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  摘要:“以科学探究为核心”已经成为国际基础科学教育的共识,也是一个世纪以来科学教育者所努力追求的方向。本文通过开放式问卷和访谈等方法,采用混合研究并行策略,实证调查了中美两国各45位理科教师对科学探究的认识,他们的差异性认识主要表现在科学探究的具体议题、认识阶段以及类型等方面,基于此对我国理科教师教育提出了启示。

 

  关键词:科学探究;理科教师;VOSI-S;混合研究

 

  国际上没有哪个观点像“科学探究”这样受到基础科学教育领域广泛的关注,如果非要用一个词语描述一个世纪以来科学教育者所努力追求的方向,那么它一定是“探究”。[1]“以科学探究为核心”已经成为国际基础科学教育的共识,各国科学教育改革一直提倡探究式教学,其目的在于通过真实情境的探究过程来生成科学知识和技能,认识科学的本质,从而培养必要的科学素养。科学探究的内涵也在不断演变,由此导致科学教育价值取向的变化,以至整个科学教育的“范式转型”,[2] 科学探究既是我国科学教育的追求,也是必然的发展方向。理科教师作为探究教学的实施者,她们的科学探究观直接影响教学实践和学生的学习,科学探究缘起于美国,中美教师的认识是否存在差异?目前国际上关于理科教师科学探究观的国际比较研究很少,本文试图通过定量和定性相结合的混合研究方法,调查分析二者的认识异同,以期对我国科学探究的理论研究和探究教学的实践分析提供借鉴。

 

  一、研究的界定

 

  科学探究涉及的范围很广,既指现代科学如何进行的基本原则,与科学本质密切相关的科学知识发展的过程和思维方式,还指教与学的过程。[3]

 

  (一)美国《国家科学教育标准》的界定

 

  为了界定基础教育领域的科学探究,很多学者将其分为两大类:一是把科学探究描述为科学家所做的工作,二是把它看作教与学的过程。美国《国家科学教育标准》对探究的定义实际上认可了这种划分,它明确指出:科学探究指的是科学家们用以研究自然界并基于此种研究获得的证据提出种种解释的多种不同途径;科学探究也指的是学生们用以获取知识、领悟科学的思想观念、领悟科学家们研究自然界所用的方法而进行的各种活动。[4]

 

  (二)与科学本质相关的界定

 

  在当代科学教育研究中,开始的科学探究与美国科学教育标准的界定非常接近,后来焦点转为探究教学如何整合“认识探究”与“做探究”两个方面。因此,在涉及“认识探究”的时候,研究者强调科学探究的本质,将其看作与科学本质相关的科学认识论的组成部分;于是,“科学探究”用来指科学知识发展过程的特征,涉及到发展、接受和使用科学知识的若干惯例;它是人们认识科学本质和科学素养的中介,是作为知识建构和确认的方法。在讨论探究教学的时候,研究者将科学探究与教学相联系,[5]看作是“做探究”的过程,即课堂中的探究活动。

 

  综合以上两个层面的界定,笔者认为科学探究具有双重意义:在涉及科学探究的本质时,将科学探究视为与科学本质密切相关的科学认识论的组成部分,即科学知识发展过程的特征;当涉及探究教学时,指的是课堂中的探究活动。因此,本研究探讨的理科教师对科学探究的认识,是指其第一重意义,即教师对科学知识发展过程的认识。而对探究教学的认识,与第二层意义有关。

 

  二、研究过程和方法

 

  本研究主要采用混合研究设计,使用并行三角互证策略(concurrent triangulation strategy),利用国际上通用的科学探究问卷,并结合随后的深度访谈来研究理科教师对科学探究的认识,综合定量和定性两种方法进行数据分析。定量分析部分对开放式问卷采用了等级编码,得到量化数据;定性分析部分采用斯特劳斯和科宾(Strauss & Corbin)的三级编码方法来进行系统编码的文本分析,即开放式、轴式和选择性编码。[6]

 

  (一)研究工具和参与者

 

  1.研究工具

 

  本论文中采用的开放式问卷为国际上流行的科学探究问卷 VOSI-SView of Scientific Inquiry, version S)并结合随后的深入访谈。该问卷包括五道大题,多采用实际问题解决的方式来陈述和设疑,理论基础来自于李德曼等人提出科学发展过程的知识论,主要用于测查科学家是如何发展科学知识的过程,即对科学探究的认识 [7] 涉及科学探究9个议题:科学探究开始于问题,但不一定检验假设;科学探究中没有唯一的模式或者步骤(比如没有唯一的科学方法)探究的过程是问题引导的;即使科学家按照相同的步骤进行探究也未必会得到同样的结果;探究的步骤能够影响结果;研究的结论必须与收集的数据相一致;科学数据与科学证据不同;解释来自于收集的数据和已有的了解;探究与实验的关系。

 

  2.参与者

 

  参与者的选择采用典型取样的原则,中国教师集中在上海地区,美国教师集中在芝加哥地区,各选取初高中理科教师100名;该抽样过程考虑到的两个关键影响因素为城市和学校,选取过程兼顾方便性原则,取样城市和学校类型、年级等方面基本保持一致,抽样框具有可比性,比较过程具备有效性。

 

  (二)问卷的收集与评定

 

  问卷的收集和评定分别在中美两国进行,并由笔者亲自负责问卷和访谈数据的收集和评定,参与问卷翻译和评定工作的人员还包括美国的两位科学教育博士生KJ、中国的两位学科教育博士生TH、一位教育编辑S、两位中国的理科教师AZ

 

  1.问卷的翻译

 

  笔者首先将VOSI-S英文问卷进行翻译,并由另一位在美留学的中国博士J协助,笔者先将英文翻译成中文,J再将中文译成英文,然后两人对比,将翻译后的中文稿交给教育出版社的编辑S审阅,并请国内中学理科教师AZ阅读,以作相应调整,便于国内教师理解,尽量避免文化差异的影响。关于问卷的选择,是根据目前国际上使用比较广泛的开放式问卷,而这套问卷中所测查的科学探究的内容并不是包罗万象的,仅是在基础教育阶段达成共识的、比较重要的议题,对于教师和学生而言具有可操作性。

 

  2.问卷的收集

 

  开放式问卷及其访谈的施测流程主要包括:问卷的收集、质量和时间的控制以及问卷的审核和访谈。问卷采用纸笔现场作答和网络即时作答的方式收集,同时对每份问卷的有效性进行考察,对观点模糊的教师进行随后或追加访谈,采取网络在线、电话、面对面三种方式。由于问卷收集的纸笔和网络两种方式均有实名制和回答监督的质量控制以及时间要求,两种调研方式不存在本质差异。

 

  3.问卷的评定

 

  本研究对开放式问卷和访谈分别进行了定量和定性两种分析方法,定量评定采用等级编码的方法对开放式问卷进行了量化处理和分析,编码的方法借鉴了李德曼等人发展的VOSI-S问卷的评定议题和等级标准,问卷的每个议题都有相应的评定标准规定,对应着科学探究的不同议题,均分为四个等级,评定水平从低到高依次是模糊、简单、传统、深刻,对应的评定赋值为03。按照问卷的评定说明和标准以及访谈的结果,通过中美各三位评定人(笔者为评定人之一,还包括美方两位博士生KJ以及中方两位博士生TH)在评定等级上取得一致性,以此作为最后的评定结果。

 

  三、定量研究结果与分析

 

  本部分对中美教师的科学探究问卷进行了总体上的国别比较,具体研究了差异性议题的特征,并对中美理科教师的科学探究认识阶段进行了比较分析。

 

  (一)问卷调查的差异性分析

 

  利用成对样本T检验法比较分析中美理科教师在科学探究问卷的若干议题上是否存在显著性差异。由于问卷的议题对于中美教师而言是配对的,不能颠倒顺序来比较,所以采用配对样本T检验,表1是中美理科教师在科学探究问卷9个议题的综合得分统计,表中有中美教师各议题综合得分的平均数,中国教师在科学探究的9个议题的平均分均低于美国教师,除了S2(科学研究有多种方法)外,其余议题中美都存在显著性差异,其中S6(结论与数据收集一致)S7(数据与证据不同)S9(探究和实验的看法)差异较大,S7相差最大。中国教师普遍不了解什么是数据,什么是证据,不能区分探究与实验。经检验可知,中美教师的初高中阶段和教师性别不存在显著性差异。

 

中美教师科学探究问卷总体得分统计

编号

议题

中国平均分

美国平均分

T检验P

S1

始于问题

211

244

031

S2

多种方法

180

187

704

S3

探究过程问题引导

200

233

021

S4

同样过程不同结果

233

264

020

S5

探究过程影响结果

224

256

010

S6

结论与数据收集一致

200

256

000

S7

数据与证据不同

160

238

000

S8

解释来源数据和已知

204

229

026

S9

探究和实验的看法

153

211

000

中美理科教师科学探究9个议题的比较

 

  根据中美理科教师在问卷9个议题的总体平均值,作柱状图进行比较。从图1可见,中国教师有6个科学探究议题处于传统阶段,即平均分在225,分别是S1(始于问题)S3(探究过程问题引导)S4(同样过程不同结果)S5(探究过程影响结果)S6(结论与数据收集一致)S8(解释来源数据和已知)3个议题处于简单到传统的过渡阶段,即平均分在152,分别是S2(多种方法)S7(科学数据与证据不同)S9(探究和实验的看法),其中S7S9分值较低,刚过15,分别为16153。美国教师有3个科学探究议题的认识处于传统到深刻的过渡阶段,即平均分在253,刚过25,分别是S4(同样过程不同结果)S5(探究过程影响结果)S6(结论与数据收集一致);处于传统阶段的有5个议题,平均分在225,分别是S1(始于问题)S3(探究过程问题引导)S7(数据与证据不同)S8(解释来源数据和已知)S9(探究和实验的看法);还有1个议题处于简单到传统的过渡阶段,平均分152,即S2(多种方法)。由此可见,中国教师有6个议题处于传统阶段,3个议题处于简单阶段;美国教师有3个议题处于传统到深刻的过渡阶段,5个议题处于传统阶段,1个议题处于简单阶段。

 

  (二)科学探究无差异议题的分析

 

  中美教师没有显著性差异的第2个议题是科学探究有多种方法,由于该题在问卷中是直接呈现,因此,问卷结束后又对相关老师进行了访谈。该议题也在中美理科教师的得分中处于最低阶段,即简单到传统的过渡阶段。逐个统计教师的得分,发现中国教师在这一议题上处于简单和传统的占多数,深刻的只有简单和传统的一半,并且没有处于模糊阶段的教师,而美国教师几乎均匀分布于深刻、传统和简单这三种。通过追加访谈深入研究中美教师对科学方法的认识,访谈中让教师举出研究方法的例子,他们所举的例子有明显的不同,对科学方法的认识在属性和类别上存在差异。中国教师多种科学方法的举例中有两种典型回答:归纳和演绎;理论和实验或者推理和实验。中国教师的例子一般都是具体的科学方法,可操作性强,从“做”的角度考虑,他们对实验方法没有清晰的认识,一般不会区分实验和其他科学方法,比如有教师提到测量法(学科解题中用的具体方法)。国内教师对科学方法的认识泛化,没有深刻理解和区分实验与其他方法。美国教师多种科学方法的举例中也有两种典型的回答:观察和实验;描述和控制实验。美国教师比较关注实验方法的实质,比如控制变量,他们谈及实验离不开控制,多将其作为与其他科学方法的区别。美国教师对于实验的认识,不是从“做”的层面,而是从实验的实质入手。

 

  (三)科学探究的认识阶段

 

  为了解中国45位教师对科学探究的认识阶段,首先根据数据统计出每位教师的科学探究认识阶段(利用9个议题求和的平均值作为科学探究认识的等级),并按照升序排列,同样美国45位教师的科学探究等级也从低到高排列,然后做图进行比较,图2标明了每位教师科学探究的认识阶段,并做出中美教师科学探究等级的趋势线。中国45位理科教师对科学探究的认识水平有超过三分之一(35%)处于传统阶段(12)以下,而60%虽然处于传统和深刻之间,却都在中等偏下部分,即初级阶段(225)。美国理科教师的科学探究认识水平有近五分之一(18%)处于传统以下,而在传统和深刻之间处于高级阶段(253)的有近一半(47%)教师。由此可见,参与调查的中国教师的科学探究认识水平大都处于简单到传统和传统到深刻的初级阶段,即处于传统阶段;而美国教师有一半处于传统到深刻的高级阶段,总体水平处于传统之上,即传统到深刻的过渡阶段。

 

中美理科教师科学探究的认识阶段分布

 

  四、定性研究结果与分析

 

  本研究聚焦于教师对科学探究的认识这一核心问题,通过开放式问卷及随后访谈来收集数据,采用斯特劳斯和科宾的三级编码方法进行开放式编码、轴式编码和选择性编码。鉴于本课题的研究特征,通过混合研究设计,运用定性和定量的分析方法,得出研究结论,并未将研究结果上升为概括性的理论。将每种认识类型的教师人数进行统计,作图比较中美教师的情况。横坐标分别表示科学探究的类型,纵坐标表示教师的数目。将中美教师科学探究认识类型的差异性从大到小依次排列,定型步骤类的中国教师远高于美国,情境建构类的美国教师远高于中国;学科知识类的中国教师明显高于美国,探究技能类的美国教师明显高于中国;学科思想类的中国教师高于美国,认知能力类的美国教师高于中国。中国教师科学探究的认识类型人数从高到低依次是定型步骤、学科知识、认知能力、学科思想、情境建构和探究技能;美国教师人数从高到低依次是情境建构、认知能力、探究技能、定型步骤、学科思想和学科知识。

 

中美理科教师对科学探究的认识类型比较

 

  五、本研究的启示

 

  科学探究是国际科学教育领域永恒的话题,它是科学素养理念的核心部分,中美理科教师对科学探究的认识存在很大的差异,当我们试图使用科学探究来进行对话的时候,不仅是空间的远隔重洋,意义认识已是此探究非彼探究,本研究对教师知识和信念以及我国理科教师的探究教学培训具有一定的启示作用。

 

  (一)学科内容知识和科学探究

 

  通过以上实证研究可知,中美理科教师对科学探究的认识存在很大的差异,总体来看,中国教师对科学探究的认识水平都低于美国。与美国教师相比,中国理科教师在科学探究基本原理和学科探究信念方面存在一定的缺失。施瓦布对教师的“实践性知识”进行过研究,并提出了学科内容知识的实质结构和句法结构两个方面;“句法结构”这一概念包括了科学探究。[8] 综合相关学者的研究,教师的学科内容知识基本可以分为学科的概念性知识、学科的本质、学科知识结构和学科的信念,科学探究与学科内容知识关系密切,综合国外学者的观点和本章研究的结果,教师对科学探究的认识涉及到对科学探究的基本原理和学科信念的认识,科学探究的基本原理和学科的信念都属于学科内容知识的范畴。并且教师对科学本质的认识、学科内容知识、教育目标和评价、价值观和社会文化等影响他们对科学探究的认识,反之亦然,而教师对学科内容知识的认识又会影响他们的探究教学知识和教学实践。

 

  (二)对我国理科教师培训的初步启示

 

  1.科学探究内容知识培训的两种方式

 

  我国在职教师需要掌握必要的科学探究内容知识和教学知识,培训方式主要有两种,一种以科学探究陈述性知识的显化教学为基础,对程序性的过程技能知识采取做中学的内隐教学,使教师在具体活动中进行体验和反思,并回忆和再现陈述性知识;第二种以内隐方式为主,通过“做探究”的方式,使教师在具体活动中体验科学探究的程序性知识,并通过活动后的反思过程来学习陈述性知识。但是教师探究过程技能的提高并不一定能引起科学探究认识的深刻性,教师的“做探究”和“认识探究”是不同的。因此,这两种方式的培训中都需要引导教师对探究的过程技能及其基本原理进行反思,可采取培训者与教师互动的演示或者教师的自我探究活动方式的过程中来进行探究内容知识的反思和叙述性探究。

 

  2.探究教学薄弱环节的培训

 

  中美理科教师在科学探究的认识阶段、特征、类型等方面存在差异,我们可以适时以科学知识为背景进行探究教学的培训,注重澄清国内教师的迷思性认识,比如区别实验与探究、探究的多种方式等,并针对科学探究具体议题的低水平认识,进行相应的陈述性知识学习,对于我国教师欠缺的探究过程技能,需要在实践活动中,加强对过程知识的认识和不断反思。可以适当增加当代科学本质内涵的学习,通过科学史的外显方式或科学活动的内隐方式,引导和改善教师对科学探究的认识。培训中需要以“做探究”的实践和反思为主的方式展开,使他们在活动中进行情境建构,亲历体验与自我叙述,内化科学探究和探究教学的深层次认识,并通过不断的微格教学实践来促进课堂中的探究教学。

 

  参考文献:

 

  [1] 徐学福. 美国探究教学研究30[J].全球教育展望, 2001, 857-63

 

  [2] 李雁冰. 科学探究、科学素养与科学教育[J]. 全球教育展望, 2008, 3712) 14-18

 

  [3][5]Flick, L, & Lederman, NG. (2004)Scientific inquiry and nature of science Implications for teaching, learning, and teacher education The Netherlands Kluwer Academic Publishers

 

  [4] National Research Council 1996) National Science Education Standards Washington, DC National Academy Press

 

  [6] Strauss, A and Corbin, J. (1990) Basics of qualitative research Grounded theory procedures and techniques Sage Publications

 

  [7] Lederman, NG2006) Syntax of nature of science within inquiry and science instruction In LB Flick, & NGLederman Eds), Scientific Inquiry and Nature of Science, pp 301-317)Bordrecht Kluwer Academic Publishers

 

  [8] Lederman, NG.(2007) Nature of science Past, present, and future In Abell, SK & Lederman, NG. (Eds), Handbook of research on science education pp 831-880) Mahwah, New Jersey Lawrence Erlbaum Associates

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