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赵德成等:15岁在校生科学素养表现及其影响因素

浙江师范大学教师教育学院詹沛达、于照辉、李菲茗、王立君在《心理学报》2019年第6期刊文指出:科学素养是指作为一名有反思意识的公民所具有的解决科学问题和运用科学理念的能力。为实现在认知诊断中对科学素养的测评,本文基于PISA2015科学素养测评框架首次提出科学素养包含的三阶潜在结构,使用新提出的多阶认知诊断模型对PISA
2015科学测评数据进行分析,并通过模拟研究探究新模型的心理测量学性能。结果表明:新模型能够较好地分析包含三阶潜在结构的科学素养;科学知识对科学素养的影响最大,科学背景次之,科学能力的影响最小;全贝叶斯MCMC算法能够为新模型提供较精准的参数估计。

一个人的科学素养表现如何,在很大程度上影响其问题解决能力、经济收入及生活方式,并进而影响整个社会的技术进步与民主发展。

认知因素和非认知因素都会影响学生在教育过程中的各种素养能力习得,要获得良好的素养能力,除了强化认知因素外,非认知因素的从旁协作更是不可或缺。

PISA;科学素养;科学教育;核心素养;多水平分析

非认知因素;综合素养能力;核心素养;PISA;2015

原标题:中国四省15岁在校生科学素养表现及其影响因素

原标题:非认知因素对我国15岁学生综合素养能力的影响

作者简介:赵德成,北京师范大学教育学部副教授、博士生导师(北京
100875);郭亚歌,美国内布拉斯加大学林肯分校教育与人文学院博士生;焦丽亚,教育部考试中心评价处助理研究员(北京
100084)

作者简介:陈昭志,男,北京大学教育学院博士研究生,主要从事教育经济学、高校毕业生就业、教育效能研究,北京
100871

内容提要:一个人的科学素养表现如何,在很大程度上影响其问题解决能力、经济收入及生活方式,并进而影响整个社会的技术进步与民主发展。基于PISA2015数据对中国北京、上海、江苏、广东四省15岁在校生的科学素养表现进行分析,发现四省学生平均成绩为518分,在参加本轮测试的72个国家和经济体中排名第8名~16名;进一步采用多水平分析发现,不同性别、不同年级、城市与非城市的四省学生在科学素养表现上存在显著性差异,学生个体与学校水平上各有多种因素对学生科学素养表现具有显著的预测效应。我国要进一步加强科学教育,统筹课标、教材、教学、评价与考试、教师培训等多个环节,系统推进科学教育改革,从整体上提升青少年科学素养。

内容提要:认知因素和非认知因素都会影响学生在教育过程中的各种素养能力习得,要获得良好的素养能力,除了强化认知因素外,非认知因素的从旁协作更是不可或缺。为了解非认知因素如何影响我国学生科学、阅读和数学三方面的综合素养能力,文章基于PISA
2015的学生数据,首先用判别分析获得学生各领域的素养能力水平,加总计算出学生的综合素养能力后,再以层级回归进行实证分析,讨论非认知因素对我国学生综合素养能力的影响。研究发现,非认知因素中的成就动机、父母情感支持和学校归属感具有显著正向影响,而考试焦虑则是显著的负向影响。

关 键 词:PISA 科学素养 科学教育 核心素养 多水平分析

关 键 词:非认知因素 综合素养能力 核心素养 PISA 2015

一、问题的提出

赵德成等:15岁在校生科学素养表现及其影响因素。中图分类号:G44 文献标志码:A 文章编号:1674-23114-0080-09

进入21世纪以来,全球新一轮科技产业变革方兴未艾,科技创新正以超乎想象的速度向前推进,并深度融合到人类生产生活与社会发展的各个方面。[1]一个人的科学素养表现如何,在很大程度上影响其问题解决能力、经济收入及生活方式,并进而影响整个社会的技术进步与民主发展。[2]因此,关注学生科学素养表现,加强中小学科学教育,已成为当代教育的重要主题。

经合组织于2016年12月发布了每三年一次的PISA项目评估结果,和过去不同的是,此次PISA
2015是从我国北京、上海、江苏和广东共四个省市抽取受试者接受测评,相较于只有上海样本的PISA
2009和PISA
2012,该评估结果对我国更具有实务上的代表性。PISA项目不是为了选拔优秀人才,也不是以升学考试为目的,而是通过跨国比较的方式定位参与国的中等教育质量,据此改善教育不平等和促进教育长期发展。PISA内容包含了阅读、数学和科学三个领域,施测不以义务教育的课程为基础,也不以学科的复杂知识为中心,而是采用“素养”作为评估标准,受试者在每个领域的测试分数可换算成一到六的素养水平,水平越高代表受试者该领域的能力越好。

早期的科学素养定义受传统学习观的深刻影响,多关注个体对系列术语、概念和原理的掌握。[3]这种定义将科学素养局限于认知领域,受到许多质疑与批评。随着学习理论的丰富与发展,人们尝试基于对“素养”本身的理解定义科学素养。一个人有素养,通常指个体掌握了参与社会生活所必需的基本技能。将这种功能性理解借鉴到科学教育领域,研究者将科学素养定义为现代工业化社会中个体参与社会生活所必需的、对基本科学和技术构念的理解。[4]

在72个参与的国家/地区中,我国大陆、香港、澳门和台湾共四个地区参与了PISA
2015的项目,排除港澳台地区后,我国的科学平均得分为518,排名第10名;阅读平均得分为494,排名第27名;数学平均得分为531,排名第6名,将科学、阅读和数学领域的得分成绩换算成素养水平后,分别都属于水平三。值得一提的是,三个领域都第一名的新加坡,其三个领域的得分依序为556、535和564,但是换算为等级制后,各领域水平等级分别是三、四、三。[1]由此可见,选用原始均分或是能力等级两个不同指标解读PISA测评结果,将会得到具有差异性的结论。

在基础教育领域,由经济合作与发展组织统筹的国际学生评价项目也采用这种功能性定义,评价15岁青少年是否掌握参与社会所需的知识与技能。PISA测试每三年实施一次,测试内容涉及科学、数学和阅读,但每次测评都有不同的侧重点。PISA2015测试重点是科学素养。PISA2015将科学素养界定为一个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。PISA2015科学素养测试的结果已于2016年年底正式公布,受到国内外教育界乃至社会各界的广泛关注。北京、上海、江苏和广东四省以中国部分地区联合体名义参与了这轮PISA测试,那么中国四省15岁在校生的科学素养整体表现如何?在各维度上的表现怎样?影响学生表现的因素有哪些?基于PISA2015公开数据对上述问题进行实证分析与讨论,在学生发展核心素养培育备受关注的时代背景下,无疑具有特别重要的现实意义。

回顾国内有关PISA的教育研究,主要都是基于原始分数进行质性或量化的研究,很少从素养能力水平的角度深入探讨。[2][3][4]以能力水平而非原始分数看待学生的素养能力,一方面能避开斤斤计较的传统分数陷阱,另一方面更能有效讨论教育的成效。同时,和原始分数相比,不同领域的等级指标具有等价性和可加性,能加总获得受试者的综合素养能力。还须说明的是,PISA项目受试者除了素养能力的测试外,还调查了他们的个人背景、家庭背景、学习投入、成就动机和情感支持等情况,这有助于我们进一步讨论他们综合素养能力高低的深层次影响因素。

二、研究方法

PISA项目主要是从教育效能理论分析教育投入和教育产出之间的关系,偏重以学校的教育投入解释学生的教育产出。有别于PISA项目的研究视角,本文将聚焦在非认知因素对我国15岁学生综合素养能力的影响,非认知因素源于心理学研究,之后被广泛应用在教育的相关研究上。近年来的研究指出,除了基本的认知因素外,有必要再从非认知因素着手,更全面地讨论学生各项能力的影响因素。[5]基于PISA项目在非认知因素上的问卷设计,本研究将从以下四个非认知因素入手:成就动机、家庭情感支持、学校归属感和考试焦虑,分析它们对学生的科学、阅读和数学等综合素养能力的影响。

数据来源

本文使用PISA项目数据研究我国15岁学生的综合素养能力表现,着眼在动机、情感和焦虑等非认知因素的影响,在研究的过程中,为了真实有效评估非认知因素的影响作用,置入了学生的背景因素和认知因素等协变量加以控制,通过严谨的计量分析模型得出具有信度和效度的实证结果。最后,依据实证研究的结果提出政策建议,从而为我国教育事业的可持续发展做出贡献。国内在非认知因素和学生综合素养能力的深入研究较少,因此本研究具有重要的价值和现实意义。

OECD在2016年公布PISA2015测试报告后,将数据、编码表及技术报告等在官网上予以公开。本研究从中选取中国北京、上海、江苏和广东四省的数据进行深度分析。在国际比较部分,我们还援引了PISA2015报告第1卷“教育中的优异与公平”中的其他高分国家,经济体学生的表现数据。

一、样本及变量说明

PISA2015采用分阶段抽样、概率比例抽样与简单随机抽样等多种方法,从1507518名就读于四省各类教育机构(包括普通教育与职业教育、全日制与非全日制、公立和私立等各种类型)七年级及以上年级的15岁(15周岁3个月至16周岁2个月)在校生中,选取9841名学生参加了科学素养测试并填写了相关问卷,加权后的被试人数覆盖了96%的目标群体。此外,268所学校的负责人、2410名科学任课教师和3880名非科学任课教师也填写了在线调查问卷。

样本说明

变量选取

PISA项目的受试群体是该年度15岁满3个月至16岁满2个月的学生,抽样方法采取分层随机抽样的方法,先将含有15岁学生的学校以PPS抽样法(Probability
Proportionate to Size
Sampling)抽取合适的学校样本,被选中的学校提供15岁学生名单,再从中随机抽样选出35~40名学生施测。被PISA项目选取到的学校,除了会让学生在测评前填写学生问卷外,还会让该所学校的校长和教师分别填写学校问卷和教师问卷,从而获得更多学生在受教育过程中的信息情况。

本研究先描述中国四省15岁在校生的科学素养表现,然后采用多水平分析从学生个体与学校两个水平上探讨影响在校生科学素养的因素,选取的变量如下。

本文所使用的数据来自PISA
2015的中国大陆学生数据,必须说明的是,本研究所关注的非认知因素全部属于学生层次的因素,而作为控制变量的背景因素和认知因素,也不包含学校层次的因素,因此只选择学生数据进行实证分析。我国共有266所学校和9841名学生参与此次测评,这些学校分别来自北京市、上海市、江苏省和广东省,抽样样本的母群体即为这四个省市所有15岁学生。在样本的性别比例上,男学生有5159人,女学生有4682人,分别占比52.4%和47.6%,在年级的分布比例上,原始问卷有七个选项,本研究将其简化处理为初中二年级以下、初中三年级和高中一年级以上,分别有761人、4813人和4267人,各年级的人数占比分别为7.7%、48.9%和43.4%。

1.学生科学素养测试成绩

因变量说明

PISA2015不仅提供了学生在科学素养测试总量表的得分,还从能力上分“科学地解释现象”、“评价和设计科学探究”、“科学解读数据和证据”三个分量表,从知识形式上分“内容性知识”、“程序性知识和元认知知识”(因为元认知知识题目过少,所以与程序性知识合并)两个分量表,从知识内容上分“物理”、“生物”、“地理与空间”三个分量表报告学生的得分。测试成绩经等值化处理,以2006年OECD国家在PISA科学素养测试中平均分为500分、以100分为标准差转化而成。

每位受试者在PISA
2015的各领域成绩是以Rasch模型估计出十个“拟真值”(Plausible
Values,PV)。PV是在估计学生能力时,除了考虑学生答题反应外,再加入相关背景变量估计学生能力值的概率分布,从中随机抽取能力值,呈现学生该领域分数的可能范围。在PISA
2015原始数据中,阅读、数学和科学都各有10个PV值,研究者通过PISA设定的各领域素养水平分类标准,采取判别分析(Discriminat
Analysis)的统计方法,估计出每个学生该领域的素养水平。判别分析是将各个自变量予以加权后得出判别函数,依据此函数区分出具有不同性质的组,然后预测个体到应所属于的组别。判别函数的表达式如下:

2.影响科学素养表现的学生水平变量

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PISA2015学生问卷在收集学生的社会人口学变量的同时,还测量了学生在动机、信念及参与等方面的非认知表现。基于PISA问卷框架[5]及相关研究的发现[6],本研究在社会人口学变量中选取了学生的性别、年级,以及学生家庭经济、社会和文化地位指数;在非认知表现中选取了以里克特量表测量的工具性动机、成就动机、广义科学兴趣、科学乐趣、科学自我效能感、考试焦虑及学校归属感等变量,以及以频率量表测量,反映学生收看科学电视节目、借阅科学书籍、参加科学俱乐部等参与科学活动频率的科学活动参与指数。这些非认知变量均为连续变量。