物理师范生科学探究学科教学知识的测评研究

物理师范生科学探究学科教学知识的测评研究
作者：韩欣妤黄敏珊郭东鑫黄乐恒郑博为林洽武肖洋
来源：《中学物理·高中》2021年第10期
摘要：当前物理教学仍然停留在知识层面，科学探究教学未能有效实施，其根本原因主要在于大部分教师对科学探究的认识存在偏差.为助力本土化科学探究教学的实施，基于我国新一轮课程改革对科学探究的本土化认识和国际上对PCK的共识，提出了科学探究PCK的测评框架并开发了相应的测试卷.采用多维Rasch分析验证了测试卷的信度、效度.后续的统计分析表明，整体而言，师范生在课程知识维度上表现最好、在策略知识维度上表现最差;对不同层次院校物理师范生的进一步比较分析表明，一本院校的师范生在除课程知识维度外均显著优于二本院校的师范生.基于上述研究结果，从课程设置和教学实践环节对未来师范生培养提出了建议.
关键词：物理师范生;科学探究;学科教学知识;测评
中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）19-0012-07
基金项目：华南师范大学2020年度大学生创新创业训练计划“职前物理教师科学探究学科教学知识的测评研究”（项目编号：S202010574097）;中国博士后科学基金第67批面上项目“职前教师科学探究PCK的进阶发展与作用机制研究”（项目编号：2020M672658）;国家社会科学基金“十三五”规划2020年度教育学青年课题“中小学教师科学素养PCK的进阶发展与作用”（项目编號：CHA200261）.
作者简介：
韩欣妤（2000-），女，四川阆中人，本科，研究方向：物理教育;
黄敏珊（1999-），女，广东揭阳人，本科，研究方向：物理教育;
郭东鑫（2000-），女，吉林松原人，本科，研究方向：物理教育;
黄乐恒（1999-），男，广东深圳人，本科，研究方向：物理教育;
郑博为（1998-），男，广东珠海人，本科，研究方向：物理教育;
林洽武（1980-），男，广东澄海人，硕士，高级实验师，研究方向：物理课程与教学论;
肖洋（1992-），男，湖南邵阳人，博士，特聘副研究员，硕士生导师，研究方向：物理课程与教学论、教师教育.
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2018年，中共中央国务院颁布了《关于全面深化新时代教师队伍建设改革的意见》，力
求通过培养高素质的教师队伍来落实立德树人的根本任务.对于物理、化学、生物等科学学科，教师应采用科学探究教学来培养学生的科学素养[1].21世纪以来，我国的科学课程改革都明确将科学探究列为内容标准，并要求采用探究教学，但大部分教师对科学探究的认识存在偏差，致使当前科学教育仍停留在知识层面，未能有效实施科学探究教学[2-3].
教师关于科学探究的专业知识会影响教学的效果[4]，教师要同时具备教育学知识（pedagogical knowledge，PK）、关于科学探究的学科内容知识（content knowledge，CK）和学科教学知识（pedagogical content knowledge，PCK）.其中PCK处于CK和PK的交汇地带，指的是将特定学科内容知识转化为易于学生理解和接受的方式的知识（马云鹏等， 2010; Shulman， 1987）[5-6].考虑到PCK领域的特殊性，对科学知识PCK的研究较多[7-8]，但对科学实践PCK的研究较少[9-10].对于科学探究PCK，只有Cobern等研究了科学探究教学倾向[11].
为助力本土化科学探究教学的实施，有必要对教师科学探究PCK进行精准表征和有效测评.基于此，本文主要在PCK和科学探究相关研究的基础上，通过实证研究对物理师范生科学探究PCK进行测评，以期全面认识物理师范生科学探究PCK的现状、总结培养策略.
1 科学探究PCK的概念界定与要素结构
笔者认为，科学探究PCK与一般的PCK既有联系又有区别，需要结合科学探究的内涵进行重构.一方面，对于PCK的认识，Shulman最早提出PCK并将其界定为“将学科知识与教育
学知识结合起来，形成新的理解，知道如何根据学习者的不同兴趣和能力将特定主题、问题和事件组织起来，以教学的方式加以呈现”的知识[12].我国学者马云鹏将PCK定义为“如何将CK 转化为易于学生理解、接受的方式的知识”[5].另一方面，科学探究是科学家研究自然界并在证据基础上建构解释的各种方式[13].学生在科学学习中应经历与科学家类似的研究过程，通过科学探究建构对科学概念和科学本质的理解、提升科学过程技能[14].我国新修订的《普通高中物理课程标准（2017年版）》将科学探究列为物理学科核心素养的一个方面，并将其定义为：“基于观察和实验提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验与制订方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力.”[15]
同时，课程标准还进一步归纳出四个要素：问题、证据、解释、交流.可见，我国课程标准对科学探究的要求更多地关注其作为过程性技能的本质.基于上述的分析，笔者将科学探究PCK 定义为“以发展学生的科学探究过程性技能为目的，结合教育学知识，将自身的科学探究过程性技能转化为易于学生理解、接受的方式的知识.”
为了能有效地对教师的PCK进行测评，必须明确其要素.Shulman最初界定的PCK只包括两个要素：教学策略与表征、对学生前概念和具体学习困难的理解[12].后来的学者对此进行了拓展，Magnusson等人[16]、蔡铁权和陈丽华[17]都认为科学教师PCK应包括教学信念与倾向、课程知识、学生知识、评估知识、教学策略知识五个要素.而最近，Shulman等人联合Grossman、Gess-Newsome、Park Soonhye等22位来自7个国家的PCK专家，共同讨论并构建出了PCK的共识模型（The Consensus Model）[18].共识模型指出，PCK测评的学科内容情境应落实到具体领域，研究内容不仅包括知识也应该包括实践技能（如本文探讨的科学探究PCK）.同时，共识模型还强调教师公共的知识库（包括教师专业知识基础和具体领域的专业知识，即共同体的PCK）会通过教师信念等教师个人的增/减效因素影响实践中的PCK（即个体的PCK）.
基于上述的分析，本文中的科学探究PCK仅考查课程知识、学生知识、评估知识、教学策略这四个要素：第一，科学探究的课程知识，包括教师对学生在科学探究方面需要达成的目的和目标的知识，对实施探究教学相关教学材料和资源的知识，对科学探究能力发展横向和纵向组织的知识;还包括教师对科学探究主题在整个课程中重要性的知识，即可科学探究的要素;第二，科学探究的学生知识，包括教师关于学生发展科学探究能力过程中觉得很难学的主题的知识，学生发展科学探究能力的先前知识（先前已经具备的科学探究能力）;第三，科学探究的教学策略知识，包括教师帮助学生发展科学探究能力的活动和表征的知识;第四，科学探究的评估知识，包括教师对探究学习中重要的需要评估的维度的知识（评估什么）和评估科学探究的方法的知识（如何评估）.
2 研究方法
2.1 研究工具
基于对科学探究PCK的理论探讨，本文开发的科学探究PCK测试卷力图将科学探究的要素和PCK的要素进行交汇.例如，对于学生知识，试图考查问题、证据、解释、交流四个要素方面的学生知识.但对于课程知识，由于课程标准中对于科学探究的要素往往是以全貌呈现的，对于科学探究课程知识的考查无法单独进行.
为开发适应的测评工具，本文还系统性地回顾了国际上发表的相关PCK纸笔测试工具和国内教师资格证考试的相关试题，总的来看，这些试题的设计具有以下的特征：第一，对于课程知识的考查往往直接以课程标准为依据，且不需要置于具体的知识情景[19];第二，对评估知识的考查往往会引入一般性的教育测量与评价知识，但应体现对具体领域知识或能力掌握情况
的评估[20];第三，对学生知识与策略知识的考查往往是一起进行的，即首先通过设问引出教师对学生学习困难的理解，然后再要求教师提出相应的教学策略[21].
这些特征引导本研究的测试题开发，图1提供了一道科学探究中“问题”要素学生知识与策略知识的试题作为样例（A14，如图1）.试题描述的情境改编自一节真实的课堂情景，第一问要求师范生回答学生在科学探究的提出问题中可能存在的困难（对应学生知识，A14（1），第二问要求师范生提出一些帮助学生提升提问能力的策略（对应策略知识，A14（2））.
结合上述探讨，最终的测评工具分为两套平行版本（A卷和B卷），让被试的作答时间控制在40分钟至1小时，测试卷的试题分布见表1.最后对试题进行审阅，确保其内容效度;交由两位物理课程与教学论的博士研究生、两位硕士研究生、两位本科师范生试做，以确保试题语言表达无歧义.
情境中学生提出的问题参考了浙江师范大学黄晓教授对我国初中生批判性提问能力的研究[22].
备注：课程知识的试题为A、B卷的共同题，利用共同题采用Rasch分析可以实现两套测试卷的共同分析.第7、14、15题的两小问均分开赋分.测试卷的前面1-6题调查了其他内容，未纳入本次分析.最终课程知识维度的8、11、13题因试题质量问题予以删除.
2.2 测试对象与过程
本研究采用方便抽样的方式，选取了两个不同层级的师范院校物理师范生样本（N=103）作为测试对象.其中，43人来自一本师范学校（双一流高校），60人来自另一所二本师范学校.所有测试对象均已经修读了《微格教学》《中学物理课程与教学论》两门课程，对科学探究的理论、课程标准的要求、探究教学的实践均有一定程度的了解.测试以自愿的方式邀请师范生参与，对于认真作答的师范生给予一定的报酬.测试在2021年4月上旬进行，所有师范生集中在一间教室以准考试的形式进行，要求在1小时内完成作答.最终没有无效測试卷.
2.3 数据分析
回收测试卷后，首先由研究团队成员两人一组（共有5组）设计评分标准，对30份试卷（A、B卷各15份）进行试评分，在试评过程中整理出学生典型的作答，形成评分指南.以图1所示的A14（1）为例，该题考查了问题要素的学生知识，其评分指南见表2.
一个好的探究问题：一是要将现象与物理知识结合起来;二是要将大的问题拆解为若干个可供探究的子问题;三是要明确问题中物理（变）量的含义，对其进行操作性定义[22-23].
试评结果表明，试评的评分者信度（Cohen’s Kappa）为0.599之外，其余4组均达到了0.6以上.对于试评过程中出现不一致的地方，由整个研究团队共同商议，修改评分标准并达成
一致.然后继续对剩余的试卷进行评分，最终各组评分者信度都达到了良好水平（Cohen’s Kappa为0.668-0.924）.所有评分者再对其中不一致的地方重新进行商议，再纳入后续的统计分析.
由于部分试题（如A14（1））存在多种得分可能，因此采用部分给分Rasch模型（Partial Credit Model）对测试卷的质量进行分析.Rasch模型能够同时估计被试能力与试题难度，并将其置于同一量尺上进行比较.根据前文的假设，科学探究PCK包括课程知识、学生知识等四个维度，因此首先采用单维Rasch模型和多维Rasch模型对数据进行拟合，选取拟合效果更好的模型对试题难度和被试能力（即科学探究PCK）进行估计.因此，Rasch分析采用Conquest软件进行，其能实现对多维Rasch模型的估计.然后再进行后续的统计分析，利用SPSS对一本院校和二本院校师范生的科学探究PCK进行比较分析.
3 研究结果
3.1 科学探究PCK的维度结构
本研究首先探讨科学探究PCK应该被视为一个整体的结构，还是能够被区分为课程知识、学生知识等四个维度.因此，分别采用单维Rasch模型和多维Rasch模型对数据进行拟合，其中单维Rasch模型假设师范生在所有试题上的表现可以由单一的潜在特质所解释（科学探究PCK），而多维Rasch模型假设师范生的表现应该由多个潜在特质共同解释.
基于上述的分析，本文中的科学探究PCK仅考查课程知识、学生知识、评估知识、教学策略这四个要素：第一，科学探究的课程知识，包括教师对学生在科学探究方面需要达成的目的和目标的知识，对实施探究教学相关教学材料和资源的知识，对科学探究能力发展横向和纵向组织的知识;还包括教师对科学探究主题在整个课程中重要性的知识，即可科学探究的要素;第二，科学探究的学生知识，包括教师关于学生发展科学探究能力过程中觉得很难学的主题的知识，学生发展科学探究能力的先前知识（先前已经具备的科学探究能力）;第三，科学探究的教学策略知识，包括教师帮助学生发展科学探究能力的活动和表征的知识;第四，科学探究的评估知识，包括教师对探究学习中重要的需要评估的维度的知识（评估什么）和评估科学探究的方法的知识（如何评估）.
2 研究方法
2.1 研究工具
基于对科学探究PCK的理论探讨，本文开发的科学探究PCK测试卷力图将科学探究的要素和PCK的要素進行交汇.例如，对于学生知识，试图考查问题、证据、解释、交流四个要素方面的学生知识.但对于课程知识，由于课程标准中对于科学探究的要素往往是以全貌呈现的，对于科学探究课程知识的考查无法单独进行.
为开发适应的测评工具，本文还系统性地回顾了国际上发表的相关PCK纸笔测试工具和国内教师资格证考试的相关试题，总的来看，这些试题的设计具有以下的特征：第一，对于课程知识的考查往往直接以课程标准为依据，且不需要置于具体的知识情景[19];第二，对评估知识的考查往往会引入一般性的教育测量与评价知识，但应体现对具体领域知识或能力掌握情况的评估[20];第三，对学生知识与策略知识的考查往往是一起进行的，即首先通过设问引出教师对学生学习困难的理解，然后再要求教师提出相应的教学策略[21].
这些特征引导本研究的测试题开发，图1提供了一道科学探究中“问题”要素学生知识与策略知识的试题作为样例（A14，如图1）.试题描述的情境改编自一节真实的课堂情景，第一问要求师范生回答学生在科学探究的提出问题中可能存在的困难（对应学生知识，A14（1），第二问要求师范生提出一些帮助学生提升提问能力的策略（对应策略知识，A14（2））.
结合上述探讨，最终的测评工具分为两套平行版本（A卷和B卷），让被试的作答时间控制在40分钟至1小时，测试卷的试题分布见表1.最后对试题进行审阅，确保其内容效度;交由两位物理课程与教学论的博士研究生、两位硕士研究生、两位本科师范生试做，以确保试题语言表达无歧义.
情境中学生提出的问题参考了浙江师范大学黄晓教授对我国初中生批判性提问能力的研究[22].
备注：课程知识的试题为A、B卷的共同题，利用共同题采用Rasch分析可以实现两套测试卷的共同分析.第7、14、15题的两小问均分开赋分.测试卷的前面1-6题调查了其他内容，未纳入本次分析.最终课程知识维度的8、11、13题因试题质量问题予以删除.
2.2 测试对象与过程
本研究采用方便抽样的方式，选取了两个不同层级的师范院校物理师范生样本（N=103）作为测试对象.其中，43人来自一本师范学校（双一流高校），60人来自另一所二本师范学校.所有测试对象均已经修读了《微格教学》《中学物理课程与教学论》两门课程，对科学探究的理论、课程标准的要求、探究教学的实践均有一定程度的了解.测试以自愿的方式邀请师范生参与，对于认真作答的师范生给予一定的报酬.测试在2021年4月上旬进行，所有师范生集中在一间教室以准考试的形式进行，要求在1小时内完成作答.最终没有无效测试卷.
2.3 数据分析
回收测试卷后，首先由研究团队成员两人一组（共有5组）设计评分标准，对30份试卷（A、B卷各15份）进行试评分，在试评过程中整理出学生典型的作答，形成评分指南.以图1所示的A14（1）为例，该题考查了问题要素的学生知识，其评分指南见表2.
一个好的探究问题：一是要将现象与物理知识结合起来;二是要将大的问题拆解为若干个可供探究的子问题;三是要明确问题中物理（变）量的含义，对其进行操作性定义[22-23].
试评结果表明，试评的评分者信度（Cohen’s Kappa）为0.599之外，其余4组均达到了0.6以上.对于试评过程中出现不一致的地方，由整个研究团队共同商议，修改评分标准并达成一致.然后继续对剩余的试卷进行评分，最终各组评分者信度都达到了良好水平（Cohen’s Kappa为0.668-0.924）.所有评分者再对其中不一致的地方重新进行商议，再纳入后续的统计分析.
由于部分试题（如A14（1））存在多种得分可能，因此采用部分给分Rasch模型（Partial Credit Model）对测试卷的质量进行分析.Rasch模型能够同时估计被试能力与试题难度，并将其置于同一量尺上进行比较.根据前文的假设，科学探究PCK包括课程知识、学生知识等四个维度，因此首先采用单维Rasch模型和多维Rasch模型对数据进行拟合，选取拟合效果更好的模型对试题难度和被试能力（即科学探究PCK）进行估计.因此，Rasch分析采用Conquest软件进行，其能实现对多维Rasch模型的估计.然后再进行后续的统计分析，利用SPSS对一本院校和二本院校师范生的科学探究PCK进行比较分析.
3 研究结果
3.1 科学探究PCK的维度结构
本研究首先探讨科学探究PCK应该被视为一个整体的结构，还是能够被区分为课程知识、学生知识等四个维度.因此，分别采用单维Rasch模型和多维Rasch模型对数据进行拟合，其中单维Rasch模型假设师范生在所有试题上的表现可以由单一的潜在特质所解释（科学探究PCK），而多维Rasch模型假设师范生的表现应该由多个潜在特质共同解释.
基于上述的分析，本文中的科学探究PCK仅考查课程知识、学生知识、评估知识、教学策略这四个要素：第一，科学探究的课程知识，包括教师对学生在科学探究方面需要达成的目的和目标的知识，对实施探究教学相关教学材料和资源的知识，对科学探究能力发展横向和纵向组织的知识;还包括教师对科学探究主题在整个课程中重要性的知识，即可科学探究的要素;第二，科学探究的学生知识，包括教师关于学生发展科学探究能力过程中觉得很难学的主题的知识，学生发展科学探究能力的先前知识（先前已经具备的科学探究能力）;第三，科学探究的教学策略知识，包括教师帮助学生发展科学探究能力的活动和表征的知识;第四，科学探究的评估知识，包括教师对探究学习中重要的需要评估的维度的知识（评估什么）和评估科学探究的方法的知识（如何评估）.
2 研究方法
2.1 研究工具
基于对科学探究PCK的理论探讨，本文开发的科学探究PCK测试卷力图将科学探究的要素和PCK的要素进行交汇.例如，对于学生知识，试图考查问题、证据、解释、交流四个要素方面的学生知识.但对于课程知识，由于课程标准中对于科学探究的要素往往是以全貌呈现的，对于科学探究课程知识的考查无法单独进行.
为开发适应的测评工具，本文还系统性地回顾了国际上发表的相关PCK纸笔测试工具和国内教师资格证考试的相关试题，总的来看，这些试题的设计具有以下的特征：第一，对于课程知识的考查往往直接以课程标准为依据，且不需要置于具体的知识情景[19];第二，对评估知识的考查往往会引入一般性的教育测量与评价知识，但应体现对具体领域知识或能力掌握情况的评估[20];第三，对学生知识与策略知识的考查往往是一起进行的，即首先通过设问引出教师对学生学习困难的理解，然后再要求教师提出相应的教学策略[21].
这些特征引导本研究的测试题开发，图1提供了一道科学探究中“问题”要素学生知识与策略知识的试题作为样例（A14，如图1）.试题描述的情境改编自一节真实的课堂情景，第一问要求师范生回答学生在科学探究的提出问题中可能存在的困难（对应学生知识，A14（1），第二问要求师范生提出一些帮助学生提升提问能力的策略（对应策略知识，A14（2））.
结合上述探讨，最终的测评工具分为两套平行版本（A卷和B卷），让被试的作答时间控制在40分钟至1小时，测试卷的试题分布见表1.最后对试题进行审阅，确保其内容效度;交由两位物理课程与教学论的博士研究生、两位硕士研究生、两位本科师范生试做，以确保试题语言表达无歧义.
情境中学生提出的问题参考了浙江师范大学黄晓教授对我国初中生批判性提问能力的研究[22].
备注：课程知识的试题为A、B卷的共同题，利用共同题采用Rasch分析可以实现两套测试卷的共同分析.第7、14、15题的两小问均分开赋分.测试卷的前面1-6题调查了其他内容，未纳入本次分析.最终课程知识维度的8、11、13题因试题质量问题予以删除.
2.2 测试对象与过程
本研究采用方便抽样的方式，选取了两个不同层级的师范院校物理师范生样本（N=103）作为测试对象.其中，43人来自一本师范学校（双一流高校），60人来自另一所二本师范学校.所有测试对象均已经修读了《微格教学》《中学物理课程与教学论》两门课程，对科学探究的理论、课程标准的要求、探究教学的实践均有一定程度的了解.测试以自愿的方式邀请师范生参与，对于认真作答的师范生给予一定的报酬.测试在2021年4月上旬进行，所有师范生集中在一间教室以准考试的形式进行，要求在1小时内完成作答.最终没有无效测试卷.
2.3 数据分析
回收测试卷后，首先由研究团队成员两人一组（共有5组）设计评分标准，对30份试卷（A、B卷各15份）进行试评分，在试评过程中整理出学生典型的作答，形成评分指南.以图1所示的A14（1）为例，该题考查了问题要素的学生知识，其评分指南见表2.
一个好的探究问题：一是要将现象与物理知识结合起来;二是要将大的问题拆解为若干个可供探究的子问题;三是要明确问题中物理（变）量的含义，对其进行操作性定义[22-23].
试评结果表明，试评的评分者信度（Cohen’s Kappa）為0.599之外，其余4组均达到了0.6以上.对于试评过程中出现不一致的地方，由整个研究团队共同商议，修改评分标准并达成一致.然后继续对剩余的试卷进行评分，最终各组评分者信度都达到了良好水平（Cohen’s Kappa为0.668-0.924）.所有评分者再对其中不一致的地方重新进行商议，再纳入后续的统计分析.
由于部分试题（如A14（1））存在多种得分可能，因此采用部分给分Rasch模型（Partial Credit Model）对测试卷的质量进行分析.Rasch模型能够同时估计被试能力与试题难度，并将其置于同一量尺上进行比较.根据前文的假设，科学探究PCK包括课程知识、学生知识等四个维度，因此首先采用单维Rasch模型和多维Rasch模型对数据进行拟合，选取拟合效果更好的模型对试题难度和被试能力（即科学探究PCK）进行估计.因此，Rasch分析采用Conquest软件进行，其能实现对多维Rasch模型的估计.然后再进行后续的统计分析，利用SPSS对一本院校和二本院校师范生的科学探究PCK进行比较分析.
3 研究结果
3.1 科学探究PCK的维度结构
本研究首先探讨科学探究PCK应该被视为一个整体的结构，还是能够被区分为课程知识、学生知识等四个维度.因此，分别采用单维Rasch模型和多维Rasch模型对数据进行拟合，其中单维Rasch模型假设师范生在所有试题上的表现可以由单一的潜在特质所解释（科学探究PCK），而多维Rasch模型假设师范生的表现应该由多个潜在特质共同解释.
基于上述的分析，本文中的科学探究PCK仅考查课程知识、学生知识、评估知识、教学策略这四个要素：第一，科学探究的课程知识，包括教师对学生在科学探究方面需要达成的目的和目标的知识，对实施探究教学相关教学材料和资源的知识，对科学探究能力发展横向和纵向组织的知识;还包括教师对科学探究主题在整个课程中重要性的知识，即可科学探究的要素;第二，科学探究的学生知识，包括教师关于学生发展科学探究能力过程中觉得很难学的主题的知识，学生发展科学探究能力的先前知识（先前已经具备的科学探究能力）;第三，科学探究的教学策略知识，包括教师帮助学生发展科学探究能力的活动和表征的知识;第四，科学探究的評估知识，包括教师对探究学习中重要的需要评估的维度的知识（评估什么）和评估科学探究的方法的知识（如何评估）.。