编译：刘凌雅 东南大学脑与学习科学系，儿童发展与教育研究所
研究生导师：柏毅；夏小俊
作者：Mateja Ploj Virti č
【摘要】：对科学的信任对于全球卫生的发展是不可或缺的，也是非常重要的，这可以通过培养全体人民的科学素养来获得。本文介绍了科学素养的各种定义，并寻求其与科学教育的联系。它进一步探讨了在大学生中发展科学研究技能的进展。通过前测和后测，我们评估了学生科学研究技能的发展，特别是以下科学研究中的程序性技能：（a）学生提出高质量的研究问题；(b)学生提出一个科学上可检验的假设，其中包括一个因变量和一个自变量；及（c）学生设计实验。结果表明，相对于所涵盖的领域，学生的科学研究程序性知识有所提高。实验表明，本科生和研究生在科学研究中的程序性知识没有统计学上的显著差异。科学活动如果适当地纳入教育过程，在各级教育中有很大的潜力来提高全体人口的科学素养。
一、介绍
1.1科学素养
在疫情发生的时候，我们经历了巨大的矛盾：一方面，有科学和科学家以极其快速的反应证明了自己，并正在各个领域寻找成功抗击病毒的方法。另一方面，有数量惊人的人难以置信地寻找反对科学发现的论据。但是，没有研究就没有发展。因此，人们对科学和科学家工作的信任对进一步发展非常重要，当然可以通过培养全体人民的科学素养来获得。
佩拉等人开创了定义科学素养的经验基础，并建立了识别个人科学素养的框架。Showalter进一步阐述了他们的工作，他定义了科学素养的七个维度：一个有科学素养的人应该有以下特征：
·理解科学的本质，
·准确可靠地应用相关科学概念、原则、规律和理论，
·运用科学程序解决问题和作出决定，并加强自己的理解，
·交流时考虑到不同的方面，并根据科学的价值，
·理解和赞赏科技企业及其对社会个别方面的贡献，
·由于科学教育，他对世界有了更丰富和更令人兴奋的看法，并渴望继续终身学习
·学会许多操纵科学和技术的技能。
根据Glaze的说法，科学素养是“个人决策、参与公民和文化事务以及经济生产力所需的科学概念和过程的知识和理解”。
科学素养作为可持续发展教育的一个目标，重点关注学习、探究和迁移技能的发展，使年轻人能够在日常和专业活动中使用获得的知识和技能。
更高和更先进的自然知识和科学技术知识有助于个人抵制通过各种媒体对他们产生负面影响的伪科学信息。高水平的科学素养使个人在处理日常生活中出现的与科学有关的问题时更加自信和有资格，但也使他们有更好的就业机会。
1.2科技教育
理学院的作用不仅是教授我们的内容，而且是“为学生提供这一追求所需的背景知识和技能”，并“帮助激励学生重视科学知识和技能”。众所周知，学习科学和技术能够发展个人的科学素养。
关于科学教育的定义和作用的讨论可以追溯到20世纪80年代。科学教育的定义取决于个人认为科学教育的首要目标是什么，因此它取决于谁在处理它（即学生、教师、家长、科学家和政治家）和他或她的科学概念。然而，其他人认为它的目的是应对经济需求、社会危机或环境问题。因此，科学教育课程的学习内容非常广泛。基本的科学知识和概念来自历史研究，如果我们想在更高的认知水平上向年轻人传授这些知识和概念，就必须在科学教育中包括科学思维和程序技能的发展，从而包括科学素养的发展。
1.3科学应该如何教授，科技教育应该采取什么样的科学水平？
人们对研究学术环境中的科学教育和不同教学方法的有效性很感兴趣。
Holbrook&Rannikmae提出，为了在教育背景下加强真正的科学素养或多维科学素养，发展社会科学决策和科学解决问题的技能比对基础内容知识的基本理解更重要。他的教学模式导致了一种方法，通过这种方法，“通过科学的教育”被认为是比“通过教育的科学”更恰当的教学重点的描述。
基于这种模式的教学与活动理论密切相关，其中学生的需求和动机构成了主要焦点。霍尔布鲁克和兰尼克梅的模型与霍德森对学习目标的分类是一致的。他把科学教育的目标分为以下几类：
·学习科学能够获得达到理解水平的理论知识。
·学习科学有助于理解自然和科学方法，尊重其历史和发展，并认识到科学、技术、社会和环境之间复杂的相互作用。
·做科学可以发展科学探究和解决问题的过程知识。
DebBurman认为，让学生参与真正的研究项目可以促进对复杂科学内容的兴趣，并有助于科学实验技能的发展。基于问题的学习结合了基于问题的学习、独立工作、研究项目、实地工作、案例研究和调查，为学习活动提供了许多机会，将学生置于学习过程的中心，并允许以许多不同的方式纳入课程。
我们相信，以学生为中心的学习能够培养出一名优秀的研究人员，这不仅有利于他们的直接学习，也将为终身学习奠定基础。
1.4科研技能
除了纯科学内容知识，程序性知识和科研技能的发展对个人的科学素养至关重要。程序性知识可以理解为科学研究中使用的工具或科学研究方法和技术。博耶研究型大学本科生教育委员会在其实施研究过程的建议中强调了基于研究的学习的重要性。Lemon等人也强调了这一观点。他强调了研究技能的重要性，甚至将其列为21世纪的能力之一。
通过解决问题，学生发展他们的程序知识、技能和概念理解。通过科学的观察和实验，他们进一步发展和扩大了他们的科学研究技能。因此，在教学/教育过程中，学习活动的适当规划对于概念和程序知识的发展和巩固非常重要。它们的设计应该包括各种科学研究方法，使学生能够更好地理解科学研究的一般性质。他们将不再只自己发现科学研究的方法，还会发现科学中概念知识的组织方式。不同的科学学科提供不同的教学方法。在科学领域，这些往往是实验，但并不总是可行的。障碍可能在于实验的性质，就时间和空间而言，实验可能是不道德的或不切实际的。在这种情况下，将不同的模型引入学习过程是非常实用的。
马特尔——帕里什和利普乔克定义：（一）掌握科学文献；（二）职业准备和营销技能；（三）提高科学交流技能（口头、书面和视觉）；（四）了解研究中的道德守则和准则；（五）对科学在当代道德/社会问题中的作用的理解，特别是持续的科学素养。
凯迪等人在他们的研究中强调了大学在提高研究程序技能方面的重要作用，将它们分为：确定和制定研究问题；提高阅读和复习文献的能力；促进对研究的哲学基础的理解；提高规划和开展研究的技能；并使学生能够在课程中纠正他们在研究项目中的错误。
1.5科学能力的培养与评价研究
科学素养的发展，就像科学素养的概念本身一样，是一项极其复杂的事业。它的有效性受许多因素的影响，并已被不同的作者研究。
朱调查了学生的科学素养如何受到他们的态度的影响。他的研究结果表明，学生的态度影响他们科学能力的方式并不因性别或地区而异（在统计上显著）。他的发现证实了科学能力和态度是密切相关的，而且应该是“在科学课堂中同等重视，与科学知识相关”
表1 PISA 2015科学扫盲框架的主要组成部分（经合组织，2013年）
经合组织监测全球15岁儿童的科学素养水平，该组织在PISA调查中评估科学素养。科学素养被评估为科学能力、知识和态度的组合（表1）。大约50%的任务评估科学解释现象的能力，30%评估科学解释数据和证据的能力，20%评估设计和评估科学研究的能力。
对15岁儿童科学研究技能的深刻理解使教育工作者能够整合学习活动，帮助他们更好地教授科学，并支持学校系统将科学作为一项基本技能进行推广。
然而，我们还没有在文献中找到一个系统的方法来建立程序知识和科学研究技能。我们在本研究中考虑的科学研究程序步骤是从国家项目“自然科学和数学素养：鼓励批判性思维和解决问题”中开发的程序知识描述符中总结出来的：
·提出高质量的研究问题，其答案可以通过实验来检验，
·根据研究问题和相关知识制定科学上可检验的假设，包括因变量和自变量，
·通过定义要研究的变量（因变量和独立变量）来设计实验。
二、研究方法
这项研究是作为里尔大学（法国）SPI博士学院短期客座教授职位的一部分进行的。学生们参加了为期一周的研讨会和讲习班，随后进行了下述准实验。
2.1研究样本
本研究以31名学生为样本进行：14名来自科学技术学院（物理、物理化学）的本科生和17名来自SPI博士学院（纳米科学/纳米技术）的研究生。
2.2研究方法
在题为“科学素养的组成部分和对物理学史研究步骤的洞察”的研讨会上，学生们了解了物理理论的历史方面，并讨论了科学素养在日常生活中的重要性。研讨会结束后，他们被分配了两项任务。
采用前测和后测，对学生科研技能的发展进行评估和统计估计。前测定义了一个科学问题，使学生能够像科学家一样思考。
后测是对前测结果的评估和全面讨论。对预测试结果的评估是讨论的起点。在后测中，学生们被分配了同样的任务，但他们被要求找到自己的问题，并使用他们所学的步骤来解决它。
2.3评估标准
作为制定评估学生科学素养进步的标准的起点，我们采用了国家项目“自然科学和数学素养：鼓励批判性思维和解决问题”中开发的程序性知识的描述符（表2）。
根据表2中的描述，我们总结了研究中需要关注的科学研究技能：
学生提出高质量的研究问题，其答案可以通过实验来检验；
学生根据研究问题和相关知识提出一个科学可检验的假设，包括一个因变量和一个自变量；
学生通过定义要研究的变量（因变量和自变量）来设计实验。
2.4研究问题和假设
我们设置了两个研究问题：
RQ1：本科生和研究生的科学素养有什么不同？
RQ2：我们如何通过适当的学习活动来提高学生的科学素养？
表二 科学研究中程序性知识的描述符
为了找到研究问题的答案，我们假设如下：
H1：从统计数据来看，有计划的学习活动将显著提高学生提出高质量研究问题的能力。
H2：有计划的学习活动将在统计上显著提高学生制定科学可验证的假设的能力，包括因变量和自变量。
H3：有计划的学习活动将显著提高学生设计实验的能力。
H4：本科生和研究生在科学研究的程序性知识方面有统计学上的显著差异。
三、统计分析
对收集的数据进行了定性和定量分析。学生对前测和后测的反应通过定性分析进行分类，这在编码部分有所描述。数据还使用SPSS进行描述性统计分析。为了根据学生的学习水平确定他们之间具有统计学意义的差异，我们根据数据正态分布的确认假设计算了方差分析ANOVA。学生的学习进度是使用心理测量在线引擎使用科恩的d效应大小计算的，并根据本网站上的建议进行解释。边际设置如下：0<无影响<0.2<小影响<0.5<中等影响<0.8<大影响。
3.1编码
编码是使用我们基于对学生在前测和后测中的反应的深入审查而开发的标准来完成的。标准（如下）是为我们在研究中关注的每一项程序性科学研究技能制定的。
学生对第一项任务“定义一个研究问题（RQ）”的回答分为4类：
·RQ不相关/未定义为问题
·RQ不足/问题转移到另一个领域
·RQ不足/问题太具体
·RQ是相关的/答案可以通过实验验证
学生对第二项任务“根据RQ设定假设并在因变量下划线”的回答分为5类：
·Hs不是假设/未定义为假设
·Hs没有提出/只有一系列因素
·协调制度有缺陷，没有包括变量
·协调制度是相关的，变量包括在内，因变量未被确认
·协调制度是相关的，变量包括在内，因变量得到承认
学生对第三项任务“设计实验来检验你的假设”的回答分为四类：
·研究计划与检查协调制度无关/不可能
·研究计划有缺陷，没有包括变量
·研究计划有缺陷，包括变数
·研究计划是相关的
3.2结果
在完成定性分析并对回答进行编码后，使用SPSS程序对数据进行定量分析。描述性统计如表2-5所示。表3显示了前测和后测中第一个任务“定义一个研究问题（RQ）”按类别划分的结果的频率分布。
表3中的结果显示，在前测中，前三类的答案占主导地位，而在后测中，正确定义的研究问题数量激增。
表4显示了第二项任务“根据RQ设置假设并在因变量下划线”在测试前和测试后按类别划分的结果的频率分布。
表3 前测和后测中第一项任务“定义一个研究问题（RQ）”按类别划分的结果频率分布
表4 第二项任务在前测和后测中按类别划分的结果频率分布“基于RQ设置假设并在因变量下划线”
表5 第三项任务“设计实验来检验你的假设”在前测和后测中按类别划分的结果的频率分布
·32.3%的学生在前测中不能定义假设，而在后测中只有3.2%的学生仍在定义假设。
·在第四类中也可以看到显著的进步，其中19.4%在前测中排名，多达35.5%在后测中排名，在第五类中，9.7%在前测中排名，两倍多（19.4%）在后测中排名。
表5显示了第三项任务“设计实验来测试你的假设”在前测和后测中按类别划分的结果的频率分布。
学生设计实验能力的提高是显而易见的：
在前测中，32.3%的学生不能设计一个实验来检验假设，而在后测中，只有3.2%的学生仍然属于这一类。
在第四类中也可以看到显著的进步，其中9.7%在前测中排名，多达35.5%在后测中排名，在第五类中，22.6%在前测中排名，两倍（45.2%）在后测中排名。
作者将表3和表4中结果的相似性与这样一个事实联系起来，即先验知识和制定假设的能力对于正确设计允许测试假设的实验是必要的。因此，这是一个非常合乎逻辑的解释，后测提高了设计结果，因为学生也提高了他们制定假设的能力。尽管从表2-4中可以明显看出学生在科学研究的程序性知识（提出高质量研究问题、制定科学可检验的假设和设计实验的能力）方面的提高，但这不足以肯定地证实这一进展在统计上是显著的。因此，计算Cohens’d效应大小来表示测试前和测试后结果之间的差异的绝对值，即它们的共同标准偏差。Cohens’d效应大小是使用心理测量在线引擎根据平均值和标准差计算的，并根据本网站上的建议进行解释。边距设置如下：
0<无影响<0.2<小影响<0.5<中等影响<0.8<大影响。描述性统计和Cohens效应大小如表6所示。使用表6中的Cohens d值，我们可以验证我们在研究开始时建立的H1、H2和H3。特别是：提高学生提出高质量研究问题能力的效果大小是中等的，因此H1是确定的。
提高学生制定包含因变量和自变量的科学可检验假设和设计实验的能力的效果大小很大，因此H2和H3得到了证实。
我们还对本科生和研究生之间的科学素养进步是否存在具有统计学意义的差异感兴趣（H4检验）。使用Kolmogorov-Smirnov检验，我们发现变量呈正态分布，证明了进一步使用单向方差分析的合理性。为了比较平均值，我们进行了单因素方差分析，结果显示没有具有统计学意义的差异：提出高质量RQ的p=.982，制定假设的p=.105，设计实验的p=.181。因此，H4（在科学研究中，本科生和研究生在程序知识方面存在统计学上的显著差异）被拒绝。
表6 描述性统计和Cohens效应大小
四、讨论
4.1本科生和研究生的科学素养有什么不同？
在研究结果中，我们没有发现本科生和研究生在科学研究的程序性知识方面存在具有统计学意义的差异。
这些结果与之前的一项研究一致，该研究发现，基于学习年份的科学素养水平没有统计学上的显著差异。
结果也是意料之中的，因为所选样本中的所有学生都以科学为导向，研讨会上教授的物理理论的历史方面平均来说对本科生来说是新的，对研究生来说是完全新的。未来的工作是用社会科学或人文学科的学生样本复制这种偶然的研讨会/讲习班经验。通过这种方式，可以评估和欣赏差异。最后，科学研究的方法论因学科而略有不同，方法论的转移也不是小事。
对已取得成果的另一种逻辑解释来自科学素养的基本定义，该定义将科学素养解释为可转移的技能，并将其与课程中定义的内容知识分开。
因此，所取得的结果进一步证明，如果没有科学素养要素的有计划发展，就无法保证人民将提高科学素养水平和发展科学研究技能。
4.2如何通过适当的学习活动提高学生的科学素养？
从研究中我们可以得出结论，学生科学素养的提高是有计划的研究活动的结果。研讨会最重要的部分是对预测试后的结果进行评估和全面讨论。讨论强调了不同案例研究中科学研究程序性知识的重要因素（例如，数据、建模、科学的历史基础、历史事实与当前物理学习知识之间的差异、社会中的应用科学和技术等）。）。这种有科学活动的讲习班适合不同的教育水平，尤其是高等教育水平。根据Holbrook&Rannikmar的研究，在小学教育阶段，学生对科学的兴趣通常是积极的，除此之外，为发展水平尚不允许抽象思维的年轻学生举办研讨会需要进行具体实验，或者在特殊情况下，进行虚拟实验。
之前的研究表明，任何额外的直接实验经验至少在一定程度上提高了一个人的科学素养。根据科学素养的第三个维度，指出有科学素养的人使用科学过程来解决问题，我们强调科学研究程序步骤是科学素养最重要的要素之一。以学生为中心的学习有助于培养优秀的研究者，这不仅有利于他们的直接学习，也将为终身学习奠定基础。
然而，这项研究的结果表明，仅仅进行一项实验并专注于实验的内容是不够的。除了直接的实验经验之外，讨论研究过程本身、阐明和证明研究过程中的一个步骤以提高对研究程序重要性的认识也是非常重要的。所描述的结果不仅证实了Glaze的发现，还代表了它们的升级，为讨论提供了具体的指针，重点是科学研究的程序步骤。
我们相信，定期纳入教育过程的这种科学活动可以提高人们的科学素养，我们强烈建议教育工作者和讲师遵循这一做法。
五、结论
然而，我们可以得出结论，学生对如何定义研究问题、提出假设以及随后设计实验来检验假设有所了解。考虑到学生们在科学教育中已经获得了一些科学研究的经验，这并不奇怪。在研讨会和全面讨论和评估结束后，对所有领域的信心都有所增强。这在设计实验以测试所提出的假设方面最为显著，尽管在这一领域还可以取得更多成就以提供更好的理解。
把学到的东西转移到自己的例子中，是理解水平的一个指标。结构化思维和解决可能影响结果的不同因素/变量对研究工作非常重要。间接地，这也允许科学素养和跳出框框思考的重要提高。
因此，科学教育的重点如果是为了提高学生的科学素养，就应该从以内容为导向的教学方向转向更以问题为导向的科学研究活动，这与“做科学”的概念相对应。
六、研究的局限性
当我们做研究时，我们也意识到了局限性。在我们的案例中，我们指出了以下局限性：在进行研究时，我们考虑了相对较小的学生样本。此外，样本中的所有学生都以科学或技术为导向。
查阅原文：《International Journal of Science Education》, Mateja Ploj Virtič DOI: 10.1080/09500693.2022.2105414
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