初中生科学探究能力的调查研究
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一、问题提出
在经合组织（OECD）组织进行的2009年国际学生评估项目（PISA）测试中，上海中学生在阅读、数学和科学素养三方面均排名全球第一。这个测试结果让不少人士感到欢欣鼓舞，使备受诟病的我国基础教育有了信心和更多期待。但也有研究者认为PISA测试的还是知识，这本来就是我国学生的强项，这个测试结果不足为奇，不能由此遮蔽我国基础教育的弊端，尤其是探究能力、创新能力的不足。探究能力是我国基础教育改革的重要目标，然而至今我们还没有看到系统的测试报告，我国一般是在学科考试中设置几道探究试题，这种小题量显然很难有效反映学生的探究能力。为便于国际比较，本研究将用一套国际著名的探究能力测试题进行测试，以了解我国初中生的科学探究能力现状及其影响因素，并为改善探究教学提供科学依据。
二、研究方法
1.测试对象
在广西14个地级市中，把每市的城市、乡镇初中学校按照重点、一般和薄弱进行分类，每类学校随机抽出1所学校，再从每所学校随机抽出50名九年级学生，共4200名。城乡学生各2100名，男女生各2187名、2013名。
2.数据收集和处理
探究能力采用美国的Burns等人开发的探究测试题进行测试，共36道选择题，分别测试定义变量、识别变量、猜想假设、探究设计和分析数据等探究能力，信度为0.86，区分度为0.55。科学兴趣、探究程度调查采用自编问卷进行调查，共15道选择题、3道开放题，信度为0.76。地理、生物、化学和物理成绩采用各学期期考成绩的平均分。使用SPSS18.0工具对数据进行处理，计算均分差异显著性和相关系数。
三、结果和讨论
1.初中生探究能力的表现水平
从表1看到，本次测试平均得分率是56.5%；而上世纪80年代伯恩斯等人对美国九年级学生进行测试，平均得分率54.2%[1]；早几年又有研究者用这套试题对美国九年级学生进行测试，平均得分率55.6%[2]。这次测试结果表明受测试的初中生探究能力并不逊色，虽然我国提倡探究教学不过十年光景，但毕竟有后发优势，有很多经验可资借鉴，在培养学生探究能力方面已见成效。
下面再逐一分析学生在各个探究要素上的表现水平。
定义变量即把需要操纵的自变量、观测的因变量具体化，使之具有可操作性。例子：一组学生在研究轮子的宽度对滚动难易程度的影响，他们首先把宽轮子和窄轮子安装在两辆相同的小车子上，分别让它们从斜面滚下，并在水平面继续运动。那么，为了比较轮子滚动难易程度，学生们会测量什么呢？A测量两辆小车的运动距离；B测量斜面的倾斜程度；C测量两种轮子的宽度；D测量两辆小车的重力。这道题要求把因变量“轮子滚动难易程度”具体化，正确答案为A，得分率为55.3%。定义变量共9道题，平均得分率54.5%，这个结果说明学生的实践意识和能力较差，或把抽象概念转化为具体概念的能力较差，这与学生探究经历不足有关。
识别变量即找出自变量、控制变量和因变量。例子：小华很想知道地球和海洋是不是被太阳同等地加热，于是她用两个相同的桶分别装上相同体积的土壤和水，然后让它们接收同样多的太阳光照射。从上午8点到下午6点，小华每隔一小时就测一次土壤和水的温度。该研究的自变量是什么？A放在桶里的水的种类；B水和土壤的温度；C放在桶里的材料的种类；D每个桶在太阳中照射的时间。这道题答案为A，得分率22.3%。识别变量共9道题，平均得分率23.6%，得分率之低也许令人惊讶，但在笔者的意料之中，因为国内现行各个版本的初中理科教材无一出现自变量、因变量和控制变量这些概念，而大部分教师担心增加学生负担，也没有在教学中涉及这些概念，以致大部分学生答题时凭猜测来揣摩这些概念的意思，接近1/4的得分率也恰好符合猜测规律。
猜想假设即运用知识和经验对问题进行试探性解释或解决。例子：小刚在研究豆类植物的食物含量，他测量了淀粉含量，以此当作豆类植物中的食物含量；他还能改变植物所接收的光量、二氧化碳量和水量。那么，在这个研究中，小刚要检验的假设是什么呢？A豆类植物得到的二氧化碳越多，它产生的淀粉就越多；B豆类植物产生的淀粉越多，它需要的光量就越多；C豆类植物得到的水越多，它需要的二氧化碳就越多；D豆类植物得到的光量越多，它产生的二氧化碳就越多。这道题答案为A，得分率52.3%，答错者多数选了B，因为B是对一些豆类植物成立的书本知识，这些答错者就把书本知识当作正确的猜想假设，以为猜想假设总应该与知识吻合，但本题考查的并非知识，而是能否把欲探究的因果关系找出来，错选B表明潜在的“唯师唯上唯书”思想在作祟，还未建立开放的探究意识，未能区分探究和知识的关系。猜想假设共9道题，平均得分率63.7%，丢分的原因基本与以上类似。
探究设计即从操作角度把猜想假设具体化、程序化。例子：小明认为篮球内的气压越高，它的弹跳就会越高。为了检验这个假设，他用几个篮球和一个能充气的气泵来进行探究。小明会怎样检验他的假设呢？A用不同的力把篮球从相同高度丢下；B让内气压不同的篮球从相同高度自由落下；C把内气压相同的篮球从不同角度丢下；D让内气压相同的篮球从不同高度自由落下。这道题答案为B，得分率为85.3%。探究设计共3道题，平均得分率83.4%。这3道题考查的都是能否运用控制变量法判断探究设计的合理性，说明学生对控制变量这个方法掌握较好。
分析数据即分析变量数据之间的关系，归纳出结论。例子：一个研究人员在研究植物生长需要多少水量时，给5块相同的小块土地施了不同的水量。两个月后，他测量了植物的高度，数据呈现在图中，从图中可看出植物生长与水量有什么关系？A增加水量会增加植物的高度；B增加植物的高度会增加水量；C减少水量会增加植物的高度；D降低植物的高度会减少水量。这道题答案为A，得分率为82.3%。分析数据共6道题，或者给出图形，要求判断变量之间的关系，或者给出两个变量的数据表，要求判断哪个图正确描绘变量之间的关系。这6道题的平均得分率85.2%，说明学生能较好地利用已有数据或图形进行推理分析、归纳出结论。
2.不同学生群体的探究能力差异
对于性别差异，表2表明男生总体稍强于女生，但差异不显著。在这方面，国内外不同研究者的结论差异较大，有的发现男生比女生强，有的发现男女生相当[2]。在本研究中男女生表现相当，是因为随着我国社会不断进步，教育条件不断得到改善，男女生有了同等教育机会，提高女生学习质量的研究和关照日趋加强，影响性别差异的一些因素逐步消失。但总体表现也许难以反映男女生的探究特点，深入到各探究要素会有助于了解男女生的不同探究特点。从表2看到，在定义变量方面男生更强些，因为男生更喜欢动手探究，有更丰富的探究经历，这些特点有助于男生把抽象变量转换为可操作的具体方法；而在探究设计方面女生更强些，这与男女生的平时探究表现很一致，男生胆子更大，好奇心和动手操作欲望更强，急于动手操作，往往在动手和尝试中调整设计；而女生胆子小些，在动手操作之前更谨慎、细心些，往往是先设计后动手，因此女生形成了良好的探究设计习惯和行为。至于在识别变量、猜想假设和分析数据方面，男女生稍有差异，但不显著。
对于城乡差异，表2表明城市学生总体强于乡镇学生，差异极其显著；在定义变量和探究设计方面，也是城市学生强于乡镇学生，差异显著。这些发现与一些国外研究发现不同，这显然是国情不同造成的。我国城乡教师素质、硬件配备等教育资源差异很大，乡镇学生很少经历完整探究过程，实验探究往往变成“理论探究”，即在嘴上讲探究，在黑板上画探究，在作业本上练探究。纸上谈兵对陈述性知识是奏效的，但对程序性知识却很难奏效，后者需要在具体情境中多次实践，才能内化为一般能力并迁移到复杂情境中去。在识别变量、分析数据方面，城市学生稍强于乡镇学生，但差异不显著，这是因为这两个要素的理论色彩更浓，需要运用逻辑推理分析，即使城市学生有更丰富的探究经历，其优势也无法体现。但是，在猜想假设方面，却是乡镇学生强于城市学生，差异显著，这是因为猜想假设既要用到学科知识也要用到生活经验，而本套试题所需的学科知识很浅显，城市学生的学科知识优势发挥不出来，但是在生活经验方面乡镇学生显然对大自然有更多的接触认识和经验，这些经验优势使其在猜想假设方面略胜一筹。
3.影响初中生探究能力的若干因素
对于探究要素、探究总体与各学科的相关系数，从低到高依次是地理、生物、化学和物理，但只有与物理的相关系数达到显著水平，这个结果与其他研究者的发现有异同之处。美国的Lawrenz等人认为，任何科学探究都会涉及一定的学科知识，能否完成每个探究步骤不仅取决于相关的学科知识和技能，还取决于先前步骤的完成质量，因此探究能力与学科知识有关系[2]。但是，以色列Tamir等人认为，虽然科学探究或多或少会涉及学科知识，但它毕竟与学科知识不同，它是一种类似于想象能力、推理能力的独特认知能力[3]。那么，在测试探究能力时，如何把嵌入的学科知识分离或剔除呢？Burns的做法是把所需的学科知识难度降到最低程度，使几乎所有学生都具备这些知识，这样测试结果即能代表探究能力水平。本套试题涉及到了地理、生物、化学和物理学科，测试结果与物理的相关系数最高，进一步证实了探究能力是一种独特的高水平认知能力，因为这些学科的知识容量、知识难度和科学探究不一样，相对而言物理知识容量最多、难度最大、探究时间和机会最多，即需要更高的认知水平。
测试结果与科学兴趣、课内探究程度和课外探究程度等因素极其显著相关，这些因素比学科知识更影响探究能力。表明学生对科学具有兴趣，其投入科学和探究的精力会更多、牵涉的认知水平会更高；也表明不管是课内还是课外，只要增加探究活动程度，会显著提高学生的科学探究能力。值得注意的是，测试结果与课外探究程度的相关系数最高。毫无疑问，提高课内探究程度使学生有更多的探究机会，同时能得到教师的更多指导，但课内探究毕竟是自上而下的外在要求，并非完全是学生的内在需求。而课外探究不同，主要是发自内在兴趣，兴趣驱使学生把探究迁移到课外，这些兴趣和活动是提高探究能力的可持续原动力。
尽管测试范围仅为广西，但也能窥斑见豹，可以得出初步结论：在可比范围内我国初中生探究能力总体并不逊色于美国初中生，但总体仍属于一般，而且各要素水平不平衡，在与实践相关较大的定义变量和识别变量方面较差，在与逻辑推理相关较大的猜想假设、探究设计和分析数据方面较强；男女生总体相当，但男生在与实践相关较大的定义变量方面较强，女生在需要耐心细致的探究设计方面较强；城市学生总体强于乡镇学生，城市学生主要在需要丰富探究经历的定义变量和探究设计方面较强，乡镇学生主要在需要生活经验的猜想假设方面较强；科学探究能力与地理、生物和化学知识基本不相关，但与需要较高认知水平的物理知识相关，尤其与科学兴趣、课内探究程度和课外探究程度相关。
参考文献
[1] Burns J C，Okey J R，Wise K C.Development of An Integrated Process Skill Test：TIPS II.Journal of Research in Science Teaching，1985，22（2）.
[2] Lawrenz F，Huffman D，Welch W. The Science Achievement of Various Subgroups on Alternative Assessment Formats. Science Education，2001，85（3）.
[3] Tamir P，Doran R L，Kojima S，et al. Procedures Used in Practical Skills Testing in Science. Studies in Educational Evuluation，1992，19（3）.