科學推理能力在物理問題表征過程中的作用

陳敏麗 熊建文 肖 洋

（華南師范大學 廣東 廣州 510006）

1 引言

我國2006年版的《普通高中物理課程標準（實驗）》和2011年修訂的《義務教育物理課程標準》，在“課程目標”、“內容標準”和“實施建議”中明確提出了要以培養學生的科學探究能力為宗旨，以“提高學生的科學素養”為核心目標，科學探究對學生科學素養的發展具有不可替代的作用.科學探究是指個體通過自主地調查和研究來認識和解釋自然的過程［1］.國內外科學教育研究者普遍認為科學探究沒有固定的形式，但是卻有一些可辨別的要素：提出問題、猜想與假設、設計實驗、進行實驗與收集數據、分析與驗證、得出結論、反思評價、拓展遷移加參考文獻，而科學推理能力則是整個過程中最核心的部分.

自20世紀60年代以來，皮亞杰基于認知發展理論提出的科學推理（Scientific Reasoning）就引起了國內外科學教育研究者的關注，并被認為是學生科學探究能力的重要組成部分.研究者們認為：科學推理（Scientific Reasoning）是個體思維能力發展到一定高度之后具有的推理類型；在個體進行科學推理時一般采用的推理類型是歸納推理和演繹推理；個體應用科學推理進行假設檢驗或問題解決.同時科學推理能力的測試可以從7個維度進行：守恒推理能力、比例推理能力、控制變量推理能力、概率思維能力、相關性思維能力以及假設演繹推理能力.Lawson等 人 研 究 開 發 出 的 《Lawson′s Classroom Test of Scientific Reasoning》［2］即 LCTSR 測試量表已被廣泛用于對科學推理能力的調查研究當中［3］.

基于以上分析，我們發現，研究者們普遍認為“個體應用科學推理進行假設檢驗或問題解決”，即科學推理與問題解決有著一定的聯系.但文獻［4］的研究卻表明學生的物理知識與科學推理能力的相關性不大，文獻［5］的研究也發現科學推理能力與物理問題解決能力不相關.但他們的研究中對學生物理問題解決能力評價均以最終的總成績來衡量，缺乏對物理問題解決過程的動態關注，也缺乏對科學推理的各個維度與物理問題解決過程的深入分析.

問題解決是一個動態的過程，文獻［6］認為問題表征（Problem Representation）是問題解決的一個中心環節，問題表征的正確與否，很大程度上影響了問題解決的結果.也就是說，問題能否順利解決，問題表征起著關鍵作用.McDermott和Larkin認為物理問題解決通常經歷4個表征步驟：文字表征、樸素表征、科學理論表征、數學表征.文獻［7］對物理問題表征各個環節作出了詳細的說明：文字表征僅僅是問題的文字理解；樸素表征是物理情境的草圖，它使問題更顯而易見，更可視化；科學理論表征包括所有能被用來解決問題的、反映物理實質過程的量，如力和動量，但不包括現實生活中的實際物體，如物塊和繩子，在力學問題上，科學理論表征常常體現為物體受力分析的圖式構建；數學表征則是一系列的公式，它在科學理論表征的基礎上建立出來，并且可直接被用以問題答案的求解.文獻［8］進而對各表征層次有以下界定：文字表征所占時間，開始讀題至讀畢；樸素表征所占時間，開始畫圖到畫圖畢或讀題畢；物理表征所占時間，第一次物理詞匯出現至不再有新的物理概念或原理出現前；數學表征所占時間，第一個數學公式出現時刻至數學推導完畢.

因此，我們希望借鑒文獻［8］的物理問題解決的表征體系，研究科學推理能力與物理問題解決動態表征過程的關系.

2 研究方法

2.1 實驗材料

實驗材料包括《Lawson′s Classroom Test of Scientific Reasoning》和自編的《高一學生物理問題表征能力測試量表》.

《Lawson′s Classroom Test of Scientific Reasoning》由多位相關專業的研究生翻譯，經歷多次校對與修改，在維持題目測量目的不變的條件下，以確保能讓中國學生流暢閱讀.

《高一學生物理問題表征能力測試量表》則是在《普通高中物理課程標準》的要求下根據相關物理教材，在重點中學物理教師的幫助下，確定了測試的知識內容，其中涵蓋直線運動、平衡問題、牛頓運動定律、平拋運動、圓周運動等內容.針對每個知識點選取3～4道問題，通過對112位高一學生的預測，篩選出區分度大、難度中等的問題.在確定題目之后，結合文獻［7］和文獻［8］對物理問題各表征層次的界定，設置問題的結構.各表征層次并不相互獨立，在設計問卷的過程中應考慮到各表征層次的交疊.

各層次計分編碼如下：文字表征層次的得分P1即 “關鍵詞”一項的得分；樸素表征層次的得分P2即 “畫草圖”一項的得分；科學表征層次的得分P3即 “畫草圖”和“確定思路”兩項的得分；數學表征層次的得分P4即“確定思路”和“求出最后答案”兩項的得分.

2.2 程序

在廣州市某中學根據學生平時成績，通過分層抽樣的方式選取被試共72人，學優生、中等生和學困生各24人.

通過問卷調查法，以 《Lawson′s Classroom Test of Scientific Reasoning》和《高一學生物理問題表征能力測試量表》作為測量工具，對被試集中進行獨立測試.測試不限制時間，直到學生完成為止.

利用Spss19軟件對數據進行處理.

3 結果

被試學生有72位，所得測試結果為72份，剔除無效問卷15份，最終所得的有效結果為57份.

《LCTSR測試量表》中各個科學推理能力的維度所對應的題目及被試各個維度得分統計如表1所示.

表1 LCTSR測試7個維度統計結果

被試各個維度能力發展不平衡，質量和體積守恒概念能力（L1）的平均得分率非常高，為97.00%，概率思維能力（L5）平均得分率為87.25%，比例推理能力（L2）和變量控制能力（L3）的平均得分率也較高，分別是81.25% 和79%，假設演繹推理能力（L7）的得分率為69.75%，高級變量控制能力（L4）和相關性思維能力（L6）的得分率比較低，分別是58.00% 和54.50%.

《高一學生物理問題表征能力測試量表》測試統計結果如表2所示.

被測的物理問題表征能力測試結果數據的峰度系數（－0.685）與其標準誤差（0.623）的比值，偏度系數（0.622）與其標準誤差（0.316）的比值都小于2，可近似認為該變量符合正態分布.表中的得分率和標準偏差也顯示，問卷的難度中等、區分度大.

被試的科學推理能力與物理問題表征能力的相關性分析結果如表3所示.

表2 物理問題表征能力測試統計結果

表3 物理問題解決與科學推理描述性統計與相關性分析

數據處理結果顯示，科學推理能力測試總成績與物理問題表征能力測試總成績的相關系數∣r∣＝0.189，p＞0.05.雖然相關性達到了顯著性水平，但是相關系數非常小，所以，我們可以認為科學推理能力與物理問題表征能力整體呈現不相關關系，這與以往國內外的研究結果一致.

高級變量控制能力（L4）與物理問題整體表征能力以及各表征層次能力的相關性均顯著，p＜0.05.相關性思維能力（L6）與物理問題整體表征能力以及各表征層次能力的相關性均顯著，p＜0.01.假設演繹推理能力（L7）雖然與物理問題整體表征能力和大部分問題表征過程不相關，但與文字表征能力（P1）之間顯著相關，p＜0.05.

3.1 高級變量控制能力與物理問題表征能力的統計分析

以上是對科學推理能力與物理問題表征能力的相關性分析，下面我們著重探討不同科學推理能力對物理問題整體表征能力及各層次表征能力的影響.

首先以物理問題整體表征得分（P）、文字表征（P1）、樸素表征（P2）、科學表征（P3）和數學表征（P4）為因變量，高級變量控制能力（L4）為自變量進行多因素方差分析.結果顯示，不同高級變量控制能力（L4）下物理問題整體表征得分（P）存在顯著差異，F（4，52）＝2.913，p＝0.030.從物理問題表征各個層次來看，不同高級變量控制能力的被試，他們的樸素表征（P2）、科學表征（P3）和數學表征（P4）3個表征層次的能力都存在顯著差異，［F（4，52）＝2.970，p＝0.028］，［F（4，52）＝ 3.298，p＝ 0.018］，［F（4，52）＝3.182，p＝0.021］，而文字表征層次（P1）沒有存在顯著差異［F（4，52）＝1.861，p＝0.131］.

3.2 相關性思維能力與物理問題表征的統計分析

以物理問題整體表征得分（P）、文字表征（P1）、樸素表征（P2）、科學表征（P3）和數學表征（P4）為因變量，相關性思維能力（L6）為自變量進行多因素方差分析.結果顯示，不同相關性思維能力下物理問題 整體表征能力（P）存在極顯著差異，F（2，54）＝8.888，p＝0.000，而不只是相關的關系.將物理問題表征分層次來看，不同相關性思維能力（L6）的被試，他們的文字表征（P1）、樸素表征（P2）、科學表征（P3）和數學表征（P4）4個表征層次的能力均存在極顯著差異，［F（2，54）＝7.258，p＝0.002］，［F（2，54）＝10.014，p＝0.000］，［F（2，54）＝9.271，p＝0.000］，［F（2，54）＝7.485，p＝0.001］.

4 討論與建議

與以往的研究結果一致，本文發現科學推理能力與物理問題表征能力整體不相關.但是深入分析發現，科學推理能力中的高級變量控制能力和相關性思維能力兩個維度與物理問題表征的各個層次不僅僅是相關的關系，因為不同高級變量控制能力和相關性思維能力的被試在各個表征層次都存在顯著差異.我們認為，在問題解決的過程中學生有時需要應用控制變量法，通過人為地控制一些影響事件變化的條件，使得其中一些變量或因素不發生變化或依照需要發生變化從而可以更好地找到事物變化的規律，更好地解決問題.變量控制能力最重要的是掌握控制變量法并且應用它來解決多個變量之間的關系和問題［9］.而相關性思維是一種非常重要的科學思維方式，事物的因果關系總是源自于他們的相關關系［10］.已有研究也表明，相關性思維能力有利于學生對函數和自變量之間關系的建立，對于學生學習自然科學非常關鍵［11］，并且多數物理量之間也都存在著函數關系.可能是由于這種原因，學生的高級變量控制能力和相關性思維能力對物理問題表征過程存在影響.

相比物理問題解決過程中的樸素表征、科學表征和數學表征3個層次，人們可能認為文字表征層次的能力與科學推理能力關系不大.在物理問題表征過程中，文字表征要求個體掌握與描述事件相關的知識和語詞，主要與問題解決者對問題本身的文字描述有關.三段論中的氣氛效應理論中提到，前提的性質和量詞會在推理者心目中形成一定的氛圍［12］；三段論中的心理模型理論也提到推理者在推理的時候首先會構成一個由前提中所描述事件的知覺或表象的心理模型［13］.所以，文字表征能力必然對科學推理過程有影響.而基于本論文的研究，學生的某些科學推理能力的維度（相關性思維能力）也顯著影響其文字表征能力.

教師們應該堅持提高學生科學探究能力的理念，因為提高學生在科學探究過程中的科學推理能力非常重要.科學探究過程是基于對整個自然界和人類社會的好奇，可以給予人類無限的活力，并時時刻刻改變著我們的世界，讓我們得到更多的知識.結合相關的研究和本論文的研究可以看到，雖然從整體上看來科學推理能力對物理問題整體解決能力似乎沒有什么關系，但是關注物理問題解決的動態過程的時候發現，學生在某些維度的科學推理能力對其物理問題解決能力還是有作用的.在培養學生科學推理能力的過程中，高級變量控制能力和相關性思維能力兩個維度必須引起重視，因為這兩方面的能力對學生解決物理問題過程中通過觀察、實驗、閱讀等收集證據之后結合已有知識體系而發現新信息、合成新知識可能有非常重要的作用.

另外，本研究顯示科學推理能力中只有高級變量控制能力和相關性思維能力這兩個維度會對物理問題的解決過程產生作用，從LCTSR測試7個維度的統計結果發現這兩個維度試題的得分率分別為58.00% 和54.50%.高級變量控制能力（L4）滿分為4分，標準差（SD）為1.167；相關性思維能力（L6）滿分為2分，標準差（SD）為0.931.得分率適中，標準差較大顯示這兩個維度的試題對該測試群體而言難度中等，區分度較大.雖然《Lawson′s Classroom Test of Scientific Reasoning》在國外適合于用來測試科學推理能力，但是細讀時卻發現該量表的許多題目對于長期接受解題訓練的中國學生來說難度過小.從表1可以看到許多維度的得分率過高，標準差較小，即難度低，區分度不大.所以運用該量表進行科學推理能力的測試時需要進行改編，而科學推理的其他維度是否真的對物理問題解決能力沒有作用仍是一個需要深入研究的問題.對于文獻［4］研究得出的學生的物理知識與科學推理能力的相關性不大的結論，以及文獻［5］研究發現的科學推理能力與物理問題解決能力不相關的結果也值得進一步研究.

5 結論

科學推理能力與物理問題表征能力整體不相關，但科學推理能力的高級變量控制能力和相關性思維能力對物理問題表征過程存在顯著影響.

1 陳琴，龐麗娟.科學探究：本質、特征與過程的思考.教育科學，2005（2）

2 Lawson A E.Classroom test of scientific reasoning.Arizona State University，2000

3 嚴文法，胡衛平.國外青少年科學推理能力研究綜述.外國中小學教育，2009（5）：23～28

4 Bao L，Cai T，Koenig K，et al.Learning and scientific reasoning.Science，2009，323（5914）：586～587

5 艾彤，邢紅軍.科學推理能力與物理問題解決能力的對比研究：［學位論文］.北京：首都師范大學，2013

6 Newell A，Simon H A.Human problem solving.Englewood Cliffs，NJ：Prentice－Hall，1972

7 Larkin J.Cognition of learning physics.American Journal of Physics，1981，49（6）：534～541

8 廖伯琴，黃希庭.口語報告法比較研究物理問題解決中不同數理基礎被試表征體系的動態差異.心理發展與教育，1999（4）：31～34

9 皮亞杰.皮亞杰發生認識論文選.上海：華東師范大學出版社，1991.4

10 陳健.科學劃界的多元標準 .自然辯證法通訊，1996，18（3）：8～15，37

11 AdiH， KarplusR，Lawson A E.Development of Correlational Reasoning in Secondary Schools： Do Biology Courses Make a Difference？ The American Biology Teaeher.1979，41（7）：420～425

12 Woodworth，R.S.＆Sells，S.B.（1935）.An Atomosphere Effect in Form Syllogistic Reasoning， Journal of ExperimentaL Psychology，18，451～460

13 畢鴻燕，方格.演繹推理的心理模型理論及相關研究.心理科學，2001，24（5）：595～596