高等院校本科生科學推理能力現狀研究

焦衛華 李國強 杜明榮

摘 ? ?要：通過填寫網上調查問卷的方式對河南省兩所高等院校的本科生的科學推理（Scientific Reasoning）能力進行的測試發現：學生成績分布呈正態分布，一本高校（A）學生各維度科學推理水平均高于二本高校（B），且兩所高校學生的相關思維和假設—演繹思維水平均有顯著差異。通過采用科學推理能力測試中五個重要維度的準確率平均值和平均分歸一化百分比的函數，反應出同生源層次的學生科學推理能力的水平，也對理工科學生科學素養的提高有所啟示。

關鍵詞： 科學推理能力; 高等學校;物理專業;

中圖分類號：G642 ? ? 文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1002-4107（2021）03-0056-02

著名心理學家皮亞杰在其認知發展理論中首次提出科學推理（Scientific Reasoning）這一概念?？茖W推理能力是科學素養的重要組成部分，是形成和完善人們對自然界和人文社會的各種概念和理論認知過程的重要步驟。科學推理的要素是假設、實驗和證據，其中證據是經由假設、實驗過程檢驗過的，并確定為真的內容[1]?？茖W推理能力對科學研究，特別是原創性科學研究具有重要作用，對于研究者的研究生涯也有重要影響。高等院校的本科生不僅是各個生產領域的生力軍，更是未來科學研究的新生力量，因此其掌握科學推理能力狀況非常重要。

本文首先對河南省兩所高校的物理專業本科生的總體科學推理及各推理維度的成績進行分析，并建立五種重要思維能力平均值與分數平均值之間的函數關系;進而利用廣東省的一所一本院校本科生的成績進行驗證，確定該函數關系具有一定的普適性。

一、對象與工具

（一）對象

在河南省，選取兩所省屬本科高校（一本、二本各1所），分別命名為A校和B校。以物理專業學生為調查對象，A校96人，B校51人。

（二）工具

本測試采用具有良好效度和信度的科學推理測試卷（LCTSR）中文版。問卷共24道客觀題，問題結論和推理理由成對出現，其中單數題目為問題結論，雙數題目為推理理由。其中第23和24題為獨立題目。按照測試卷要求的賦予分數原則：答對一對題目得1分，23、24題各得1分，總分為13分。試卷維度構成見表1，值得注意的是11—14題為變量識別與控制和概率思維的交叉題目。

二、結果與討論

（一）兩個樣本平均成績總體分析

兩組樣本的科學推理能力成績的Kolmogorov-Smirnov檢驗顯著性水平Sig.分別為0.057和0.486，都大于標準值0.05，即服從正態分布。從曼—惠特尼U檢驗的秩統計量表得出A校和B校的平均秩次分別為81.82與59.28，由此可以粗略看出A校與B校學生科學推理能力成績相差較大。曼—惠特尼U（Mann-Whitney U）雙尾漸進顯著性概率為0.002，遠小于0.05，說明兩個樣本間存在顯著差異。A校和B校的平均分為7.92和6.33，也說明他們的科學推理能力存在明顯的差別。

通過統計A校和B校學生對于各對題目的得分情況發現，A校學生的題目正確率均高于B校學生。此外，兩校也表現出一定的共同特征：（1）大多數題目的正確率較

低，基礎題目得分率高于高級題目;（2）兩種思維交叉的題目正確率最低。兩校學生答題的正確率均高于60%的只有4對題目，即第1、2、3對和第5對題目。第1、2對題目對應守恒思維，分別是質量守恒和體積守恒。較高的正確率說明兩校學生在守恒思維方面發展無明顯差異，所以，接下來只詳細分析其他五種思維能力的差異。第3對和第4對題目分別是比例思維的基礎題目和高級題目，從得分情況可以看出，學生對于基礎題目的得分率均高于高級題目，類似的現象在其他測試題中也有體現，例如第5對和第6對題目，這種現象說明學生的對應思維能力尚有提升的空間。

兩校學生正確率最低的題目都是第6對題目，其正確率低于隨機概率20%。該題目包含“變量的識別和控制”和“概率思維”兩種思維。這說明學生對于需要多思維協調的能力非常欠缺。

（二）兩個樣本各維度對比分析

接著我們統計了兩校學生在五個維度的平均正確率，發現兩校本科學生在五種思維能力方面發展存在顯著性差異和不均衡。為了清晰地反應二者差異，我們用A校結果減去B校結果，有以下發現：首先，五個維度的差值均大于零，這說明A校學生在五個維度的能力均高于B校學生;其次，在相關思維和假設—演繹思維方面，二者相差接近20%，這說明兩校學生在這兩方面存在巨大差異。以往的研究已經指出，偏基礎和偏應用的高校大學生在以上兩個維度存在巨大差異[2]。A校作為省內重點院校注重學生的基礎訓練，B校作為二本院校更偏重學生應用方面的教育，這也證明了偏應用的高校的相關思維和假設—演繹思維方面的推理能力處于弱勢。

在五個維度中，兩校學生得分最低的是概率思維，并且兩校之間差異最小。科學推理中的概率思維不僅在高等院校的學生中水平較低，在中國不同層級的學生（初中生、高中生、中專、大專和本科學生）中，都發現概率思維得分率較低[3]。所以，從概率思維的差異中不能很好的反應不同層級學生之間的差異，總體上學生的概率思維普遍處于較低的水平。

（三）五維度平均值N（x）與平均分之間的關系

假如試卷中每對題目考察的能力單一時，試卷所有題目的平均準確率Y（x）應該等于平均分歸一化的百分比，如圖1中方塊所示。考慮到第6對和第7對題目考察兩種思維能力，同時守恒思維的準確率很高，我們采用表1中后五個維度準確率的平均值N（x）替代所有題目平均準確率Y（x），其結果如圖1中的圓點所示?？梢钥闯?，所有題目的平均分較高的A校，五個維度準確率的平均值也高于B校?？紤]到兩校在招生批次上的差別，我們認為這可能來自生源的差別。以上假設，我們在廣東省選擇了一所生源水平和A校相近的一本院校（C校）進行驗證，其結果如圖所示。C校的結果比A校略高，但是仍然落在函數關系的曲線上，這說明科學推理能力與學生的生源具有密切關系。

三、啟示

從總體上看，兩所高等院校本科生的科學推理能力都處于較低水平，而科學推理能力是提高學生學習力和創造力的關鍵，因此必須在今后的物理等理工科教學中進一步提高學生的科學推理能力。同時，統計結果發現，從各個不同的推理思維維度來看，多思維協調能力和概率思維較差是兩校學生共同面臨的問題，也必須在今后的教學中有所側重。從兩校的橫向比較來看，A校學生在總體科學推理水平及各維度的水平上均高于B校學生，從表面上看，這是偏基礎和偏應用的大學之間的不同，但究其根源是生源水平不同。

以上測試所發現的問題與結論為高等院校培養和提高學生的科學推理能力將提供有益的指導，它啟示我們，大學理工科教育應側重提高多思維協調能力和概率思維，同時也要注重基礎的學習。許多高校本科生的課程設置存在為學分而學習的現象。在課程質量上，課程層次區分不大、各專業授課內容未區分、重理論輕實踐，部分課程知識陳舊。因此，在今后的理工科專業的高等教育中，要通過多種途徑來提高學生的科學推理能力。首先要重構課程體系，調整基礎課和實踐課的比例，在保證學生知識結構完整的情況下，提高實踐課所占的比例，通過強調具體的實驗和操作、小組討論等方式來提高學生的多思維協調能力;其次，要豐富實踐教學的資源，提高實踐課時所占的學分比例，從而提高學生的自主學習、深入探索的科研綜合能力，提高學生的動手能力，并與大學生創新創業項目相結合，提高學生的創造力和實踐創新能力;最后，在產學研相結合的基礎上，在省、校等各級實驗中心設立大學生創新實踐基地，通過各種論壇、競賽系統地培養學生的科學素養，為培養高水平的科研領軍人才和社會需要的實際應用型人才打下堅實的基礎。

參考文獻：

[1]朱麗杰.國外科學推理能力內涵與策略的發展研究[D].長春：東北師范大學，2012.

[2]L.Ding，X.Wei，X.Liu，Variations in University Students

Scientific Reasoning Skills Across Majors，Years，and Types of Institutions[J].Research in Science Education，2016，（3）.

[3]杜明榮，郭江.中學生科學推理能力發展規律與啟示[J].物理教學探討，2018，（6）.

編輯∕李夢迪

作者簡介：焦衛華（1980—），女，河北石家莊人，河南大學哲學與公共管理學院講師，博士，研究方向：現代西方哲學。

基金項目：2017年河南省教育廳河南省高等教育教學改革研究與實踐立項項目“理科師范生科學推理能力的培養策略研究”（2017SJGLX227）