基于心智状态的小学教育专业师范生科学素养的培育

赵书栋

（肇庆学院 教育科学学院，广东 肇庆 526061）

随着我国教育改革的纵深推进，高校逐渐重视对师范生综合素养的培育。科学素养作为综合素养的重要组成部分，直接影响到小学教育专业师范生未来从事基础科学教育的质量。有效培育小学教育专业师范生的科学素养，有其现实性和必要性，值得深入探究。

一、问题的提出

由于我国基础科学教育发展相对落后，小学科学教师的科学素养难以满足基础科学教育的现实需求。《中国义务教育质量检测报告》（2018）调查显示：小学科学兼任教师比例高达85.4%[1]。《中国义务教育质量检测报告》（2021）调查也显示：小学生科学学习兴趣和学习自信心都有待提高，小学科学教师探究教学水平高或较高的比例为52.4%[2]，但尚有大部分科学教师的探究教学水平有待提升。《中国科学教育发展报告》（2017）调查显示：我国小学科学课程教学仍然偏重于内容性知识的传授，学生科学理解能力、科学探究能力、科学思维能力达到中等及以上水平的比例偏低[3]。

当前，尽管高校小学教育专业师范生整体上是崇尚科学的，他们对学习科学持积极的态度，对提高自己的科学素养充满期待[4]。但在生源类别上因有文科生和理科生之分，他们因接受自然科学教育的程度不同，对自然科学知识的掌握程度存在明显差异。同时，高校自然科学基础课程在教学过程中存在如下问题：教学过于强调理论，授课形式单一；课程学时有限，课程内容较多，实验常被挤压或通过视频呈现；师范生较少进行项目式的合作学习和科学探究，被动接受科学知识，作业受限于教材；师范生心智投入低，兴趣偏低，学习目标不明确，缺乏主动思考，对科学知识的掌握停留在表面，不能形成深度认知；课程评价以课堂考勤和期末测试为主，评价结果偏重科学知识的传授，而忽视了科学能力的形成。“唯知识教育”的片面性，过多地倚重教材，缺少情境性的实践和学科思维的训练，致使他们的专业视域和能力发展受限。

近年来，国家越来越重视师范生培养的质量。中共中央、国务院于2019年提出的《关于深化教育教学改革全面提高义务教育质量的意见》，倡导深入探索基于学科的课程综合化教学，开展研究型、项目化、合作式学习等改革，为师范院校变革人才培养模式提供了方向。教育部从2016年颁发的《中国学生发展核心素养》，到2017年颁发的《普通高等学校师范类专业认证实施办法（暂行）》，再到2022年颁发《义务教育科学课程标准》等系列文件，对完善小学科学教师人才培养方案，加强小学教育专业自然科学课程建设提供了重要参考。

因此，开展高校小学教育专业师范生科学素养的培育研究，对小学教育专业师范生培养模式变革以及小学科学教师人才队伍建设都具有重要的现实意义。

二、心智状态理论和科学素养内涵

（一）心智状态理论

具身认知（embodiment of cognition）理论认为，认知是一种具身的活动，这种活动与个体的生理、心理和文化因素紧密联系在一起[5]。心智的形成既不能离开身体的体验，也不能脱离现实的环境。Chi从知识本体论出发，将心智状态作分为“情绪的”和“意图的”两个类别[6]。刘嘉茹和侯依伶的研究显示，个体的学习成就与其内外在心智表征有显著的关联[7]。刘嘉茹和侯依伶进一步对心智状态细分为情绪、意图、内在的知识表征和外在的心智表征等类别，外在心智表征包括解题运用、命题判断等分维度；内在心智表征包括心像形成、知识存疑、知识的转换和连结、疑惑处理等分维度。

学习者的学习过程就是个体建构概念表征系统的过程，心智状态能够揭示学生心理过程的具体细节，它对实践教学具有重要的意义。单一的学业测评结果不能够全面映射出学生的心理认知过程，也不能分门别类地表征学生对课程不同维度知识的掌握情况。教师有必要深入挖掘学生理解问题或看待问题的心理表征结构——心智状态，帮助他们建构课程知识框架，有助于他们对课程知识体系的内化，最终形成应有的素养。

（二）科学素养的内涵

“科学素养”最早出现于美国。20世纪90年代后，美国科学促进会（American Association for the Advancement of Science，简称AAAS）于1989年提出的科学教育改革2061计划，以培养具有科学素养的公民作为当代科学教育的努力方向。美国国家研究理 事 会（National Research Council，简 称NRC）（1996）公布的美国国家科学教育标准（National Science Education Standards，NSES）对科学素养给出了定义：一个人能运用对科学概念和科学过程的知识和理解来处理诸如个人做决定、参与文化事务和经济方面的生产活动事务等[8]。经济合作暨发展组织（Organisation for Economic Co-operation and Development，简称OECD）认为科学素养是运用科学知识，确定问题和作出具体证据的结论，以便对自然世界和通过人类活动对自然世界的改变进行理解和作出决定的能力[9]。Jon Miller提出的科学素养概念包括：科学术语和概念（即科学知识）、科学原理和方法（即科学本质）、“科技对社会影响”的意识和理解三个层次[10]。郑长龙和于志民两位学者认为科学素养是一个整体，具有一定的结构，包括：科学兴趣、科学知识、科学方法和科学思想等四要素[11]。曹宝龙认为“科学素养”是作为一个反思型公民所需要的致力于科学相关问题和科学概念的能力[12]。科学素养是一个动态发展的概念，科学素养不再局限于对物理、化学、生物等学科重要概念和原理的掌握，还蕴含着理解数学、技术、社会科学范畴的相关知识、概念和规则，以及运用科学知识发现问题和解决问题的能力，其内涵也随着时代的进步在不断发生变化。

在我国，“科学素养”也称“科学素质”，它既是科学教育的目标，也是科学教育的理念。2014年3月，中国教育部发布的《关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见》明确指出，发展学生核心素养是落实立德树人工程十大关键领域的首要环节，核心素养也是作为研究学业质量状况、修订课程方案和课程标准的依据。林崇德在综合核心素养国际比较研究结果的基础上，对我国基础教育阶段35门学科课标进行了统计，其中被提及频率最高的素养是学习素养，其次是语言素养和科学素养（1 000次左右）[13]。当前，国家把学生核心素养的培育放到了一个前所未有的高度，有效培育学生的科学素养是当前我国推进科学教育改革的重要内容。

自20世纪60年代以来，许多研究者们致力于开发测评个人或群体科学素养的工具。李秀菊和陈玲通过整理国外青少年科学素养测评工具发现，在国际组织机构开发的评量工具中题型多样，以封闭的多重选择题和建构反应试题为主，主要采用计分的方式来评量科学素养的不同维度[14]。Miller和其他学者给科学素养界定了一个二维测量标准，一个维度是测量理解基本科学概念的能力，另一个维度测量探索科学本质（包括实验和假说验证等）的能力[15]。PISA2015提出的评量框架包括科学知识、科学能力和科学态度三个维度，科学知识包括内容性知识、程序性知识和认知性知识，科学能力包括解释科学现象、评量及设计科学探究和诠释科学数据及举证科学证据，科学态度维度主要是指科学兴趣、思考与探究习惯等[16]。PISA的评价标准不仅关注问题的结果，也关注学生对科学过程的理解和思考，PISA科学素养测评指标和Miller的二维科学素养测评指标，二者具有内在的一致性，都反映出科学素养的综合性、多维性，不仅强调对不同生活情境中科学知识的理解，也强调对科学知识的应用与现实问题的解决。

三、研究设计

研究对象为Z校小学教育专业师范生，共317人，其中男生66人，女生251人；文科生174人，理科生143人。主要通过编制心智状态调查问卷、发展学业成就测评试题的方法进行研究。

本研究编制心智状态调查问卷主要是依据刘嘉茹和侯依伶对心智状态的分类方法[7]，把心智状态细分为情绪、意图、内在心智表征和外在心智表征4个维度，内在心智表征包括疑惑处理、心像形成、知识存疑、知识的连结与转换4个分维度，外在心智表征包括命题判断和实践应用2个分维度。调查问卷采用Likert五点评定方式，从完全不符合到完全符合，依序给予1分至5分，以此反映受测者对各题项陈述的符合程度。为保证量表的效度，邀请高校教育领域资深教师2名，小学科学教育专职教师3名和小学教育专业师范生3名，分别对初拟的65道题目进行审查；并经过心智状态调查问卷的预试，对各题进行遗漏值检验、平均数、变异数、偏态系数、高低分组独立样本t考验、修正后题目与总分值相关性、删除该题后的α系数变化等指标进行评判和项目分析，对调查问卷的题目进行删减和修改，最终确定心智状态调查问卷共33道题目，各维度题目数和释义如表1所示。各分维度一致性信度系数α都介于0.729至0.881之间，总量表信度α值亦达0.911。上述结果显示，本研究所发展的心智状态调查问卷具有良好的效度和信度。

表1 心智状态各维度释义

学业成就测验试题的编制，主要依据PISA2015提出的评量框架，主要评量科学知识和科学能力2个维度，科学知识包括内容性知识和程序性知识，科学能力包括解释科学现象、评量及设计科学探究和诠释科学数据及举证科学证据等。根据《自然科学基础》课程教学目标，编制出学业成就测验试题，题型及分值分配如表2所示。学业成就测试题平均鉴别度和难度值分别为0.29和0.76，根据余民宁对鉴别度指数良劣程度范围的定义，均在可接受范围之内[17]。

表2 《自然科学基础》课程学业成就测验题目与评量维度对照表

四、研究结果

（一）师范生在课程学习前的心智状态和科学素养状况

小学教育专业师范生在心智状态调查中的平均得分最低值为2.61。平均得分在2.61～3.99分之间的师范生归为中等心智状态组（简称为M-state），共有209人；平均得分在4.00～5.00分的师范生归为强心智状态组（简称为H-state），共有108人。小学教育专业师范生在心智状态上的整体平均得分为3.80，得分较高。其中内在心智表征和外在心智表征平均得分分别为3.66、3.64，情绪向度平均得分4.01，意图向度平均得分最高，为4.42。

他们无论是在科学知识方面还是科学能力方面，学业测评的得分都偏低，整体得分率仅为41.56%。在不同知识领域和不同背景变项上，小学教育专业师范生个体之间差异明显。譬如，在地球与宇宙科学领域、科学本身与跨学科2个维度得分率偏低，分别为38.40%、39.20%，在生命科学维度得分率偏高，为47.35%；女生在科学能力上的得分显著高于男生，t=3.304，p=0.001；理科生的学业成就显著高于文科生，t=2.818，p=0.005。

（二）师范生在课程学习后的心智状态与学业成就状况

课程学习后，师范生在M-state组人数达143人，与学前M-state组209人相比，减少66人；强心智状态组人数达174人，与学前H-state组108人相比，增加66人。心智状态总体平均得分为4.00，较学习前的3.80有所提高；内在心智表征和外在心智表征平均得分分别为4.15和3.85，较学习前的3.66和3.64都有所提升；情绪维度平均得分3.84，较学习前的4.01有所降低；意图维度依旧最高，为4.28，但稍有降低（学习前为4.42）。

师范生学后学业成就得分与学习前相比有很大的提升，93.69%的师范生达到中等或以上水平。其中待提高（成绩低于60分）人数为20人（占比6.31%）、中等（成绩在60～69分之间）人数为89人（占比28.08%）、良好（成绩在70～79分之间）人数为136人（占比42.90%）、优秀（成绩在80～100分之间）人数为72人（占比22.71%）。在科学知识维度上，男生的得分略高于女生；而在科学能力维度上，女生的得分略高于男生；但他们在科学知识，科学能力以及整体成就的得分上皆未达到显著差异。理科生在各维度的平均得分都高于文科生，其中在总的成就测验（t=1.999，p=.046）和科学知识维度（t=3.261，p=.001）皆达到显著，在科学能力维度上没有达到显著差异。

结果显示，H-state组师范生和M-state组师范生在科学能力维度上的差异达到显著，t=3.728，p=0；他们在学业成就整体得分上的差异也达到显著，t=3.159，p=0.002。师范生的心智状态与学业成就之间存在显著的相关，p=0.001，r=0.180，表明在《自然科学基础》课程学习的过程中，小学教育专业师范生科学素养的获得与其心智状态密切相关。

五、结论与讨论

（一）结论

首先，小学教育专业师范生的心智状态和学业成就密切相关，他们在《自然课程基础》课程学习过程中的心智状态直接或间接地影响到他们最终所取得的学业成就。学业成就能够表征小学教育专业师范生对课程知识的掌握程度和解决科学问题的能力表现。但评量分数并不能够完全映射出他们对课程知识内化的心理过程。心智状态从心理认知的视角衡量了个体对课程学习的动机，对知识体系的加工处理以及输出方式等，揭示了小学教育专业师范生在课程学习过程中心理表征的具体细节，较为客观地反映了他们对课程知识体系的建构机制，该结论与刘嘉茹等学者的研究结果较为一致[7]。心智状态和学业成就是评价个体对课程知识体系掌握和运用情况的2个重要维度，将两者有机结合起来，将有助于进一步挖掘个体理解问题或解决问题的内外心理表征结构，并为他们认知上存在的困难寻找根源。

其次，从师范生心智状态的表现来看，内外心智表征是实现课程知识内化和运用的根本，通过多种形式的实验教学和实践操作，并结合理论知识是提升他们科学素养的重要途径。这是因为多种课程教学模式的应用能够促使师范生持续维持较高的学习情绪和意图，并产生积极的能动性。就学科教学价值而言，学科内部及学科间的有机整合旨在打破碎片化、浅表化的知识结构，建立系统的学科知识体系[18]。以核心概念为主轴，立足于长期、持续、渐进式进阶的核心概念教学，是一种有效的组织课程教学方式[19]，科学核心概念是即基于事实，又是科学方法、科学思想以及科学观念抽象概括出来的观念性知识[20]。以科学大概念为核心的《自然课程基础》课程教学内容，即运用“少而精”的教学原则统整课程内容，依据知识情境选择合适的表达方式，通过新颖、直观、体验、操作的教学方法激发师范生学习的兴趣和意图，将有助于他们在心理认知中建构科学知识体系，促使他们把实验现象、先备知识、科学理论和科学实践之间相互产生连结，达到对科学知识的深度理解，最终掌握科学的本质。

最后，依据小学教育专业师范生的个体差异，开展多元化和多维度的课程教学评价是《自然科学基础》课程因材施教的重要保障。学业成就评量和心智状态调查有机结合起来，能够帮助教师准确了解影响课程教学的内外因素和获得课程完善的阶段性反馈。依据对相关因素和反馈信息的综合分析，任课教师要结合师范生个体差异而选择恰当的课程教授方式，将有助于课程教学目标的实现。譬如针对部分师范生动手实践机会少，运用实物模型制作、创新性科学实验、社会性科学议题探讨等形式，把科学的直观和抽象结合起来，提升他们对科学知识的感知、兴趣和内在驱动力。《自然科学基础》课程的目标是培育师范生的科学素养，学业测评不仅应包括师范生对科学知识的掌握，也应包括师范生应具有的科学能力。学业测评不仅是结果性的评价，也应是反映他们在不同“素养”维度上的过程性评价。因此，对学业测评的科学评量还需有机结合小学教育专业师范生在课程学习过程中的心理机制，即心智状态，才能有助于在教学实践中灵活应对，进而促进教学目标的达成。

（二）讨论

各国对科学素养在三个关键成分上均达成了共识，即理性思维、批判质疑与科学探究[21]。如何有效培育小学教育专业师范生的科学素养值得每一位教育工作者深入探索。简而言之，科学知识是基础和保障，科学能力是科学素养水平的综合体现。任课教师是课程的引导者、参与者、合作者，以小学教育专业师范生作为学习的主体，并基于他们的心智状态对其学业成就进行多维度评量，是实施有效课堂教学的需要，也是对师范生教育从关注“结果”到关注“过程”的转向。

通过对小学教育专业师范生实施《自然科学基础》课程的核心概念为理念的教学，他们大多数人掌握了该课程的基本科学知识，具备了解决实际问题的科学能力，基本上达到了师范生应具备的科学素养。但因生源背景、性别等因素的差异，他们在《自然科学基础》课程学习上的心理机制是明显不同的。作为承担基础教育师资培养工作的教育工作者,只有依据小学教育专业师范生的现实需求，正视他们的生活经验与能力差异，把握好他们的心智状态水平，充分挖掘校内外的资源优势，形成全员育人、全方位育人之“大环境”，为他们创造良好的学习情境和调动他们对课程学习的动机，将十分有助于他们维持高水平的心智状态，进而培育他们应有的科学素养。如何使《自然科学基础》课程和其他专业课程有机结合起来，更有效地提升小学教育专业师范生的综合素养，还需对他们开展更深入的调查研究。