学生对科学探究的理性认识和操作性能力的实证研究.docVIP

学生对科学探究的理性认识和操作性能力的实证研究作者：罗国忠文章来源：绵阳师范学院学报 2007年2月摘要：本研究运用了个别访谈探查初中生对科学探究的理性认识和操作性能力，结果发现学生对科学探究的理性认识和操作性能力均较差；对因变量和结论存在理性认识和操作性能力的差异，但对自变量、控制变量、结果等均未存在理性认识和操作性能力的差异。 关键词：科学探究；理性认识；操作性能力1 问题的提出目前，我国探究教学面临诸如器材不足、班额大、时间紧、评价守旧等现实问题，这些外部因素的确制约了探究教学的开展。但是，除了这些能明显感知到的外部因素，还有其他一些内部因素也会影响探究教学，如学生对科学探究本身的理解、认知风格等，但人们对这些内部因素仍缺乏研究。Griffiths & Thomp-son（1993）指出：如果不知道学生想什么、怎么想，我们将很难进行有效的探究教学。而Chin（2003）进一步认为：要培养学生的探究能力，不仅要让学生动手探究，也要让学生理解科学探究的有关概念。学生对科学探究有关概念的理解有可能正确，也有可能存在偏差、甚至错误，后者统称科学探究前概念。尽管国际科学教育界对科学前概念做了很多研究，但关于科学探究前概念的研究很少（Griffiths & Thomp-son，1993）。本研究的问题是：学生对科学探究存在哪些错误理解？学生对科学探究的理性认识和操作性能力是否存在差异？2方法2.1 样本由于访谈、编码和分析所用的时间和人力等成本较大，因此本研究采用小样本。为了使样本具有典型性，分别从4个学校的初三年级进行分层抽样，各随机抽取高、中、低学业成绩的3学生，男女生分别为17、19，共36人。在访谈前，这些学生已经做过两三次完整的科学探究。2.2程序访谈内容涉及假设、变量、结果和结论等探究要素，每个要素设计两个问题，分别为理性和操作性问题，以比较两者的差异。为了确保效度，访谈问题经过2次预测，每次预测后都经过4个大学物理教学法教师和中学物理教师的讨论、修订。正式访谈采用个别访谈形式，访谈时间在25至40分钟。访谈时用录音笔录下访谈声音，访谈结束后由笔者和两名经验丰富的教师把录音转化为文本，并编码简化成错误类型清单。为了确保信度，采取了三个措施。第一，设置了一些重复问题，这些重复问题在前后访谈中的一致性系数达到83%；第二，在访谈的两周后，从每个学校各抽出2个学生，再进行访谈同样的问题，两次访谈的一致性系数达到85%；第三，让4个经验丰富的教师逐条评判访谈记录和错误类型清单之间的匹配性，教师评判的一致性系数达90%。3结果和分析由于篇幅关系，只讨论学生人数比例大于10%的典型错误类型，每种错误类型的学生人数在括号内标明，并给出个别学生的错误实例。3.1假设关于假设，访谈内容分别是：什么是假设？从4个陈述中找出哪些是假设或非假设？对于第一个问题，少数学生的回答可以接受（8）。错误类型较多，其中两个典型类型相对立：假设就是有确切根据的推理（18），如“假设就是有理有据的严格推理”，这些学生没有考虑到假设的不确定性；假设就是没有根据的猜测（6），如“猜测就是凭想象，没有理由”，“假设就是乱想”，这些学生走向另一端，忽视了已有知识经验的作用。对于第二个问题，也是少数学生能识别假设和非假设（10）。典型的错误与上一问题很类似：只把具有确定性的陈述当作假设（15），这些学生把陈述中的“肯定、一定”等词语作为判断的依据；只把具有不确定性的陈述当作假设（8），这些学生把陈述中的“或许、可能”等词语作为判断的依据。结果表明，学生对假设的理性认识和操作性识别能力较差，而且两者基本一致，即说不出假设意思的学生，也基本识别不出假设和非假设的陈述。造成这种现状的原因可能很多，但至少与教师对科学探究的理解有关。例如，在一次研讨课中，教师让学生猜想“磁能产生电吗？”一学生回答“能”后，教师追问其理由，学生支支吾吾后说“因为你要我猜想，所以我就这样猜想”，之所以出现这种尴尬，是因为教师要求“猜想一定有根有据，否则就是乱猜”，但要学生说出这个猜想的理由显然超出了学生的知识经验。须知，假设是科学研究中极具创造性的一个要素，它与已有知识经验有关，但又不囿于已有知识经验，还与直觉、灵感等有关，而人类对于后者尚未认识清楚其产生机制。3.2变量在初中科学课程中，大部分探究涉及多因素问题。尽管控制变量法不是研究多因素问题的唯一方法，但是一种非常重要的方法。要运用好控制变量法，就必须弄清自变量、控制变量和因变量的意思，以便讨论如何操作自变量、控制相关变量、测量因变量。3.2.1自变量关于自变量，访谈内容分别是：什么是自变量？从4个问题陈述中找出自变量。对于第一个问题，少数学生的回答可以接受（10）。错误理解的类型较多，其中两个类型比较典型：自变量不受实验者影响，也不对实验产生影响（8），如“自变量在实验中独自变化，不影响实验”；自变量不受实验者影响，但对实验有影响（7），如“自变量自己变化，并产生实验结果”。显然，这些学生没有真正理解这些自变量，只是从字面或生活经验来推断其意思。对于第二个问题，也只有少数学生能找出全部自变量（8）。错误理解的类型较多：一些不能找出全部自变量（12），如对于“单摆周期与单摆的长度、质量、摆角有什么关系”问题，一些学生认为长度和质量是自变量，一些认为只有长度、质量或摆角是自变量等；分不清因变量和自变量（7），如“周期和长度是自变量”；不能找出自变量（4）。以上结果表明学生不仅受到生活用语的干扰，而且也没有真正理解自变量的含义，因而缺乏识别自变量的能力。3.2.2因变量关于因变量，访谈内容分别是：什么是因变量？从4个问题陈述中找出因变量（问题陈述与自变量的一样）。对于第一个问题，少数学生的回答可以接受（10）。其他错误理解包括：因变量引起实验现象变化（9），如“因变量是引起实验变化的原因”，这显然也是顾名思义，从字面上推断或凭感觉判断因变量的含义；因变量是实验者改变的变量（4），如“我们在实验中不断改变它”；因变量与自变量一样（5），如“们在实验中都要改变因变量和自变量”。对于第二个问题，接近一半学生能找出因变量（17）。错误类型包括：把自变量当成因变量（8），如把单摆的长度、质量或摆角当成因变量；分不清因变量和自变量的区别（7），如“单摆的周期和质量是因变量”。这些操作性识别错误与理性认识基本一致。学生对因变量的理性认识较差，但对因变量的识别率较高，其原因主要是因变量的数目比自变量数目少，学生容易找出来。3.2.3控制变量关于控制变量，访谈内容分别是：什么是控制变量？从4个问题陈述中指出哪些是需要控制的变量（问题陈述与自变量的一样）？对于第一个问题，很少学生的回答可以接受（5）。与其他变量不同的是，这里的错误非常典型：控制变量就是实验者改变的变量（20），如“我们改变这些变量”、“我们控制它的大小变化，使实验结果朝着需要的方向变化”，这些学生显然受到了生活用语的影响，生活的“控制”意味着被操纵、改变，而科学实验的“控制”意味着保持不变；控制变量就是能对实验产生效果的变量（7），如“自变量与控制变量都对实验现象产生影响，不同的是自变量能自由变化，控制变量不能自由变化”。对于第二个问题，很少学生的回答可以接受（4）。错误类型包括：只控制部分相关变量（10），如“研究单摆周期与长度的关系时，用不同长度的绳子栓上质量相同的小球”；完全不控制相关变量（12），如“研究单摆周期与长度的关系，用不同长度的绳子栓上不同质量的小球，然后让小球摆动不同角度”；错误地控制了因变量（4），如“让单摆周期不变，改变单摆长度和质量”。从结果看到，学生对自变量、控制变量、因变量概念很模糊；除了能较好识别实例中的因变量，对自变量的识别率很低，对控制变量的识别率更低。学生对这些概念的误解可能与生活用语的干扰有关，但也可能与教学有关。例如，一教师在让学生探究“感应电流方向与什么因素有关”时，先让学生猜想出一个因素，便着手制订计划并动手实验，得到结果后教师又问“还跟什么因素有关呢”，再让学生猜想另一因素，然后又着手制订计划并实验。这似乎很有方法，但却是运用错误的方法得出正确的结论。笔者的调研发现，虽然这种不控制变量的错误做法不普遍，但也并非个案。3.3 结果关于结果，访谈内容分别是：什么是结果？ 从4个实例中识别结果（实例包括定性的现象描述、定量的数据，以及相应的结论）。对于第一个问题，少数学生的回答可以接受（5）。错误类型较多：结果是用工具测量得到的数据（9），如“人的感觉不可靠，必须用工具来测量，得出的数据就是结果”，这些学生把人的所有感官感觉到的、定性的现象描述排除在外；结果是最后得到的实验结论（8），或是对实验现象进行分析后得到的东西（6），如“对数据进行分析后得出的就是结果”，这些学生显然把结果和结论混淆了；结果是眼睛看见的东西（6），如“眼见为实，只有看见的才是结果”，这些学生把其他感官或工具排除在外。对于第二个问题，也是少数学生能完全识别结果（7）。错误类型包括：把所有的结论都看成结果（8），把所有的结果和结论都看作结果（7），说明了这些学生对结果和结论的混淆；只把定量的数据看作结果，但不把定性的现象描述当成结果（8），这些学生觉得定量的数据更实在，而定性的现象描述不踏实。3.4 结论关于结论，访谈内容分别是：什么是结论？1个实例中得出结论。对于第一个问题，少数学生的回答可以接受（10）。错误类型较多：结论是人想出来的东西（15），如“结论是人脑想象出来的”，这些学生似乎也意识到结论的建构性，但没有意识到结论是在结果的基础上建构起来的；结论就是实验结果（8），如“结论是从实验观察中得到的”、“用工具测量到的就是结论”，把结果和结论混淆了。第二个问题的实例是：在一个盛有冰水混合物的烧杯中插入一支温度计，用酒精灯对烧杯缓慢加热。某同学将观察结果记录在下表中，你能从该表得到什么结论？观察时间/min0246温度计示数/0009现象有较多的冰，少量的水有少量的冰，较多的水冰完全消失，只有水全部是水较多学生能从实例中得出结论（20）。错误类型较多：重述实验现象，缺少思维概括（5），如“在加热过程中，0 - 4 min只是一个熔化过程，而加热到6min时温度开始升高”，这些学生把结果和结论混淆了；不明观察重点，结论漫无边际（4），如“冰水混合物的温度与冰水质量的多少无关”、“冰越多，观察时间就越长”，这些学生未弄清问题要求，没有重点观察温度计示数和冰状态的变化；漠视实验结果，机械记忆书本结论（4），如“冰在熔化时温度保持不变，且处于三种状态”，这些学生无视题目中给予的实验记录，只凭平时的死记硬背。从以上3、4点看出，尽管学生从结果中得出结论的能力并不差，但对结果和结论的理性认识较差。同样地，这可能与生活用语和生活经验有关，也可能与教师的认识偏差等有关。笔者曾在两个参与式培训班中组织教师们讨论结果和结论的区别，结果发现三分之一以上的教师以前没有思考过这个问题，四分之一的教师难以区分两者。4讨论从结果看到，学生对假设、变量、结果和结论等过程要素的理性认识和操作性能力都比较差。有研究表明，造成学生操作性能力较差，与当前探究教学开展程度较低、学生较少经历真实的科学探究直接相关；造成学生错误认识的原因则较复杂，除了受生活用语、生活经验的干扰，还与探究学习的经历等有关。当前，教师除了在各种公开课等采用探究教学，在常态教学中很少采用探究教学。即使是这些众人参与设计的探究教学，也反映了教师对科学探究存在认识偏差，这种偏差经教学放大，就不难解释学生的错误认识了。理性认识和操作性能力是否存在差异也是本研究的问题，也就是说理性认识强的学生未必操作性能力是否强，反之亦然。在本研究中，除了学生对因变量、结论的理性认识和操作性能力存在差异，其他要素均未显现差异显著，这与Griffiths & Thomp-son（1993）研究结果不太一样，可能与任务特点和国情有关。学生对因变量的操作性识别能力比理性认识好些，主要是因变量数目比自变量、控制变量少的缘故；至于学