基于心智狀態的小學教育專業師范生科學素養的培育

趙書棟

（肇慶學院 教育科學學院，廣東 肇慶 526061）

隨著我國教育改革的縱深推進，高校逐漸重視對師范生綜合素養的培育。科學素養作為綜合素養的重要組成部分，直接影響到小學教育專業師范生未來從事基礎科學教育的質量。有效培育小學教育專業師范生的科學素養，有其現實性和必要性，值得深入探究。

一、問題的提出

由于我國基礎科學教育發展相對落后，小學科學教師的科學素養難以滿足基礎科學教育的現實需求。《中國義務教育質量檢測報告》（2018）調查顯示：小學科學兼任教師比例高達85.4%[1]。《中國義務教育質量檢測報告》（2021）調查也顯示：小學生科學學習興趣和學習自信心都有待提高，小學科學教師探究教學水平高或較高的比例為52.4%[2]，但尚有大部分科學教師的探究教學水平有待提升。《中國科學教育發展報告》（2017）調查顯示：我國小學科學課程教學仍然偏重于內容性知識的傳授，學生科學理解能力、科學探究能力、科學思維能力達到中等及以上水平的比例偏低[3]。

當前，盡管高校小學教育專業師范生整體上是崇尚科學的，他們對學習科學持積極的態度，對提高自己的科學素養充滿期待[4]。但在生源類別上因有文科生和理科生之分，他們因接受自然科學教育的程度不同，對自然科學知識的掌握程度存在明顯差異。同時，高校自然科學基礎課程在教學過程中存在如下問題：教學過于強調理論，授課形式單一；課程學時有限，課程內容較多，實驗常被擠壓或通過視頻呈現；師范生較少進行項目式的合作學習和科學探究，被動接受科學知識，作業受限于教材；師范生心智投入低，興趣偏低，學習目標不明確，缺乏主動思考，對科學知識的掌握停留在表面，不能形成深度認知；課程評價以課堂考勤和期末測試為主，評價結果偏重科學知識的傳授，而忽視了科學能力的形成。“唯知識教育”的片面性，過多地倚重教材，缺少情境性的實踐和學科思維的訓練，致使他們的專業視域和能力發展受限。

近年來，國家越來越重視師范生培養的質量。中共中央、國務院于2019年提出的《關于深化教育教學改革全面提高義務教育質量的意見》，倡導深入探索基于學科的課程綜合化教學，開展研究型、項目化、合作式學習等改革，為師范院校變革人才培養模式提供了方向。教育部從2016年頒發的《中國學生發展核心素養》，到2017年頒發的《普通高等學校師范類專業認證實施辦法（暫行）》，再到2022年頒發《義務教育科學課程標準》等系列文件，對完善小學科學教師人才培養方案，加強小學教育專業自然科學課程建設提供了重要參考。

因此，開展高校小學教育專業師范生科學素養的培育研究，對小學教育專業師范生培養模式變革以及小學科學教師人才隊伍建設都具有重要的現實意義。

二、心智狀態理論和科學素養內涵

（一）心智狀態理論

具身認知（embodiment of cognition）理論認為，認知是一種具身的活動，這種活動與個體的生理、心理和文化因素緊密聯系在一起[5]。心智的形成既不能離開身體的體驗，也不能脫離現實的環境。Chi從知識本體論出發，將心智狀態作分為“情緒的”和“意圖的”兩個類別[6]。劉嘉茹和侯依伶的研究顯示，個體的學習成就與其內外在心智表征有顯著的關聯[7]。劉嘉茹和侯依伶進一步對心智狀態細分為情緒、意圖、內在的知識表征和外在的心智表征等類別，外在心智表征包括解題運用、命題判斷等分維度；內在心智表征包括心像形成、知識存疑、知識的轉換和連結、疑惑處理等分維度。

學習者的學習過程就是個體建構概念表征系統的過程，心智狀態能夠揭示學生心理過程的具體細節，它對實踐教學具有重要的意義。單一的學業測評結果不能夠全面映射出學生的心理認知過程，也不能分門別類地表征學生對課程不同維度知識的掌握情況。教師有必要深入挖掘學生理解問題或看待問題的心理表征結構——心智狀態，幫助他們建構課程知識框架，有助于他們對課程知識體系的內化，最終形成應有的素養。

（二）科學素養的內涵

“科學素養”最早出現于美國。20世紀90年代后，美國科學促進會（American Association for the Advancement of Science，簡稱AAAS）于1989年提出的科學教育改革2061計劃，以培養具有科學素養的公民作為當代科學教育的努力方向。美國國家研究理 事 會（National Research Council，簡 稱NRC）（1996）公布的美國國家科學教育標準（National Science Education Standards，NSES）對科學素養給出了定義：一個人能運用對科學概念和科學過程的知識和理解來處理諸如個人做決定、參與文化事務和經濟方面的生產活動事務等[8]。經濟合作暨發展組織（Organisation for Economic Co-operation and Development，簡稱OECD）認為科學素養是運用科學知識，確定問題和作出具體證據的結論，以便對自然世界和通過人類活動對自然世界的改變進行理解和作出決定的能力[9]。Jon Miller提出的科學素養概念包括：科學術語和概念（即科學知識）、科學原理和方法（即科學本質）、“科技對社會影響”的意識和理解三個層次[10]。鄭長龍和于志民兩位學者認為科學素養是一個整體，具有一定的結構，包括：科學興趣、科學知識、科學方法和科學思想等四要素[11]。曹寶龍認為“科學素養”是作為一個反思型公民所需要的致力于科學相關問題和科學概念的能力[12]。科學素養是一個動態發展的概念，科學素養不再局限于對物理、化學、生物等學科重要概念和原理的掌握，還蘊含著理解數學、技術、社會科學范疇的相關知識、概念和規則，以及運用科學知識發現問題和解決問題的能力，其內涵也隨著時代的進步在不斷發生變化。

在我國，“科學素養”也稱“科學素質”，它既是科學教育的目標，也是科學教育的理念。2014年3月，中國教育部發布的《關于全面深化課程改革落實立德樹人根本任務的意見》明確指出，發展學生核心素養是落實立德樹人工程十大關鍵領域的首要環節，核心素養也是作為研究學業質量狀況、修訂課程方案和課程標準的依據。林崇德在綜合核心素養國際比較研究結果的基礎上，對我國基礎教育階段35門學科課標進行了統計，其中被提及頻率最高的素養是學習素養，其次是語言素養和科學素養（1 000次左右）[13]。當前，國家把學生核心素養的培育放到了一個前所未有的高度，有效培育學生的科學素養是當前我國推進科學教育改革的重要內容。

自20世紀60年代以來，許多研究者們致力于開發測評個人或群體科學素養的工具。李秀菊和陳玲通過整理國外青少年科學素養測評工具發現，在國際組織機構開發的評量工具中題型多樣，以封閉的多重選擇題和建構反應試題為主，主要采用計分的方式來評量科學素養的不同維度[14]。Miller和其他學者給科學素養界定了一個二維測量標準，一個維度是測量理解基本科學概念的能力，另一個維度測量探索科學本質（包括實驗和假說驗證等）的能力[15]。PISA2015提出的評量框架包括科學知識、科學能力和科學態度三個維度，科學知識包括內容性知識、程序性知識和認知性知識，科學能力包括解釋科學現象、評量及設計科學探究和詮釋科學數據及舉證科學證據，科學態度維度主要是指科學興趣、思考與探究習慣等[16]。PISA的評價標準不僅關注問題的結果，也關注學生對科學過程的理解和思考，PISA科學素養測評指標和Miller的二維科學素養測評指標，二者具有內在的一致性，都反映出科學素養的綜合性、多維性，不僅強調對不同生活情境中科學知識的理解，也強調對科學知識的應用與現實問題的解決。

三、研究設計

研究對象為Z校小學教育專業師范生，共317人，其中男生66人，女生251人；文科生174人，理科生143人。主要通過編制心智狀態調查問卷、發展學業成就測評試題的方法進行研究。

本研究編制心智狀態調查問卷主要是依據劉嘉茹和侯依伶對心智狀態的分類方法[7]，把心智狀態細分為情緒、意圖、內在心智表征和外在心智表征4個維度，內在心智表征包括疑惑處理、心像形成、知識存疑、知識的連結與轉換4個分維度，外在心智表征包括命題判斷和實踐應用2個分維度。調查問卷采用Likert五點評定方式，從完全不符合到完全符合，依序給予1分至5分，以此反映受測者對各題項陳述的符合程度。為保證量表的效度，邀請高校教育領域資深教師2名，小學科學教育專職教師3名和小學教育專業師范生3名，分別對初擬的65道題目進行審查；并經過心智狀態調查問卷的預試，對各題進行遺漏值檢驗、平均數、變異數、偏態系數、高低分組獨立樣本t考驗、修正后題目與總分值相關性、刪除該題后的α系數變化等指標進行評判和項目分析，對調查問卷的題目進行刪減和修改，最終確定心智狀態調查問卷共33道題目，各維度題目數和釋義如表1所示。各分維度一致性信度系數α都介于0.729至0.881之間，總量表信度α值亦達0.911。上述結果顯示，本研究所發展的心智狀態調查問卷具有良好的效度和信度。

表1 心智狀態各維度釋義

學業成就測驗試題的編制，主要依據PISA2015提出的評量框架，主要評量科學知識和科學能力2個維度，科學知識包括內容性知識和程序性知識，科學能力包括解釋科學現象、評量及設計科學探究和詮釋科學數據及舉證科學證據等。根據《自然科學基礎》課程教學目標，編制出學業成就測驗試題，題型及分值分配如表2所示。學業成就測試題平均鑒別度和難度值分別為0.29和0.76，根據余民寧對鑒別度指數良劣程度范圍的定義，均在可接受范圍之內[17]。

表2 《自然科學基礎》課程學業成就測驗題目與評量維度對照表

四、研究結果

（一）師范生在課程學習前的心智狀態和科學素養狀況

小學教育專業師范生在心智狀態調查中的平均得分最低值為2.61。平均得分在2.61～3.99分之間的師范生歸為中等心智狀態組（簡稱為M-state），共有209人；平均得分在4.00～5.00分的師范生歸為強心智狀態組（簡稱為H-state），共有108人。小學教育專業師范生在心智狀態上的整體平均得分為3.80，得分較高。其中內在心智表征和外在心智表征平均得分分別為3.66、3.64，情緒向度平均得分4.01，意圖向度平均得分最高，為4.42。

他們無論是在科學知識方面還是科學能力方面，學業測評的得分都偏低，整體得分率僅為41.56%。在不同知識領域和不同背景變項上，小學教育專業師范生個體之間差異明顯。譬如，在地球與宇宙科學領域、科學本身與跨學科2個維度得分率偏低，分別為38.40%、39.20%，在生命科學維度得分率偏高，為47.35%；女生在科學能力上的得分顯著高于男生，t=3.304，p=0.001；理科生的學業成就顯著高于文科生，t=2.818，p=0.005。

（二）師范生在課程學習后的心智狀態與學業成就狀況

課程學習后，師范生在M-state組人數達143人，與學前M-state組209人相比，減少66人；強心智狀態組人數達174人，與學前H-state組108人相比，增加66人。心智狀態總體平均得分為4.00，較學習前的3.80有所提高；內在心智表征和外在心智表征平均得分分別為4.15和3.85，較學習前的3.66和3.64都有所提升；情緒維度平均得分3.84，較學習前的4.01有所降低；意圖維度依舊最高，為4.28，但稍有降低（學習前為4.42）。

師范生學后學業成就得分與學習前相比有很大的提升，93.69%的師范生達到中等或以上水平。其中待提高（成績低于60分）人數為20人（占比6.31%）、中等（成績在60～69分之間）人數為89人（占比28.08%）、良好（成績在70～79分之間）人數為136人（占比42.90%）、優秀（成績在80～100分之間）人數為72人（占比22.71%）。在科學知識維度上，男生的得分略高于女生；而在科學能力維度上，女生的得分略高于男生；但他們在科學知識，科學能力以及整體成就的得分上皆未達到顯著差異。理科生在各維度的平均得分都高于文科生，其中在總的成就測驗（t=1.999，p=.046）和科學知識維度（t=3.261，p=.001）皆達到顯著，在科學能力維度上沒有達到顯著差異。

結果顯示，H-state組師范生和M-state組師范生在科學能力維度上的差異達到顯著，t=3.728，p=0；他們在學業成就整體得分上的差異也達到顯著，t=3.159，p=0.002。師范生的心智狀態與學業成就之間存在顯著的相關，p=0.001，r=0.180，表明在《自然科學基礎》課程學習的過程中，小學教育專業師范生科學素養的獲得與其心智狀態密切相關。

五、結論與討論

（一）結論

首先，小學教育專業師范生的心智狀態和學業成就密切相關，他們在《自然課程基礎》課程學習過程中的心智狀態直接或間接地影響到他們最終所取得的學業成就。學業成就能夠表征小學教育專業師范生對課程知識的掌握程度和解決科學問題的能力表現。但評量分數并不能夠完全映射出他們對課程知識內化的心理過程。心智狀態從心理認知的視角衡量了個體對課程學習的動機，對知識體系的加工處理以及輸出方式等，揭示了小學教育專業師范生在課程學習過程中心理表征的具體細節，較為客觀地反映了他們對課程知識體系的建構機制，該結論與劉嘉茹等學者的研究結果較為一致[7]。心智狀態和學業成就是評價個體對課程知識體系掌握和運用情況的2個重要維度，將兩者有機結合起來，將有助于進一步挖掘個體理解問題或解決問題的內外心理表征結構，并為他們認知上存在的困難尋找根源。

其次，從師范生心智狀態的表現來看，內外心智表征是實現課程知識內化和運用的根本，通過多種形式的實驗教學和實踐操作，并結合理論知識是提升他們科學素養的重要途徑。這是因為多種課程教學模式的應用能夠促使師范生持續維持較高的學習情緒和意圖，并產生積極的能動性。就學科教學價值而言，學科內部及學科間的有機整合旨在打破碎片化、淺表化的知識結構，建立系統的學科知識體系[18]。以核心概念為主軸，立足于長期、持續、漸進式進階的核心概念教學，是一種有效的組織課程教學方式[19]，科學核心概念是即基于事實，又是科學方法、科學思想以及科學觀念抽象概括出來的觀念性知識[20]。以科學大概念為核心的《自然課程基礎》課程教學內容，即運用“少而精”的教學原則統整課程內容，依據知識情境選擇合適的表達方式，通過新穎、直觀、體驗、操作的教學方法激發師范生學習的興趣和意圖，將有助于他們在心理認知中建構科學知識體系，促使他們把實驗現象、先備知識、科學理論和科學實踐之間相互產生連結，達到對科學知識的深度理解，最終掌握科學的本質。

最后，依據小學教育專業師范生的個體差異，開展多元化和多維度的課程教學評價是《自然科學基礎》課程因材施教的重要保障。學業成就評量和心智狀態調查有機結合起來，能夠幫助教師準確了解影響課程教學的內外因素和獲得課程完善的階段性反饋。依據對相關因素和反饋信息的綜合分析，任課教師要結合師范生個體差異而選擇恰當的課程教授方式，將有助于課程教學目標的實現。譬如針對部分師范生動手實踐機會少，運用實物模型制作、創新性科學實驗、社會性科學議題探討等形式，把科學的直觀和抽象結合起來，提升他們對科學知識的感知、興趣和內在驅動力。《自然科學基礎》課程的目標是培育師范生的科學素養，學業測評不僅應包括師范生對科學知識的掌握，也應包括師范生應具有的科學能力。學業測評不僅是結果性的評價，也應是反映他們在不同“素養”維度上的過程性評價。因此，對學業測評的科學評量還需有機結合小學教育專業師范生在課程學習過程中的心理機制，即心智狀態，才能有助于在教學實踐中靈活應對，進而促進教學目標的達成。

（二）討論

各國對科學素養在三個關鍵成分上均達成了共識，即理性思維、批判質疑與科學探究[21]。如何有效培育小學教育專業師范生的科學素養值得每一位教育工作者深入探索。簡而言之，科學知識是基礎和保障，科學能力是科學素養水平的綜合體現。任課教師是課程的引導者、參與者、合作者，以小學教育專業師范生作為學習的主體，并基于他們的心智狀態對其學業成就進行多維度評量，是實施有效課堂教學的需要，也是對師范生教育從關注“結果”到關注“過程”的轉向。

通過對小學教育專業師范生實施《自然科學基礎》課程的核心概念為理念的教學，他們大多數人掌握了該課程的基本科學知識，具備了解決實際問題的科學能力，基本上達到了師范生應具備的科學素養。但因生源背景、性別等因素的差異，他們在《自然科學基礎》課程學習上的心理機制是明顯不同的。作為承擔基礎教育師資培養工作的教育工作者,只有依據小學教育專業師范生的現實需求，正視他們的生活經驗與能力差異，把握好他們的心智狀態水平，充分挖掘校內外的資源優勢，形成全員育人、全方位育人之“大環境”，為他們創造良好的學習情境和調動他們對課程學習的動機，將十分有助于他們維持高水平的心智狀態，進而培育他們應有的科學素養。如何使《自然科學基礎》課程和其他專業課程有機結合起來，更有效地提升小學教育專業師范生的綜合素養，還需對他們開展更深入的調查研究。