科学高阶思维学习进阶测评模型的开发研究_首新.pdf

年 月第 卷 第 期湖南师范大学教育科学学报 ，：科学高阶思维学习进阶测评模型的开发研究首 新，万东升，李 健，蔡其勇（西南大学 教育学部，重庆；苏州大学 教育学院，江苏 苏州；重庆高新区教育事务中心，重庆；重庆市教育科学研究院，重庆）摘 要：基于学习进阶的测评模型能客观地揭示概念、思维等的发展规律，该研究结合建立学习进阶测评模型的过程，从科学高阶思维学习进阶的理论假设、试题水平的表征、赋分标准的修订、题目质量的分析、科学高阶思维学习进阶的验证等过程确定了科学高阶思维学习进阶水平。研究结果表明，科学高阶思维学习进阶测评模型稳定性良好，其进阶路径为完善科学课程设计、刻画思维发展提供了参考证据，并为规划自适应学习路程提供了新视角。关键词：科学高阶思维；科学思维；学习进阶；教育测评；模型中图分类号：文献标识码：文章编号：（）一、引 言 世纪 年代以来，科学教育过分强调概念理解，概念转变过程引发了教育决策者、科学教育研究者的不满，这源于概念转变的教学不易让学生形成有机的学科知识体系，学生有可能受其他信息的影响而导致概念应用或转变形式发生错误。因此，世纪以来的科学教育改革增大了科学概念的空间域，延伸了科学概念的时间线，逐渐向跨学科核心概念、共通概念、概念进阶等方向发展。由此，科学教学作为前后一贯的统一体以统整的、发展的、进阶的视野置于 教育阶段，科学教育体系更加趋于连贯。而要做到这一点，科学概念进阶研究是当务之急，因为了解概念的进阶便于形成前后连贯的知识结构，促进学生对知识的深入理解和对现象的合理解释，以及更好地迁移和运用知识。概念的进阶成为描述学生学习进阶的突破口。有学者认为，学习进阶就是学生概念学习中一系列渐趋复杂的思维路径，是学生通过经历一定的学习过程而发展起来的围绕某一科学主题核心观念的概念序列，是描述学生在某一概念上达到更深入理解的潜在发展路径。基于概念描述学生的学习进阶成为一种可操作的研究范式，已然非常成熟，而依托概念来探讨思维的进阶成为新的研究趋势。美国国 家 研 究 理 事 会（，）在 世纪初就已明确指出，学习进阶是“对学生在一段时间内关于某一主题连续发展、逐渐复杂思维的描述”。随着学习进阶研究的深入，探讨“思维的发展历程”逐渐从“建构某一科学概念进阶”的研究中脱离出来，开始借助概念进阶研究范式相关研究探讨教学指导一段时间内思维发展的进步性过程。科学思维进阶研究有助于从本质上解释学生的科学学习行为表现，在此背景下，探讨学生的科学高阶思维进阶路径具有重要的现实意义。二、文献回顾目前，学习进阶研究已由“描述概念逐级深入”向“刻画思维进阶层级”转变，思维进阶的研究依赖收稿日期：基金项目：国家社科基金教育学一般项目“儒家文化背景下中小学生科学素养培养模式构建及其实证研究”；重庆市教委科学技术研究项目“基于交互式协作图示的科学论证提升机制研究”作者简介：首 新，西南大学教育学部博士后，重庆师范大学科技教育与传播研究中心副教授；万东升，苏州大学教育学院教授。概念并逐渐脱离概念展现一段时间内学生思维发展图景。具体而言，主要包括三种研究范式。第一种是与科学内容相结合分析科学高阶思维的进阶路径，即显示科学高阶思维的领域特殊性。如霍瓦尔达斯（）通过捕捉学生透露的有关捕食者与猎物之间的非线性关系，构建了从线性到非线性推理水平，最高水平的非线性推理是系统思维，认为整个生态系统会由于捕猎者的加入面临彻底破坏，这与霍凯姆（）和特瓦尔斯（）所建立的系统推理能力层级相似。其他一些研究，如热化学中的推理进阶、天文运动中的空间思维进阶等，都关注具体主题内容领域的思维发展路径。第二种是脱离科学概念，从科学高阶思维本身建立层级结构。此时研究者已较少关注概念本身，而依托学生在概念学习中的表现展现高阶思维进阶水平。如皮尔森（）等人从认知目标、概念表征等方面考察了科学模型的学习进阶路径；法维耶（）和谢伊（）梳理了地理结构中的关系思维（），高低水平的进阶图对比显示，低关系思维的学生主要用线性因果关系推理，而高水平的学生则建立了非线性的或面板式的因果关系思维。第三种是从日常生活情境中建立科学高阶思维进阶水平。此时的科学高阶思维与日常问题解决联系紧密。如比阿特丽斯（）根据学生识别和提取信息的质量构建了日常生活问题决策能力的进阶水平，在高水平时，逐渐需要其他高阶思维（如批判性思维）参与科学决策；姚建新和郭玉英也从日常生活情境中的科学背景入手构建了科学解释能力的层级结构，从水平 到水平，科学解释的能力不断提高，进而其他高阶思维能力也参与其中。从科学教学的角度来看，科学高阶思维的形成与科学探究密不可分，不管是问题式的、项目式的，还是基于设计的科学活动，科学探究总是以一条无形的线引导学习过程。佐汉（）和多利（）认为科学探究取向的高阶思维包括研究问题、制定实验计划、控制变量、推论、树立和辩护论点、识别隐藏的假设、确定可靠的信息来源等过程。美国国家科学教师协会（）指出，科学高阶思维是指科学地使用审辩式方法积极参与有效科学探究而表现出的科学素养（能力）和品质。何为科学高阶思维仍无定论，但从 世纪 年代开始，各国科学课程标准都强调科学高阶思维的培养，并作为课程目标进行了论述，如美国下一代科学教育标准（）吸收科学思维进阶的研究成果，指出培养的思维包括批判性思维（）、计算思维（）、比例推理（）、定性和定量思维（）等 种。然而，由于科学高阶思维的复杂性，为科学高阶思维而教的科学探究教学还处于探索阶段，存在目标落实不到位、教学经验缺乏、课程标准支撑薄弱等问题。研究者们也多从单一视角进行科学高阶思维的研究，将其看成一个独立的系统进行整合性的测评研究较少，因而其进阶路径也不清楚，不能有效地指导“发展科学高阶思维”的科学教学。本研究拟借助学习进阶测评模型，将科学高阶思维看成有边界的系统，进行科学高阶思维学习进阶实证研究，以说明学生科学高阶思维的潜在发展路径。三、基于学习进阶的测评模型 建立学习进阶的过程梳理研究者们对学习进阶的研究过程，可概括为三个步骤。第一，建立学习进阶假设。涉及的要素包括学习目标（）、进阶变量（）、成就水平（）。学习目标是展现一段时间后对进阶终点学生表现的描述。确定学习目标往往要综合考虑社会对教育的期望以及与下一阶段教育的衔接，主要有两种方法：一是验证性方法，从课程标准或考试大纲出发制定进阶终点；二是演进性方法，基于认知心理学对学生思维发展、概念理解的研究结果建立可达到的假设终点。进阶变量可以是概念的理解程度，也可以是能力发展水平，是研究者根据研究目的所确定的研究主体，研究者正是通过追踪变量发展来衡量学习进阶路径。成就水平是将学习目标以进阶的形式分解成多个中间层级，这些层级要反映学生在不同阶段对概念的理解程度或者能力发展过程。最终，不同阶段的成就水平逐级向学习目标逼近。第二，将假设的学习进阶操作化。常用的方法是编制适应不同成就水平的测试题，或进行课堂观察，精准锚定学习进阶过程。涉及的要素包括学习表现（），指学生完成相应测试任务或学习任务时的表现，通过学生的行为表现能够判定测试题的精准性，进而修订测试题。第三，基于测试工具或观察指标施测于目标群体，用测评模型分析结果，一方面诊断学生行为表现与学习进阶假设的差异，进行学习进阶验证或修改；科学高阶思维学习进阶测评模型的开发研究另一方面也可以评估学生对某一核心概念的掌握情况、能力发展水平或知识现状。涉及的要素包括测评工具（），利用测评工具，可以拟合学生表现与成就水平之间的对应关系，实现利用实证数据验证学习进阶。测评学习进阶的题型测评学习进阶的试题形式主要有选择题、构造题、顺序多项选择题。选择题操作简单，但限制了学生想法的新颖性和独创性，不适用于评估高层次思维，早期科学概念进阶研究多采用这种题型。目前，选择题主要有两种设计方式：一是正确选项代表某一个进阶水平，答错则代表被试不具备该水平的能力；二是不同选项代表不同进阶水平，被试的选择则代表了相应水平的能力。构造题弥补了选择题的猜测效应，增加了对选项的“解释”过程，能较好地测评学生综合运用知识解决问题、基于证据进行论证的能力，适用于高层次思维的测评。构造题一般包括两部分：第一部分是被试选择某一选项；第二部分是对所选选项进行“合理解释”，评分者依据评分标准对被试的“解释”进行评分。构造题已具有一定的开放性，而评分标准的准确性和全面性对评估被试的能力水平非常重要。顺序多项选择题的命题形式与传统选择题类似，不同之处是选项没有明显的错误，选项间却有程度的差异，这种差异正好可以表征不同的能力水平。这种题型能准确、高效地描绘学生的学习进阶路径，但由于选项也是封闭的，测验信度可能会遭到质疑。三种题型样例见图。图 三种题型的形式样例（从左到右：选择题、构造题、顺序选择题）验证学习进阶的测评模型为了确保学习进阶的有效性，一般采用测量获取实证证据来验证和完善学习进阶。测评模型可以根据数据拟合学习进阶假设，进而检验和修正学习进阶理论。目前，相关研究多以单维测评模型测验被试的单一潜在能力，不同测试题都指向同一种潜在特征。在实际应用中，二分 模型和部分赋值 模型使用较广。二分 模型是依据项目反应理论（，）建立答对题目的概率模型，通过判断被试答对题目的概率来预测个体的潜在能力值。如被试能力越高，则答对容易题目的概率越高；被试能力越低，则答对较难题目的概率越低。最理想的答题序列是，即希望被试总是答对简单题，而答错较难的题。在难题和容易题之间，也就是中间部分的试题，能很好地测试被试的能力。若被试能力与题目难度相当，那么答对该题的概率应为。部分赋值 模型是二分模型的扩展，在题型设计、分数赋值上更加丰富多样，且多用于主观题或开放题的评分设定。本研究主要运用部分赋值 模型建立科学高阶思维学习进阶，拟构建科学高阶思维的进阶水平假设，在各水平上排列不同的试题，然后利用 模型把不同能力的学生与不同难度的题目排列在具有相同单位的量尺上（转换），从而描述被试科学高阶思维水平。四、基于学习进阶的科学高阶思维测评模型建构 本研究遵循上述学习进阶研究过程建构科学高阶思维进阶测评模型。第一，建立科学高阶思维学习进阶理论假设，利用数据驱动的结果抽离出科学高阶思维 个进阶变量，通过理论探讨明确变量进阶终点的行为表现，以此溯源建立 进阶矩阵，描述每个水平的思维表现。第二，编制靶向不同进阶水平的测试题表征理论假设，形成最初的测评工具。第三，进行小规模测试（），应用 模型考察题目水平与测验水平的对应情况、模型数据拟合情况、测验工具的信效度及分离度，修订开放题评分标准等。第四，施测于目标样本，检验试题与学习进阶水平的拟合情况，以及试题难度与被试能力的对应情况，验证并修订科学高阶思维学习进阶。第五，深入分析试题作答情况，统整多个进阶变量表征的科学高阶思维水平，准确描绘科学高阶思维学习进阶层级结构。本研究将第四和第五过 年湖南师范大学教育科学学报第 期程进行了合并，建立科学高阶思维学习进阶测评模型的过程见图。图 基于学习进阶建立科学高阶思维学习进阶测评模型的过程 科学高阶思维学习进阶的理论假设科学高阶思维的进阶变量通过理论分析抽离出来，并由问卷调查验证而确立。具体而言，通过分析高阶思维要素以及科学学习目标中有关高阶思维的要求，结合科学高阶思维具有领域特殊性的观点，初步确定科学高阶思维具有 个要素。随后，参考国内外高阶思维通用框架、领域化测评框架中的认知过程条目等设计了“科学高阶思维核查表”，名学生作为典型样本参与问卷调查，随后进行探索性因素分析、验证性因素分析、二阶模型分析，验证得到了科学高阶思维的 个进阶变量。分析显示，调查问卷的 信 度 系 数 为 ，半分信度为。数据模型与理论假设拟合指标如表 所示，各指标的含义可见相关文献，可以发现，分析结果与理论假设（进阶变量）拟合较好。表 一阶、二阶验证性因素分析时模型拟合情况因素分析 （）一阶 （）二阶 （）科学高阶思维学习进阶水平的理论假设参考了义务教育小学科学课程标准（）中“科学探究”学习进阶中有关科学思维的论述、我国义务教育阶段科学教育质量监测框架中科学素养水平划分中的科学思维描述、皮亚杰对 岁