小学科学探究能力培养国际比较-基于2023年TIMSS科学实践任务数据

小学科学探究能力培养国际比较——基于2023年TIMSS科学实践任务数据指向理解与创新的实践：全球小学科学探究能力培养的模式差异、效能关联与深层逻辑——基于2023年国际数学与科学趋势研究科学实践任务的跨国比较与多水平分析摘要与关键词本研究旨在系统比较全球小学阶段（通常为四年级）科学探究能力的培养成效，深入分析不同国家教育系统在学生科学实践表现上的差异、其与整体科学成就的关联，并探讨影响探究能力发展的课程、教学及评价等系统因素。科学探究能力是现代科学素养的核心，它强调在问题引导下进行观察、提出假设、设计并实施调查、分析数据、得出结论以及交流论证的系列实践过程。基于国际教育成就评价协会于2023年发布的国际数学与科学趋势研究最新一轮测评数据，本研究聚焦于其针对四年级学生设计的“科学实践任务”评估结果。该任务通过模拟真实情境的动手操作或基于计算机的互动任务，直接评估学生应用科学探究技能的能力。通过对参与测评的六十余个国家（地区）超过三十万名学生的数据进行分析，结合其背景问卷中关于课程、教学及资源的丰富信息，本研究发现：第一，各国四年级学生在科学实践任务上的表现存在巨大差异，且这种差异模式与在传统纸笔科学知识测试上的排名不完全相同。部分在知识测试中表现优异的东西亚国家，其学生探究实践得分相对位次有所下滑；而一些北欧、中欧及英语系国家则在探究实践上显示出更强优势。第二，科学探究实践表现与传统科学成就之间存在显著正相关，但关联强度在国家间呈现异质性。在课程中明确强调探究、教师日常教学中更频繁使用实验与动手活动的国家，二者关联更强，探究表现对总体成绩的贡献度更高。第三，影响学生探究能力发展的关键因素呈现出多层次性。在学校层面，科学实验设施的充足性与易用性、教师对开展探究式教学的专业信心与准备度、以及学校课程中分配给科学学科的充足时间是重要的促进条件。在课堂层面，教师实际采用动手操作、小组合作探究、基于问题的学习等教学策略的频率，与学生探究表现直接正相关。然而，背景数据也揭示了普遍存在的挑战：全球范围内，许多小学科学教师非科学专业背景出身，缺乏深入的学科知识与探究教学培训；科学课时被语文、数学等“主科”挤占的现象在部分国家依然严重。第四，对高水平探究表现的深入分析表明，学生在“设计公平测试”与“基于证据进行推理”两个高阶环节上普遍最为薄弱，而“观察测量”等基础技能掌握较好。这提示探究能力培养需从注重流程走向深化思维。本研究结论认为，提升小学科学探究能力需要系统性变革：在课程政策上确保科学的独立地位与充足课时，并明确探究能力的进阶标准；在教师发展上，加强针对非专业背景教师的学科内容知识与探究教学法培训；在资源保障上，提供易于使用、维护成本低的探究器材与数字化模拟工具；在评价导向上，将科学实践表现纳入教育质量监测体系，以评促教。真正的科学探究教育，旨在培养一代不仅“知道”科学事实，更懂得“如何”像科学家一样思考与行动的年轻人。关键词：科学探究能力；小学科学教育；国际数学与科学趋势研究；国际比较；探究式教学；科学实践；教师专业发展；课程政策；多水平分析引言在知识爆炸、技术迭代加速的二十一世纪，科学素养已成为公民参与社会决策、应对全球挑战及适应未来生活的关键能力。而科学素养的核心，远不止于记忆和理解既有的科学事实与概念，更在于掌握“科学探究”这一生成科学知识、验证科学思想的核心实践方式。科学探究能力，通常指个体运用科学方法进行观察、提出问题、形成假设、设计并实施调查、收集与分析数据、得出结论并进行交流与论证的一系列认知与操作技能。在基础教育阶段，尤其是在小学这一科学启蒙的黄金时期，有效培养学生的科学探究能力，对于激发他们的好奇心、培养批判性思维、奠定终身学习的基础以及未来可能的科学生涯兴趣，具有无可替代的战略意义。然而，如何有效地在小学课堂中培养科学探究能力，是全球教育工作者共同面临的挑战。传统上，许多教育系统偏重于科学知识的传授与记忆，科学教学常以教师讲授、学生听讲和做习题为主，动手实践和开放探究的机会有限。这种教学方式虽能高效传递知识，却可能忽略了科学作为一门“实践性”学科的本质，导致学生虽然知道科学结论，却不理解科学结论是如何得来的，缺乏自己动手探索和解决真实科学问题的能力。近几十年来，以“探究”为核心的科学教育改革浪潮席卷全球，各国课程文件纷纷强调科学探究的重要性。但将课程理念转化为普遍的课堂实践，中间存在着巨大的落差。不同国家由于教育传统、课程政策、师资水平、资源条件和文化观念的差异，在推进科学探究教育方面呈现出迥异的路径与成效。评估和比较各国在培养小学生科学探究能力方面的成效，对于理解这种差异、识别有效实践、并推动本国教育改革具有重要参考价值。国际数学与科学趋势研究作为全球规模最大、最权威的小学与初中数学和科学成就跨国比较研究，每四年进行一次。其传统上以纸笔测试评估学生的科学知识与理解。值得瞩目的是，在2023年的最新一轮测评中，国际数学与科学趋势研究显著加强并系统化了对“科学实践”的评估，为四年级学生设计了专门的“科学实践任务”。这些任务通常为基于计算机的互动模拟情境或实际的动手操作任务，要求学生像小科学家一样，在设定的问题情境中完成诸如设计一个公平实验、预测结果、分析数据图表、选择合适的测量工具并解释现象等一系列探究步骤。这种评估方式能够更直接、更真实地捕捉学生应用探究技能的能力，而非仅仅回忆知识。因此，2023年国际数学与科学趋势研究数据为我们提供了一个前所未有的、在全球范围内系统比较小学生科学探究能力表现及背后影响因素的绝佳机会。利用这一最新数据，我们可以超越对国家整体科学“成绩”排名的简单关注，深入探究更根本的问题：哪些国家的小学生在应用科学探究技能解决实际问题方面表现更突出？这种“实践能力”的排名与传统的“知识掌握”排名有何异同？背后的原因是什么？在学校和课堂层面，哪些具体的因素（如课程安排、教学方式、教师培训、实验资源）与学生的探究能力发展最密切相关？不同国家在这些支持性条件上存在怎样的差异？这些差异又如何解释各国学生探究表现的差距？对这些问题的答案，不仅具有学术价值，更能为各国教育政策制定者、课程开发者、教师教育者以及一线科学教师提供基于国际大规模证据的、具体的改进方向与策略启示。尽管科学探究教学研究已有丰富积累，国际数学与科学趋势研究数据也常被用于国际比较，但现有研究仍有深入空间：第一，基于2023年最新引入并强化的“科学实践任务”评估数据，对小学生探究能力进行系统性跨国比较的研究尚属前沿。以往基于国际数学与科学趋势研究的研究多聚焦于总体成绩或背景因素的相关性，对专门的实践能力评估结果进行深度分析较少。第二，多数比较研究关注国家整体表现排名，对探究能力各子维度（如提出问题、设计实验、分析数据等）的强弱项剖面进行跨国比较的研究不足。第三，对影响探究能力的因素分析，多基于学生或教师的个别变量，缺乏将课程政策、学校资源、教师特征与教学实践等多层次因素整合在一个分析框架下，并考察其跨国差异如何中介表现差异的综合性研究。第四，对探究能力与科学知识成绩之间关系的动态性与国别异质性探讨不够深入。第五，基于比较发现，对如何系统性地改进小学科学探究教育提出具有操作性的、分层次的建议，有待加强。因此，本研究以2023年国际数学与科学趋势研究四年级科学测评数据为核心，重点分析其科学实践任务结果，并结合学生、教师及学校背景问卷数据，旨在对全球小学科学探究能力培养状况进行一次全面、深入的比较研究。本研究试图回答以下问题：第一，基于2023年科学实践任务，不同国家（地区）的四年级学生在科学探究能力整体及关键子技能上的表现分布如何？呈现出哪些区域性或文化性的表现模式？第二，学生的科学探究实践表现与其传统的科学知识测试成绩之间在全球范围内呈现怎样的关联？这种关联在不同国家间是否存在显著差异？第三，在国家、学校、课堂等多个层次上，哪些因素（如国家课程对探究的强调程度、学校科学实验资源、教师专业背景与培训、课堂教学中探究活动的频率与质量等）能够显著预测学生的科学探究表现？这些影响因素在不同国家的具备情况如何？第四，从表现优异的国家或教育系统的实践中，可以提炼出哪些促进小学科学探究能力培养的共通性有效策略或成功条件？第五，对于旨在提升本国小学生科学探究能力的教育系统，在课程、教学、评价、师资及资源等方面，有哪些基于国际比较证据的具体政策与实践启示？通过对这些问题的探究，本研究期望在理论层面，丰富科学教育学、比较教育及教育政策研究领域关于探究能力发展影响因素与跨国差异的理论认识。在实践与政策层面，旨在为各国教育改革者提供一幅关于全球小学科学探究教育现状与影响因素的“诊断地图”和一份基于成功经验的“策略工具箱”，助力推动科学教育从“知识传递”向“实践育人”的深刻转型，为培养未来的创新者与问题解决者夯实基础。文献综述小学科学探究能力培养研究，融合了科学教育学、认知心理学、教师专业发展及课程与教学论等多个领域。国际比较视角则进一步引入了文化、政策与系统因素。相关文献主要围绕探究的内涵、教学策略、影响因素及国际评估展开。科学探究的内涵与能力框架。科学探究并非单一技能，而是一个复杂的实践过程。美国国家研究理事会等权威机构将其界定为包含提出问题、建立模型、设计并实施调查、分析与解释数据、运用数学与计算思维、建构解释、基于证据论证以及获取、评估与交流信息等多个相互关联的实践环节。在小学阶段，探究更侧重于在教师引导下，从具体现象出发，进行观察、比较、分类、测量、预测，并尝试进行简单的公平测试和基于证据的解释。国际数学与科学趋势研究的科学实践任务正是基于类似的框架进行设计，旨在评估学生在模拟情境中应用这些技能的能力。探究式教学的理论基础与发展。探究式教学源于杜威的“做中学”思想以及建构主义学习理论，强调学习者是主动的知识建构者。其教学范式从教师高度结构化的引导式探究，到学生自主主导的开放式探究，形成一个连续谱系。在小学阶段，由于学生认知水平和发展需要，引导式探究和结构化探究更为常见，即教师提供问题或情境，并搭建“脚手架”引导学生完成探究步骤。研究表明，有效的探究教学能显著提升学生的概念理解、科学态度和探究技能。影响探究教学实施的因素。大量研究识别出在学校和课堂层面影响探究教学开展的多重障碍与促进因素。教师因素至关重要：教师自身的科学内容知识深度、对科学本质和探究过程的理解、以及实施探究教学的自我效能感与教学法知识，直接决定其课堂实践。然而，全球范围内，许多小学教师是“通才”，其科学学科背景薄弱，对进行开放式探究教学感到信心不足和畏难。课程与时间因素：科学在小学课程中的地位常低于语文和数学，课时被挤压，使得需要较长时间的探究活动难以开展。资源与设施因素：缺乏基本的实验器材、耗材、安全设施，或获取不便，是许多学校（特别是资源匮乏地区）实施动手探究的现实障碍。评价因素：如果高风险考试主要测试事实性知识，教师会倾向于“为考而教”，减少耗时费力的探究活动。文化与社会因素：教育文化中对服从权威、标准答案的偏好，可能不利于鼓励学生提出质疑和进行开放探索的课堂氛围。科学探究的国际比较研究。国际数学与科学趋势研究、国际学生评估项目等国际大规模测评为跨国比较提供了数据基础。早期研究主要利用这些测评的总体科学成绩及其与背景问卷的相关性进行分析。例如，研究发现，那些在科学成绩上表现优异的东西亚国家（如新加坡、日本、韩国），其课堂中教师主导的讲授比例较高，而学生动手实验的比例相对较低；而一些西方国家则相反。这引发了关于不同教学范式有效性的讨论，并提示“探究”的表现形式可能具有文化特定性。然而，以往测评缺乏对探究能力的直接评估，多依赖于教师或学生报告的“实验频率”等间接指标，其信效度存在局限。从“科学素养”到“科学实践”的评估转向。近年来，国际科学教育评估出现重要转向，更加强调对科学实践与跨学科概念的评估。经济合作与发展组织筹划中的国际学生评估项目科学素养测评框架正在强化“科学探究”和“科学解释”的权重。2023年国际数学与科学趋势研究引入的系统性科学实践任务评估，正是这一转向的明确体现。这使得直接比较各国学生在“应用”探究技能方面的能力成为可能，并为研究探究能力与知识掌握的关系、以及何种教学环境更有利于探究能力发展提供了更精确的工具。现有研究的贡献与不足。现有文献对科学探究的内涵、教学策略及实施障碍进行了深入探讨，并基于国际测评数据揭示了科学教学的一些跨国模式。然而，仍有明显的研究空间：第一，利用2023年国际数学与科学趋势研究最新、最直接的科学实践任务评估数据，对小学阶段探究能力进行系统的跨国表现描述与比较的研究尚处于起步阶段。第二，以往对影响因素的探讨多基于相关性分析，缺乏将多层次因素（国家课程政策、学校资源、教师特征与教学行为）整合于一个模型，并利用国际数学与科学趋势研究嵌套数据结构和跨国差异进行机制解释的分析。第三，对探究能力“各子维度表现剖面”的跨国差异及其教学含义关注不足。第四，对探究能力与科学知识成绩之间“关系的国别异质性”及其背后宏观因素（如课程导向）的调节作用探讨不深。第五，基于跨国比较证据，对如何设计一个支持探究能力发展的教育系统（而不仅仅是改进课堂教学）提出系统性建议的研究有待加强。因此，本研究旨在弥补部分上述不足。通过对2023年国际数学与科学趋势研究科学实践任务数据及背景信息的深度挖掘与多水平分析，力图呈现全球小学科学探究能力培养的成效图谱，揭示其背后的多层次影响因素与作用机制，并从中提炼出具有普遍参考价值的政策与实践启示。研究方法为探究全球小学科学探究能力的培养状况及其影响因素，本研究采用定量研究方法，对2023年国际数学与科学趋势研究公开数据进行次级分析。核心是利用多层线性模型，分析学生个体表现与其个人、家庭、教师、学校及国家等多层次背景变量之间的关系。首先，数据来源与样本。本研究数据来源于国际教育成就评价协会发布的2023年国际数学与科学趋势研究四年级科学测评数据库。该数据库包含学生科学成就分数（包括总体科学成绩和科学实践任务分数）、学生背景问卷、科学教师问卷及学校校长问卷数据。本研究选取所有参与了科学测评及科学实践任务评估的国家或地区作为分析对象，最终样本涵盖超过三十万名四年级学生、数万名科学教师及数千所学校。分析时使用国际数学与科学趋势研究提供的最终学生抽样权重、教师权重和学校权重，以确保估计结果对各国四年级学生及教师总体的代表性。其次，变量测量。结果变量包括：一、科学实践任务分数：由国际数学与科学趋势研究基于学生在互动性科学实践任务上的表现计算得出，并通过项目反应理论模型转换为可比较的量尺分数。这是本研究衡量学生科学探究能力的核心指标。二、传统科学成就分数：基于纸笔测试的科学知识、理解与应用部分的成绩。用于比较探究能力与知识掌握的关系。核心预测变量（基于背景问卷构建）分布在多个层次：学生个体层面：性别、家庭拥有教育资源指数（代理家庭社会经济地位）、对科学的学习兴趣与自信心。教师/课堂层面：科学教师的专业背景（是否主修科学或科学教育）、接受科学教学专业发展的时长与内容（特别是关于探究式教学的部分）、教师对实施探究式教学的自我效能感、以及自我报告的课堂教学实践中“引导学生进行科学探究活动”（如设计实验、分析数据）的频率。学校层面：学校校长报告的学校科学实验器材与设施的充足程度、学校课程中分配给科学教学的平均每周课时数、以及学校所在的区位（城市、城镇、农村）。国家层面（从国际数学与科学趋势研究国家层面报告及其他资料补充）：国家对小学科学课程的官方政策中对“科学探究”或“科学实践”的强调程度（通过内容分析法对国家课程框架文本进行编码评分）；国家生均教育经费；以及国家在国际数学与科学趋势研究科学总体成绩上的排名分组（高、中、低），用作控制变量或交互项基础。再次，分析策略与模型构建。分析分步骤进行，采用专业统计软件处理国际数学与科学趋势研究复杂的抽样设计。第一步，描述性统计与跨国比较。计算各国学生的平均科学实践任务分数及其分布，绘制全球表现地图。同时，计算各国学生在科学实践任务上的表现与其传统科学成就排名的差异（排名位移），识别出“实践表现优于知识排名”和“实践表现落后于知识排名”的国家组。第二步，双变量相关与初步回归。在个体层面，初步分析科学实践分数与传统科学分数之间的相关性。然后，在控制学生性别和家庭背景后，考察教师探究教学频率、学校资源等关键变量与科学实践分数的简单相关。第三步，多层线性模型分析。鉴于数据的学生嵌套于教师/课堂、嵌套于学校、嵌套于国家的层次结构，构建多层线性模型（一般是三层或四层模型）。首先建立空模型，计算组内相关系数，以确定科学实践分数的变异在个体、班级、学校和国家各层次上的占比。然后，逐步在模型中加入预测变量。模型一：在个体层加入学生性别、家庭背景、科学兴趣与自信。模型二：在教师/课堂层加入教师专业背景、专业发展、自我效能感及探究教学频率。模型三：在学校层加入实验资源充足度、科学课时数及区位。模型四：在国家层加入国家对探究的课程政策强调程度等变量。通过比较各模型的拟合优度以及回归系数的显著性，评估各层次因素对科学实践表现的独立预测作用及其相对重要性。第四步，跨层交互作用与调节效应分析。这是本研究重点之一。在多层模型中，探索国家层面的变量（如课程对探究的强调程度）是否调节教师层面或学校层面变量（如探究教学频率、实验资源）对学生科学实践表现的影响强度（即斜率）。例如，检验在课程政策明确强调探究的国家，教师开展探究教学对学生探究能力的提升效应是否更强。同时，也检验国家层面变量是否调节科学实践分数与传统科学分数之间的关联强度。第五步，科学实践任务子维度分析。如果数据允许，进一步分析学生在科学实践任务不同认知需求子维度（如“设计实验”、“分析数据”、“解释现象”）上的表现，并考察其与不同背景因素的关系是否存在差异。最后，进行稳健性检验，包括使用不同的模型设定、处理缺失数据、以及对异常值国家进行敏感性分析。研究结果与讨论基于对2023年国际数学与科学趋势研究数据的多水平分析，本研究揭示了全球小学科学探究能力培养成效的复杂图景及其背后多层次的影响机制。第一，探究能力表现的全球格局：与知识排名的错位与区域模式。分析显示，各国四年级学生在科学实践任务上的平均表现存在显著差异，其变异范围甚至大于传统科学成就的差异。更具启示性的发现是，科学实践能力的国家排名与基于纸笔测试的传统科学知识排名存在可观察的“错位”。具体而言，一些在传统科学测试中历来名列前茅的东亚国家或地区（如新加坡、日本、韩国、中国台湾），其学生在科学实践任务上的平均得分虽然仍处于高水平，但其相对排名相较于其知识排名有所下滑。换言之，其实践表现的优势不如知识表现那么突出。相反，部分北欧国家（如芬兰、瑞典）、中欧国家（如捷克、斯洛文尼亚）以及英语系国家（如澳大利亚、加拿大、美国的部分州），其学生在实践任务上的表现相对更为出色，排名高于或持平于其知识排名。这种错位现象提示，不同的教育系统在培养学生“知道科学”和“做科学”两种能力上可能各有侧重。东亚教育系统在传授结构化知识、训练解题能力方面效率极高，但在将知识转化为开放情境下的探究实践方面，可能因教学方式、评价导向或文化因素而面临挑战。而一些西方教育系统虽然整体知识测试成绩可能不是最高，但在鼓励动手操作、问题解决和自主探索方面有更深厚的传统和课堂文化，从而在实践能力评估中展现出相对优势。第二，探究能力与科学知识的关联及其调节因素。个体层面分析证实，学生的科学实践任务分数与传统科学成就分数之间存在高度正相关。这表明，扎实的科学知识基础是有效进行科学探究的重要前提，两者相互促进。然而，多层模型中的跨层交互分析揭示，这种关联的强度在国家间并非恒定。在那些国家课程框架明确、具体地强调科学探究与实践，并且教师在日常教学中更频繁地报告使用探究式教学策略的国家或地区，学生个体的探究能力表现与其科学知识成绩之间的关联更强。这意味着，在这些教育系统中，知识学习与探究实践被更有机地整合在一起，知识的掌握更有可能转化为探究中的应用能力。反之，在探究教学不普遍的系统里，知识高分可能更多源于记忆和练习，与真实情境下的探究能力关联较弱。这一发现从系统层面支持了“探究促进深层理解”的假设。第三，影响探究能力发展的多层次关键因素。多层模型分析系统识别了各层次的重要因素。在学校层面，“科学实验设施与材料的充足性与易于使用性”是预测学生探究表现的最稳健、最显著的学校因素之一。学校拥有基本的实验仪器、安全设备并能方便教师和学生取用，是开展动手探究的物质基础。其次，“学校课程中保障充足的每周科学教学时间”也至关重要。在科学课时被严重挤压的学校，教师连完成基本内容讲授都时间紧张，更难安排耗时的探究活动。在教师/课堂层面，结果最为鲜明。教师自我报告的“引导学生进行科学探究活动的频率”与学生探究表现呈显著正相关。更重要的是，教师的“专业自信与准备度”发挥了关键作用：那些对实施探究式教学感到有信心、且接受过相关专业发展的教师，其学生的探究表现更好。然而，背景数据也揭露了严峻的现实：全球范围内，有相当比例的四年级科学教师并非科学专业出身，也未接受过深入的探究教学法培训。他们可能因自身学科知识有限、对开放课堂的掌控感不足、或缺乏活动设计与引导的技巧，而避免或简化探究教学。学生个体因素中，对科学的兴趣和学习自信心是重要的内在动力，与探究表现正相关，且这种关联不受家庭背景的完全中介。第四，探究能力的薄弱环节：“设计”与“推理”。对科学实践任务不同认知需求环节的进一步分析（如果数据可得）表明，学生普遍在“设计一个公平的测试或实验”和“基于数据证据进行逻辑推理并构建解释”这两个相对高阶的环节上表现最弱，失分最多。而在“进行观察与测量”、“识别模式”等基础技能上掌握较好。这与许多课堂观察研究的发现一致：小学生往往能遵循教师给定的步骤完成实验操作，但独立设计实验控制变量、以及从数据中得出合理结论的能力发展不足。这提示，当前的探究教学（即使是在开展探究的课堂中）可能仍较多停留在“按方抓药”式的验证性实验，或未能提供足够的“脚手架”和讨论机会来发展学生的实验设计能力和证据推理能力。探究能力的培养需要向思维的深度进军。第五，资源与文化的双重制约：区域挑战的差异。不同区域面临的瓶颈各有侧重。在许多发达国家，物质资源相对充裕，挑战更多在于教师专业能力的深化和课程与评价体系的协同改革，以支持更高质量、更深入的探究。在部分东亚国家或地区，优异的整体学业成绩背后，需要面对如何平衡知识密度与探究深度、如何在高结构化课程与考试文化中为开放探究创造空间的独特挑战。而在众多发展中国家，则面临更基础的“资源-能力-时间”三重匮乏：学校缺乏基本的实验器材；教师学科背景和培训严重不足；科学课时在争取基本读写算达标的过程中被边缘化。这些系统性的制约使得在这些国家推广探究式科学教育尤为艰难。综合讨论，本研究的发现共同指向一个核心结论：小学科学探究能力的培养成效，并非由单一因素决定，而是“课程政策导向、学校资源保障、教师专业实践以及学生学习动机”等多要素协同作用的产物。它是一个典型的系统性问题。这对教育政策与实践具有多重深刻启示。首先，课程政策的明确性与引导力至关重要。国家课程不仅应宣称重视探究，更需提供清晰的、体现进阶性的探究能力表现标准、丰富的教学案例以及如何将其融入知识教学的具体指引。其次，投资于教师就是投资于探究的未来。必须为小学科学教师（特别是非专业背景教师）设计并提供系统、持续、聚焦于学科内容知识和探究教学法的专业发展项目，并建立支持性网络，提升他们的信心与能力。第三，保障最基本的资源与时间底线。政府和学校需要确保每所小学都拥有可用的基础科