PISA视域下的科学素养：内涵、跨国分析与实践反思
摘 要：提升学生科学素养，是全球各国新一轮科技竞争与变革的重要推动力，是培育高精尖科技人才的重要议题。文章基于PISA科学素养框架，梳理了美国、新加坡、马来西亚和泰国学生科学素养培育课程与方法，并基于PISA科学素养视域反思了我国学生科学素养培育的未来方向：注重学生的科学兴趣和科学自我效能感等情感与态度的培育，完善以问题与主题为中心的科学课程体系，形成适合我国科学素养教育的标准化测评体系。
关键词：PISA；科学素养；测评
提升学生科学素养，是未来全球各国新一轮科技竞争与变革的重要推动力，是培育科技高精尖人才的重要议题。2015年经合组织（OECD）开展的国际学生评估项目（PISA）侧重对科学素养的评测，全球72个国家和地区的54万名学生参加测试，受到国内外教育界的广泛关注。然而，与发达国家相比，我国青少年及公民的科学素养仍有很大的提升空间[1]。因此，关注PISA科学素养框架，梳理各国科学素养的典型培育经验，总结我国科学素养培育的未来发展方向，对于提升我国科学教育水平乃至人力资源水平具有一定借鉴意义。
一、PISA科学素养内涵
当代科学教育的目标在于帮助学生具备科学的思考方式，并以此解决真实情景和社会发展中出现的相关科学问题，如PISA2015将科学素养界定为具有反思能力的公民运用科学知识参与科学相关事务的能力，它不仅评价学生知道哪些科学知识，而且关注学生如何加工知识以及如何在生活情境中创造性地应用知识。因此，PISA测评不仅是应试测验，还强调学生综合应用所学，并制定情境化问题的解决方案。PISA科学素养测评框架经过多年实践与改良，形成了客观测评和自我报告相结合的评价体系，从能力上分为“科学解释自然现象能力”“设计与评估科学探究能力”“诠释与解读科学证据能力”三个维度，从认知方式上分为“内容性知识”“程序性知识”“元认知知识”三个维度，从学科内容上包括“物理”“生物”“地理与空间”三个方面，进而对参与测评学生进行分数总分加权。由于其题型的情境化、测评方法的科学性和长期纵向跟踪的持续性，PISA测试越来越受到国际层面的认可。
PISA2015测试报告在2016和2017年陆续公布，正如报告所述，在信息化时代，每个人都必须“像科学家一般”去思考诠释，解读数据与证据，得出客观的结论。在学生所必须具备的三大能力中，“科学解释自然现象能力”是指针对日常生活中与科学相关的现象，能够确认该现象与科学知识的关联，进而提供合理的解释，并评鉴各种不同解释的合理性；“设计与评估科学探究能力”是指能够确认科学探究过程中的重要变量并叙述其实验设计及实施过程，且能评估探究方法的合理性；“诠释与解读科学证据能力”是指针对各种不同的科学信息、主张和论证能够实施分析及评鉴，进而提出适当的结论。
而在认知方式方面，学者更青睐具有融入科学相关议题、科学思考方式及反思能力的公民。PISA所谓的“程序性知识”和“元认知知识”其实是科学教育领域强调的科学认识观或科学本质相关知识（epistemic knowledge），这些与学生的科学思考、推理、探究及科学证据诠释息息相关。
二、科学素养培育课程的国际分析
我国2015年推出的“一带一路”倡议，希望能够深化与沿线国家政治、经济、文化、教育等方面的双向交流与合作。因此，本研究不仅选取了科学教育发达的美国，还选取了“一带一路”沿线的新加坡、马来西亚和泰国进行分析。上述国家皆多次参与国际大型教育调查项目，对基础科学教育与相关研究投入十分关注，值得中国教育界进一步深入了解，并进行系统性跨国分析。
（一）美国
美国通过《新一代科学教育标准》在联邦层面推动科学教育变革，其中一个重要的变革是实施STEM和创客跨学科课程整合计划。这一计划强调学生基于合作解决科学问题的素养。一般而言，合作解决科学问题包含四个主要过程：探索问题与理解问题、表征问题、计划与执行、监控与反思。此外，在合作解決科学问题的过程中基本包含三大能力：相互理解、适切地解决问题、维持团队互动。为了达到上述目标，除了基于标准制定小而精、层次化的科学教育课程体系外，美国教育界还提出了科学-技术-社会（STS）教学法、翻转课堂教学法、基于设计的教学法、认知脚手架与图示分析法等教学方式，同时引入了人工智能、大数据分析、深度学习、AR和VR资源等各类信息化环境和手段辅助教学。
（二）新加坡
新加坡小学学制为6年，中等教育分为中学和中学后（post-secondary）两个阶段。由于实施“因材施教”的教育政策，新加坡将中学课程分成特别课程（Special Course）、快捷课程（Express Course）和正规课程（Normal Course）。新加坡称这种学制为“分流教育”，目的是让学生接受最具效率、最适合个人学习能力与兴趣倾向的教育。成绩最佳者进入特别课程（约10%的学生），其次者进入快捷课程（约40%的学生），再次者进入正规课程（约50%的学生）。为了使尽可能多的学生接受更长时间的与科学教育相关的课程，从1994年起，正规课程又分学术课程（Academic Course）与技术课程（Technical Course）两种。其中，技术课程主要适合学力较弱的学生。《科学问题》（Science Matters）教材是新加坡目前普遍使用的一套教材，为全英文版，分别供中一、中二年级的学生使用。教材内容覆盖物理、生物、化学等学科，依据《新加坡中学低年级科学课程大纲》，教材编排打破了学科壁垒，在统一的科学概念下分主题组织内容。在内容选择上，除了以科学事实为支撑外，还随处可见科学史的内容。中学后的科学教育进一步分化。证书考试成绩靠前的学生（约30%）进入大学预科，包括两年制的初级学院（Junior College）和三年制的高级中学（Centralised Institute）。成绩较好的学生中80%的人可以升入大学，他们是新加坡未来的社会精英。他们根据兴趣爱好以及高级水平教育证书考试的要求从数学与科学领域中选择一至三门课程学习。成绩一般的学生（约占50%）进入理工学院（三年制），主要学习技术类和应用类课程，也会通过工程类课程学习一些科学知识。成绩较差的学生进入工艺教育学院（一至两年），主要学习职业课程，进行职业培训，不再学习科学课程。
（三）马来西亚
马来西亚曾经是英国的殖民国，其教育制度受到英国教育制度的影响。马来西亚教育注重考试制度，并以多种标准化测验来评定学生的学术资格和能力。马来西亚拥有多元的中学教育，学生可根据自己的喜好自由选择适合的中学，其中学主要分为两大类：公立中学和私立中学。在初中阶段将自然科学（生物、化学、物理）合编为综合科学；高中阶段理科班的数理科着重强化基础知识与提高基本技能，分科编制，高中文商班的数理科则是以综合性课程进行编制。独立中学的初中综合科学课程标准规划了各学习领域及其核心概念，要求教师善于围绕核心概念组织教学，让学生清楚地理解与掌握核心概念。此外，科学的各个学科领域是有相通和联系之处的，教学过程中可以通过“跨学科理念”将各学习领域的核心概念相整合。
（四）泰国
泰国国民基础教育分为三个阶段，共12年，包含小学6年及中学6年。12年的基础教育中，前九年为义务教育，高阶中学阶段则分流为学业与职业两种取向的学校，另有综合学校提供学业与职业两种课程轨道。进入学业学校的学生大多进入大学就读，而职业学校则提供就业准备与训练。2001年，泰国开始实施新的国家课程，以及以学生为中心的教学模式。泰国基础教育阶段学生均需学习科学学科，学校科学教学内容也必须遵照国家课程标准进行。小学一年级至初阶中学的科学学科称为《科学概论》（General Science），内容包含物理、化学、生物、地理中的科学部分与天文，此阶段并不分科，实施综合教学。若學生选择进入高阶中学，则三年内必须学习物理、化学与生物三科的分科内容，大学入学考试（国家考试）也包含各科学学科的考核。
上述美国、新加坡、马来西亚、泰国均多次参与PISA、TIMSS等国际大型教育调查项目，尽管各国的社会文化与教育情境不尽相同，但其科学素养培育措施都是围绕人才科技发展与竞争力的核心价值所在。这些国家分别从社会文化与教育环境的角度，制定更加完善的科学学习理论与实践架构支持下的培育课程体系，在一定程度上值得我国借鉴。
三、科学素养培育的影响因素及反思
PISA2015 还通过里克特量表测量了学生科学素养的影响因素，包括学生的科学乐趣、广义科学兴趣、科学自我效能感、功利性动机、成就性动机、考试焦虑、学校归属感等变量，以及动机、信念、参与等方面的变量。结果发现在我国参与测试的北京、上海、江苏和广东的学生中，个人态度和情感倾向方面的科学乐趣、广义科学兴趣、科学自我效能感、成就性动机较大的学生的科学素养较高。而学校环境、学习类型、教师满意度的影响不显著。近年来，国际教育研究领域越来越关注学习者本身对科学所持的动机或信念，而许多研究也指出这些动机或信念在学习者的学习历程中扮演非常重要的角色[2][3][4]。对于自己能否胜任科学活动，通常具有正面信念的学生对此类活动有显著偏好，更能全身心投入到活动中完成其学习任务，面对困难时较不易产生挫败感，也能增强其对于学习的自信。反之，若是认为自己无法完成科学活动的学生，往往会逃避其需要面对的学习任务，即使是被教师或家长要求，也常难有投注心力的意愿，遭遇困难时即会因为自己感受到的压力而放弃寻求突破的机会。[5]
因此，提升我国学生的科学素养，首先须改变教学观念，在教授科学知识与技能的同时，着重培养学生的科学兴趣和科学自我效能感。学者林、蔡和梁（Lin，Tsai，and Liang）发现具有“记忆”“准备考试”“计算与练习”的科学学习信念的学习者属于“被动接受型”，具有“增进知识”“应用”“理解”“以新的方式看待事物”的科学学习信念的学习者属于“主动建构型”[6]。 其中，蔡认为“准备考试”是亚洲重视考试文化下特有的类型，而“计算与练习”则反应出科学学科领域的独特性[7]。学者李、乔纳森和蔡（Lee，Johanson，and Tsai）[8]研究指出，当学生认为学习科学本身是“准备考试”时，其最主要的学习方式会倾向于浅层的学习方法（如背诵问题的答案）。因此，促进学习者从被动接受知识逐步转变为主动建构与探究是影响学生科学素养的关键。
其次，为了支撑这一转变，科学课程的完善与重整编排十分关键，因此形成以问题与主题为中心的科学课程体系以及突破学科壁垒建立跨学科科学教育体系的方法，值得我国借鉴。我国2016年公布了《中国学生发展核心素养》总体框架，在新一轮以核心素养为中心的教育教学改革中，从各学科素养和跨学科整合角度推进学生科学素养的培育，迈出了具有里程碑意义的一步。
最后，借鉴PISA的科学素养测评模型、测评要素和基于证据决策的科学依据，形成我国促进学生科学素养发展的标准化测评体系。科学素养是长期系统工程，基于各类“互联网+”网络学习空间，建立学生科学素养成长电子档案袋，对学生科学素养长期记录与追踪，不仅有利于学生科学素养的提升，还能提升我国科学教育决策的科学诊断。
参考文献：
[1]赵德成，郭亚歌，焦丽亚.中国四省（市）15岁在校生科学素养表现及其影响因素——基于PISA2015数据的分析[J]. 教育研究， 2017（6）：80-86.
[2]Hofer B K， Pintrich P R. The Development of Epistemological Theories： Beliefs about Knowledge and Knowing and Their Relation to Learning[J]. Review of Educational Research， 1997， 67（1）： 88-140.
[3]Schommer M. The Influence of Age and Education on Epistemological Beliefs[J]. British Journal of Educational Psychology， 1998， 68（4）： 551-562.
[4]Sinatra， G. M. Knowledge， Beliefs， and Learning[J]. Educational Psychology Review， 2001，13（4）， 321-323.
[5]Kiran D， Sungur S. Middle School Students’ Science Self-efficacy and Its Sources： Examination of Gender Difference[J]. Journal of Science Education and Technology， 2012， 21（5）： 619-630.
[6]Lin Y H， Liang J C， Tsai C C. Effects of Different Forms of Physiology Instruction on the Development of Students’ Conceptions of and Approaches to Science Learning[J]. Advances in Physiology Education， 2012， 36（1）：42.
[7]Tsai C C. Conceptions of Learning Science among High School Students in Taiwan： A Phenomenographic Analysis[J]. International Journal of Science Education， 2004， 26（14）： 1733-1750.
[8]Lee M H， Johanson R E， Tsai C C. Exploring Taiwanese High School Students’ Conceptions of and Approaches to Learning Science through a Structural Equation Modeling Analysis[J]. Science Education， 2008， 92（2）： 191-220.