彩的人造環境。對變化的世界敏感，就能夠感知到科技成果的變化，以及科技成果對生命和環境產生的影響。在這一方面，一個被廣泛接受的觀點是:科技成果會積極推動人類社會的發展，但如果應用不當，會異化為一種破壞人類生活、違背人的本意、制約人壓迫人的異己力量。應該強調的是，科學技術本身是中性的，關鍵在于人如何利用。同一種科學技術，一些條件下的應用起到正面的積極影響，而在另一些條件下的應用則起著負面的消極影響。

綜上所述，科學素養“九要素模型”將科學素養分為針對科學的“讀”的能力、“寫”的能力和“悟”的能力三個方面，分別稱為基礎科學素養、實用科學素養、文化科學素養。其中，“讀”的能力(基礎科學素養)屬于認識層面的要求，包括“理解科學知識”、“理解科學過程與方法”、“理解科技成果”三個方面;“寫”的能力(實用科學素養)屬于實踐層面的要求，包括“表達科學知識”、“開展科學探究”、“解決實際問題”三個方面;“悟”的能力(文化科學素養)屬于情感態度層面的要求，包括“尊重科學知識”、“遵循科學規律”、“善待技術成果”三個方面。

根據科學素養的“九要素模型”，可以將科學素養定義為:個體理解科學知識、科學過程和科技成果，并利用它們解釋自然和社會現象、從事科學探究、解決實際問題的能力，同時，也包括個體對待科學知識、科學過程和技術成果的情感態度。

三、公眾科學素養調查的指標體系與測評方法

第八次中國公民科學素養調查的指標體系包括背景變量和分級指標。其中，背景變量包括地區、城鄉、性別、年齡、文化程度、職業、民族和重點人群等;分級指標包括3項一級指標、13項二級指標和39項三級指標［13］。

背景變量涵蓋了影響公民科學素養的主要因素，可分為環境變量、個體變量、群體變量。其中，環境變量包括“地區”(東部、中部和西部)和“城鄉”(城鎮、農村);個人變量包括“性別”，“年齡”(18以上，分5個年齡組)，“文化程度”，“職業”;群體變量包括“民族”和“重點人群”。

分級指標包括“公民對科學的理解”、“公民的科技信息來源”、“公民對科學技術的態度”三個方面。其中，“公民對科學的理解”是與公民科學素養有關問題的核心內容，用于測度公民具備基本科學素養的狀況和科學素養水平，主要包括理解科學知識、理解科學方法、理解科學和社會之間的關系。在“公民的科技信息來源”方面，包括對科學技術信息的感興趣程度、獲取科技發展信息的渠道、參加科普活動的情況、參觀科普設施的興趣、參觀科普設施的情況及原因、參與公共科技事務的程度。在“公民對科學技術的態度”方面，包括對科學技術的看法、對科學家和科學事業的看法、對科學技術發展的認識、對科技創新的態度等。

第八次公眾科學素養調查采用公民具備科學素養的比例和科學素養指數兩種方法，并結合相關分析，具體描述中國公民的科學素養狀況。

首先，判斷一位公民具有基本科學素養的標準包括以下四個方面:(1)對4個科學術語測試題都答對或基本答對;(2)對科學觀點的18個測試題答對11個及以上;(3)對理解科學方法的3個測試題都答對;(4)在對科學與社會關系的測試中，對5種迷信活動都不相信，并且在追加問題中沒有選“祈求神靈保佑”這一項。第八次調查結果顯示，2010年具備基本科學素養的公民比例為3．27%，比2007年提高了1．02個百分點，比2005年提高了1．67個百分點。

其次，為了更簡便地描述公民的科學素養水平，調查組設置了“公民科學素質指數”。對個體來說，這一指數就是答對所有科學素養判定題目的總分值;對群體來說，這一指數就是群體中每個個體所得分值的加權平均數。綜合測算的結果顯示，2010年中國公民總體的科學素質指數為53，比2007年增長了4．5個分值，比2005年增長了9．4個分值。

公民科學素養調查指標體系的建立以及公民科學素養指數的設置為深入測度公眾科學素養水平及變化趨勢帶來了便利，為進一步分析和探索提升公民科學素養的途徑提供了基礎。然而，雖然第八次中國公民科學素養調查強調公眾科學素養測評指標要由米勒的“三維理論”(即“三要素說”)逐漸向“四科兩能力”過渡，但現有調查指標在按照米勒模型設置“公民對科學的理解”的內容外，只增加了科學態度的內容，缺乏能力方面的內容。

由于成人科學素養調查無法說明科學素養的形成過程，米勒在美國科學基金會的支持下，于1986年在伊利諾伊州立大學成立了“美國青少年縱向研究所”(the Longitudinal Study of American Youth，LSAY)，采用同期群研究方法(cohort study)對初中和高中學生進行長期的縱向跟蹤研究。米勒認為，在從學生到成年人的發展過程中，家庭、社會文化、經濟、宗教、職業以及政治活動等因素都會影響他們對科學技術的感興趣程度和關注度，以及對各種科學和技術議題所涉及科學知識的了解深度。基于以上認識，米勒和他的助手們設計出了一整套調查指標和問題，了解學生在校學習的科學課程是否會影響他們就業后對科學技術熱點問題的持續關注和興趣。

1986－1993年，米勒等對全美50個公共學校七年級和十年級的學生進行抽樣調查，共抽取了5000名學生，每年對被訪者進行科學與數學的有關知識測試，以及態度和開放題調查;對被訪者的家長進行電話調查，了解其家庭背景、在家庭接受信息的可能性和阻礙因素等;對被訪者的老師和所在學校的校長也定期進行問卷調查。調查的維度包括學生對科學和數學的興趣發展;學生對職業生涯的興趣和成為科學家、工程師、數學家以及健康專業人員的計劃;學生對科學技術有關議題形成特別興趣的過程以及理解能力。

在2005年和2008年，米勒等分別對最初調查的樣本進行了兩輪跟蹤調查，調查問題主要涉及:對科學技術議題的興趣;對空間技術、核能、氣候和生物技術等各種科學技術爭議議題的意識與理解程度;獲得與這些議題有關信息的渠道、態度和行為。持續25年的研究成果對解釋承認科學素養的形成過程與影響因素打下了堅實的基礎。

對于米勒的研究，研究科學與社會學的學者們主要有以下兩點質疑:(1)僅僅觀察以公眾科學素養、公眾對科學技術的理解和公眾參與為主要特征的科學與社會模式是不完全的研究;(2)公民科學素養中的知識測度指標僅僅局限于課本知識，與實際科學文化情境中的科學素養沒有直接關聯［14］。

從科學素養的“九要素模型”來看，米勒的“三要素說”只涉及基礎科學素養部分(包括科學態度中“對科學技術與社會關系的理解”)，沒有包含實用科學素養和文化科學素養的內容。由于世界各國的科學教育標準對青少年科學素養的要求普遍包括表達科學知識、開展科學探究、解決實際問題等實用科學素養的內容，因此，按照米勒的理論建立起來的公眾科學素養調查指標不適合青少年科學素養測評指標體系的建構，需要按照新的科學素養理論體系建構青少年科學素養測評指標體系，而科學素養的“九要素模型”提供了一個可用的理論。

四、青少年科學素養測評指標體系的建構

參照公民科學素養調查的指標體系，可以將青少年科學素養測評指標體系分為影響因素指標和內容指標兩個方面。在具體內容方面，需要根據青少年的特點設置影響因素指標，根據科學素養的“九要素模型”建構科學素養指標。下面分別加以說明。

(一)科學素養的影響因素指標

參照公眾科學素養調查的做法，并結合青少年的身心和學習特點，青少年科學素養的影響因素指標包括“群體因素”、“個體因素”、“環境因素”、“教育與學習方式”等一級指標。

“群體因素”指將個體分為特定類群的生物性特征或社會性特征，前者是先天決定的，后者是社會賦予的，是青少年科學素養形成和發展的基礎條件。在“群體因素”之下，包括自然因素和社會因素等二級指標。其中，自然因素包括種族、性別、年齡等三級指標;社會因素包括居住戶籍、學段等三級指標。

“個體因素”指個體所具有的個性心理特征，也稱“個性因素”，既是青少年科學素養的重要影響因素，也是科學素養的具體內容。在“個體因素”之下，包括認知因素和情感態度因素等二級因素。其中，認知因素包括注意力、記憶力、思維能力、學業成績(含文理科傾向)、元認知能力等三級因素;情感態度因素包括興趣、動機、價值觀、意志力等三級指標。

“環境因素”是個體所處環境的有關特征，是影響青少年科學素養的外部因素。在“環境因素”之下，包括社會環境、學校條件、家庭條件等二級指標，其中，“社會環境”包含特定地區的文化習俗、科普場所、科普活動、及大眾媒體(含互聯網)等三級指標;“學校條件”包含學校類別、硬件設施、師資隊伍、學校管理等三級指標;“家庭條件”包含家庭結構、父母文化程度、父母職業、家庭經濟狀況等三級指標。

“教育與學習方式”是青少年在科學方面所接受的教育與學習方式。在“教育與學習方式”之下，包括學校教育、家庭教育、自主學習等二級指標。其中，“學校教育”包含學科教學、校本課程、課外和校外教育等三級指標;“家庭教育”包含教養方式、家庭氛圍等三級指標;“自主學習”包含自主閱讀、主動求助、參加競賽等三級指標。自主學習與社會環境及有關的社會教育等密切相關。

以上四個方面的各種主要因素對青少年科學素養的影響方式，可以采用路徑圖形象地表示出來。在路徑圖中，群體因素、個體因素、環境因素等為外因變量(或稱外衍變量)，教育與學習方式則為內因變量(或稱內衍變量)。內因變量既是影響科學素養水平的預測變量，也是受到各種外因變量影響的效標變量。

(二)科學素養的內容指標

圖1 青少年科學素養影響因素的路徑模型

根據科學素養的“九要素模型”，科學素養的內容指標應包括對“對科學的理解”、“對科學的表達與應用”、“對科學的態度”3個一級指標，分別對應于基礎科學素養、實用科學素養和文化科學素養。

在“在對科學的理解”之下，包含“對科學知識的理解”、“對科學過程的理解”、“對科技成果的理解”等二級指標。其中，“對科學知識的理解”包含理解科學現象、理解科學術語和概念、理解科學理論等三級指標;“對科學過程的理解”包括了解科學研究的發展歷程、理解科學探究的基本方法等二級指標;“對科技成果的理解”包含理解應用技術成果、理解軟科學研究成果等三級指標。

在“對科學的表達與應用”之下，包含“表達與運用科學知識”、“開展科學探究”、“應用科技成果”等二級指標。其中，“表達與運用科學知識”包含表達科學知識、解釋自然現象等三級指標;“開展科學探究”包含掌握探究技能、運用探究策略等三級指標;“應用技術成果”包含解決個人問題、參與公共科技事務的討論等三級指標。

在“對科學的態度”之下，包含“對科學知識的態度”、“對科學過程的態度”、“對科技成果的態度”等二級指標。其中，“對科學知識的態度”包括靈活變通(表現為尊重事實、不盲從權威)和批判性思考(表現為尊重科學、不相信迷信)等三級指標，與公眾科學素養調查的指標中對迷信的態度等內容有關;“對科學過程的態度”包括有好奇心(表現為求真務實)、尊重證據(表現為嚴謹細致)等三級指標，與公眾科學素養調查的指標中“對科學家和科學事業的看法”、“對科學技術發展的認識”等內容有關;“對科技成果的態度”包括對科技與社會關系的看法、對科技與環境關系的看法等三級指標，與公眾科學素養調查的指標中“科學與社會之間的關系”、“對科學技術的看法”、“對科技創新的態度”等內容有關。

綜上所述，青少年科學素養的內容指標體系包括3個一級指標，9個二級指標，19個三級指標，各級指標的具體內容及權重分配見下表3。

以上指標體系及權重分配經過“北京市青少年科學素養調查”項目組提出初步方案、征求了相關領域專家意見、根據意見匯總調整三個環節，能夠反映國內專家對青少年科學素養要素和結構的共識。具體說明如下:(1)對于青少年來說，“對科學的理解”為基礎科學素養，其重要性強于“對科學的表達與應用”和“對科學的態度”，而后兩個方面具有相同的重要性，因此，三者的權重分別為40、30、30;(2)在“對科學的理解”這一指標下，“理解科學知識”、“理解科學方法”、“理解技術成果”的重要性依次遞減，因此，3個二級指標的權重分別為20、12、8;(3)在“理解科學知識”這一指標下，“理解自然現象”和“理解科學術語”的重要性相同，權重同為8，“理解科學理論”的重要性略低，權重為4;(4)在其他三級指標的權重賦值中，均按照同等重要的原則賦予相同的數值。以上指標體系和權重分配為測評工具開發中試題編制和賦分提供了系統、科學的依據。

表3 青少年科學素養的內容指標體系

五、青少年科學素養指標體系的應用實例

2012年11－12月，在北京市組織的青少年科學素養調查中，根據這一指標體系編制了科學素養的背景調查問卷和測試量表，并對全市2000多名青少年進行了調查和測評。下面從工具編制、調查實施、結果分析三個方面，對指標體系的應用情況加以簡要說明。

(一)工具編制

調查工具包括小學組、初中組和高中組三套問卷，分別用于考察小學五年級、初中二年級、高中三年級學生的科學素養。每套問卷包括背景調查問卷和科學素養測驗兩部分。

1．背景調查問卷

背景調查問卷包括“基本信息”和“教育與學習方式”兩部分。

“基本信息”部分有10道題，分別對影響學生科學素養的群體因素、個體因素和環境因素進行了解。其中，群體因素包括性別、年齡、區縣、戶籍等;個體因素包括最喜歡的科目、高中生的文理科傾向等;環境因素包括父母學歷、父母職業、家庭住房條件、擁有車輛情況等。

“教育與學習方式”部分有27道題，分別從“學校設施條件”、“學校科學教育情況”、“家庭教育情況”、“學生自主學習情況”等方面，對學生在科學方面的教育和學習方式進行調查。此外，還設置了3道了解學生“長大后想從事的職業”、“喜歡的科技項目”、“獲取知識的途徑”三個方面情況的題目，作為對青少年科學素養影響因素的補充。

2．科學素養測試量表

科學素養測試量表分為小學五年級、初中二年級、高中二年級三個版本，各版本的試題均由“你是否同意以下觀點”、“你是否了解以下知識”、“了解科學家的工作”、“做個小小科學家”四個組成部分構成，只是在“你是否了解以下知識”部分有區別。

第一部分:你是否同意以下觀點?

本部分包括20道判斷題(從第1題到第20題)，分別考查學生在“理解科學知識”(第1－8題)、“對科學方法的態度”(第9－11題)、“對科學知識的態度”(第12－15題)、“對技術成果的態度”(第16－19題)等要素上達到的水平。

第二部分:你是否了解以下知識?

本部分包括15道單項選擇題(從第21題到第35題)，主要考查學生在“對科學知識的理解”這一要素上達到的水平，涉及物質科學、生命科學、地球與空間科學三個領域的知識。這部分試題包括三套，分別用于測量小學五年級學生、初中二年級學生、高中二年級學生的科學素養水平。每套試題均根據我國基礎教育階段科學課程標準規定的學習內容編制。這部分試題也是測驗中唯一區分三個學段的部分。

第三部分:了解科學家的工作

本部分包括5道試題(從第36題到第40題)，主要考查學生在“對科學方法的理解”(第36、39題)、“對科技成果的理解”(第40題)、“開展科學探究”(第36－37題)等要素上達到的水平。其中，第36－38題為單項選擇題(答對為2分，答錯為0分)，第39－40題為問答題(第39題滿分為6分，第40題滿分為5分)。

第四部分:做個小小科學家

本部分包括6道試題(從第41題到第46題)，主要考查學生“表達與運用科學知識”(第44題)、“開展科學探究”(第41、45題)、“解決實際問題”(第46題)、“對科學方法的態度”(第42－43題)在等要素上達到的水平。其中，第41－43題為單項選擇題(答對為2分，答錯為0分)，第44－46題為問答題(第44題滿分為5分，第45題滿分為6分，第46題滿分為6分)。

以上46道題與科學素養的9個要素各分量表得分的對應關系、賦分情況及分值范圍見下面的表4。將表中科學素養測試量表的分值與青少年科學指標體系的權重數值進行對比，可以發現(1)基礎科學素養、實用科學素養、文化科學素養的分值分別為45分、27分、28分，接近相應指標的權重數值;(2)在基礎科學素養中，理解科學知識、理解科學過程、理解科技成果的分值分別為31分、8分、6分，與相應指標的權重數值差別較大，尤其是理解科學知識的分值較大;(3)在實用科學素養中，表達與應用科學知識、開展科學探究、解決實際問題的分值分別為8分、12分、7分，接近相應指標的權重數值;(4)在文化科學素養中，對科學知識的態度、對科學過程的態度、對技術成果的態度的分值分別為8分、10分、10分，非常接近相應指標的權重數值。綜合來看，除在基礎科學素質的方面對理解科學知識的分值較大以外，這一測驗基本符合科學素養內容指標體系的權重要求。

表4 科學素養測試與9個要素各分量表得分的對應關系

在計算一個學生科學素養得分時，首先根據評分標準得出9個科學素養分量表的得分。對9個分數按不同方式進行計算，可以得到不同的科學素養指數:(1)將9個分數分別按“科學”的三個方面相加，可以得到基于科學知識的科學素養指數、基于過程的科學素養指數、針對成果的科學素養指數;(2)將9個分數分別按“素養”的三個方面相加，可以得到基礎科學素養指數、實用科學素養指數、文化科學素養指數;(3)將9個分數全部相加，可以得到綜合科學素養指數。

(二)調查實施

本次調查意旨在通過抽樣調查的方式，獲得北京市青少年教育與學習方式及科學素養水平方面的實證資料。利用這些資料，一方面可以對北京市青少年教育與學習方式和已經達到的科學素養水平進行描述性分析;另一方面，也可以對影響青少年科學素質的主要因素進行解釋性研究。

調查采用非概率的配額抽樣方法，根據學段和區縣兩個特征進行二層配額。第一層配額為學段，包括小學五年級、初中二年級、高中三年級;第二層配額為區縣，包括北京市16個區縣，分為核心城區、近郊區、遠郊區。配額原則有兩條:一是樣本中各類別的比例盡可能與它們在總體中所占比例一致;二是適當加大一些總體數量較少類別的抽樣比例，以便進行類別間的比較。

根據北京市教育部門提供的數據，北京市2011－2012學年小學五年級、初中二年級、高中二年級學生的總數為289018人，其中，各學段的學生所占比例分別為40%、35%、25%;功能核心區、功能拓展區、城市發展新區、生態涵養區的學生所占比例分別為17%、40%、30%、13%。基于以上分布比例，為確保總體數量較少類別的樣本數量，確定樣本容量為4000人，抽樣配額分配如下。

表5 北京市中小學科學素養調查抽樣配額分配表

調查按照配額分配的110%，向四個類別的10個區縣發放問卷4400份，回收問卷4250份，回收率為96．6%;在回收的4250份問卷中，有效問卷4022份，有效問卷率為94．6%。在有效問卷中，各區組的樣本數與配額數基本一致，在樣本總數中所比例也與配額比例接近，因此，所獲得的樣本可以代表北京市三個學段學生總體。

(三)結果分析

利用所編制的調查工具，可得到北京市青少年的基本信息、教育與學習方式(教育與學習方式)、科學素養水平等數據。考慮到青少年時期處于身心發展階段，開展科學素養測評的目的不是判定學生是否達到某個預先設定的具備科學素養的標準，而是了解學生實際達到的科學素養水平，進而通過分析科學素養水平與各種直接因素和間接因素的關系，探索青少年科學素養的形成機理。

1．北京市中小學生的科學素養水平狀況

根據“九要素模型”，除了可以得到9個科學素養要素得分和總分以外，還可以得到基于“素養”的三類科學素養指數和基于“科學”的三類科學素養指數，具體情況如下:

(1)從科學素養總分來看，三個學段學生的得分基本一致(均為0．63)，但進一步考察9個要素的得分，理解科學知識、理解科學過程、理解科技成果、對科學知識的態度、對科技成果的態度等五個要素的得分在三個學段基本相同，表達與運用科學知識、開展科學探究的得分隨學段的增長而提高，解決實際問題、對科學方法的態度則隨學段的增長而降低。

(2)從基于“素養”的三類科學素養指數來看，三個學段學生實用科學素養的得分(0．37－0．42)明顯低于基礎知識素養(90．62－0．65)和文化科學素養(0．67－0．69)。

(3)從基于“素養”的三類科學素養指數來看，三個學段學生科學知識素養的得分最高(0．64－0．67)，科技成果素養的得分最低(0．55－0．57)。

2．各種因素與科學素養水平的關系

利用背景調查問卷獲得的學生基本信息和學習科學條件的結果，可以分析群體因素、個體因素、環境因素，以及學校教育、家庭教育、自主學習等與學生科學素養水平的關系。

考察各種群體因素與科學素養總分的關系，發現如下結果:(1)在自然性群體因素方面，不同性別學生之間不存在顯著差異，小學五年級在不同年齡學生之間存在顯著差異，初中二年級和高中二年級在不同年齡學生之間沒有差異;(2)在社會社會群體因素方面，在不同戶籍學生之間沒有差異。

考察學生對學科的興趣這一個體因素與科學素養總分的關系，發現喜歡科學類學科的學生在科學素養得分上顯著高于喜歡非科學類學科的學生。

考察環境因素與科學素養總分的關系，發現如下結果:(1)在社會環境方面，不同區縣學生之間存在顯著;(2)在學校條件方面，學校科技設施配備和使用情況與科學素養總分之間存在顯著相關;(3)在家庭條件方面，父母學歷不同的學生之間存在顯著差異，父母職業不同的學生之間不存在顯著差異，家庭經濟狀況不同的學生之間存在顯著差異。

考察教育與學習方式與科學素養總分的關系，發現學校教育、家庭教育、自主學習等方面的得分與科學素養的總分之間均存在顯著相關。

3．對青少年科學素養的形成機理分析

在前面圖1給出的路徑模型闡釋了群體因素、個體因素、環境因素以及教育和學習方式等一系列變量是如何被排列到與青少年科學素養增長相聯系的關系中。在這一模型中，從左至右表示出變量之間的因果關系或影響;每一條路徑代表了兩種變量之間顯著的統計學相關，關系的方向通過箭頭變現出來。圖2是根據本次調查獲得的數據繪制的預測青少年科學素養的路徑圖。

以上路徑模型圖既考慮了個體因素、群體因素、環境因素以及教育和學習方式對青少年科學素養的影響，同時還清楚地展示了不同要素之間的影響關系。圖中變量對青少年科學素養的影響可分為三類:(1)學生自主學習對青少年科學素養水平為直接影響，因為兩者之間的箭頭沒有通過中介變量的影響;(2)學校教育、性別、對科學科目的興趣、學校設施的利用、父母文化程度等預測變量對青少年科學素養的影響既包含直接影響，也包含間接影響;(3)家庭教育、學段、所屬區縣、戶籍等對青少年科學素養的影響為間接影響，即通過其他中介變量影響科學素養水平。此外，由模型中的數據還可以看出，學校教育和學生自主學習對青少年科學素養有積極的貢獻(影響值分別為0．160和0．054)，但家庭教育對青少年科學素養預測效應不顯著。這意味著當學校教育、學生自主學習對青少年科學素養的影響保持不變時，家庭教育的邊際價值不顯著。

圖2 預測青少年科學素養的路徑模式

六、結語

本文從科學素養的內涵分析切入，以“兩個維度”、“九項指標”構建了科學素養的“九要素模型”。參照全民科學素養調查的內容和指標體系，針對青少年群體的特殊性，建構了由影響因素指標體系和內容指標體系構成的青少年科學素養指標體系，并以此為依據，提出了由背景問卷和測驗量表構成的青少年科學素養測評的基本框架。在北京市開展的初步應用表明，此項研究成果能較好地規范我國青少年科學素養調查工作，并為跨地區的大規模研究提供了理論依據和模型支持。尤其重要的是，以這一模型開展的路徑分析可以系統、全面地反映個體因素、群體因素、環境因素以及教育和學習方式等對青少年科學素養的影響，為探索青少年科學素養的形成機理提供客觀的數據支持。

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