找出他们真正的想法：评估非科学专业对科学本质的看法
原文作者：Bernhard Beck-Winchatz and Ruben D. Parra 单位：DePaul Uiuversity
摘要：随着高校越来越为学生的学习结果负责，教师面临着清楚地阐明和评估学生在课程中应该学习什么的挑战。笔者报告了一个与科学本质相关的通识课程的学习结果评估，涉及了芝加哥保罗大学41个非科学专业的178名学生。学生们观看一位科学家的访谈录像，然后根据提示回答可验证实验的预测性，不确定性以及假设、观察和推理的作用。笔者发现学生对科学本质有着大量的看法和错误概念。平均而言，学生的回答处于“发展中”的水平（按照1-4的范围来算得分为2）。通过阅读相关的科学教育和研究的文献，笔者讨论得出了一些课程和教法的改变，用以纠正学生的错误概念。
关键词：主动学习； 评估； 学习结果； 通识教育； 科学本质； 非科学专业； 教学方法
为了展示学生所学习的内容并证明学生在毕业后能找到工作，学院和高校处于越来越大的压力之下。这股压力来自于三个方面：质疑准备工作的应届毕业生能力的商界领袖；必须决定如何分配稀缺财政资源的决策者；以及想要为学费获得更好回报的学生和家长。作为教师，经常被高校要求参加评估项目，这作为为高校服务的一部分。参加评估项目也给教师提供了平台，可以讲讲学生应该学什么，也允许教师向管理者解释和捍卫自己的课程与教学。这里，笔者汇报其中一个学习结果评估——德保罗大学的科学探究领域（SID），这也是大学通识教育项目的六个学习领域之一。
值得注意的是此项目所用的研究方法和研究结果的使用范围远远超出保罗大学的科学探究领域。例如，我们的评估工具由视频、文字、提示和规则组成，能够较好地适用于其它学科和学习结果。此外，在这项研究中还发现的一个特别显著的结果：学生对科学本质和科学过程拥有着多种多样的错误概念。我们的研究支持“单独学习科学内容并不一定导致对科学本质的理解”这种观点。调查是否类似的二分法也存在学生理解的非科学学科中的内容和性质探究中将是非常有趣的研究。最后，我们在这篇论文中所讨论的几个教与学的策略，例如及时教学和面向过程的引导探究式学习已经适用于其它学科。
1研究目的
此项评估的研究目的是为了帮助提高保罗大学非理科专业的科学课程的教学质量。我们开发了一个评估工具，用于评估“学生理解现代科学思想的主要指导原则”的学习结果，识别普通学生的错误概念，参考了科学教育文献提出的改变课程和教学论来解决这些错误概念的建议。我们对学生关于基本观念“以科学为基础的知识”的看法特别地感兴趣：科学知识是如何产生的？是什么使科学知识能够持久的，它又是怎样改变的？科学家如何确定一个科学解释是可信的？科学知识又是怎样作用于公共策略呢？这些问题作为科学本质的一部分经常被提及（NRC 1996, NRC 2012, Rutherford and Ahlgren 1989, Lederman 1992, McComas 2004, Abd-El-Khalick, Waters and Le 2008）。科学家和科学工作者都意识到作为文科教育的一部分，理解科学本质概念的重要性。例如，根据美国高等学校协会的研究，深入了解自然领域的探究实践是通识学习（AACamp;U 2004）的重要学习结果。国家科学教育标准（NRC 1996）指出公共辩论越来越多地受到科学主张的影响。为了能够有效地参与民主政治，公民必须了解科学主张的本质。《面向全体美国人的科学》（Rutherford and Ahlgren 1989），对有科学素养的公民应该知道的科学本质（NOS）提出了具体的建议。在评估项目中，笔者集中于来自《面向全体美国人的科学》的三个关键概念：
1.科学解释与预见。科学理论的可信性常常在于它能显示以前不相关现象间的内在联系；也就是说，理论应该具有预见性。
2.科学理念是会变化的。无法获得尽善尽美和绝对正确的真理，因为无论一种理论对一组现象的解释是多么完美，但是可能还有其他理论同样适用，甚至更好，或适用范围更广泛。
3.所有的科学学科都依赖于证据，假说和理论的运用，以及逻辑推理。制定逻辑上合理的假说并用观察测试假说的过程是科学家的核心活动之一。
2 研究方法
评估工具由三个部分组成：记者和化学家Mario Molina（马里奥莫利纳）之间的假想采访；跟采访相关的三个学生提示；整体性量化学生回答的得分。假想采访的剧本是基于臭氧耗竭的论文：Gilet（2007）发现了发胶的隐患，论述了氟氯烃（CFCs）对地球臭氧层破坏的理论发展。
这三个解决以上所列出的来自《面向全体美国人的科学》的科学本质（NOS）概念的提示分别为：提示1侧重观点“一个科学的假说为了被广泛地接受，必须能显示以前不相关现象间的内在联系”；提示2是关于“科学知识既是可靠的也是暂时的”的观念：如果一个假说的预测能够被观测所证实，那么科学家从中获得更多的信心，但是没有数据能够证明假说是正确的。提示3聚焦于在科学探究中，假设、实验证据和逻辑推理的作用。
记录学生回答分数的整体性量规根据学生表现可分为四个水平（分数1-4）：开始（1）、发展（2）、可行（3）和完成（4）。在进行项目评估之前，我们在两节课中测试量规，这两节课并不是项目的一部分，只是用于确保内容能够覆盖所有可能的学生回答，并且不同的记分员能够一致地运用它。
越来越多的大学生包括存在一定学习障碍的学生和英语学习者（Horn, Peter and Rooney 2002）都对阅读理解有困难。例如，这些学生可能难以识别文章的主要观点，或者也可能阅读速度较慢（Orr and Hammig 2009, Abedi 2004）。如果评估仅仅是基于纸质上书面内容的信息，那么阅读能力差的学生将会出现显著的缺点，因为他们需要在短时间内阅读内容并且对提示做出回答。因此，为了尽量减少阅读能力对评估结果的影响，笔者也记录了一段采访的视频。
面试的内容，录像，提示以及指示都能够在http://goo.gl/1Q3Z7网址中下载。
3研究过程
2012年春，保罗大学提供了由106位不同的导师教授的62门有SID学分的课程。为了获得具有代表性的样本，笔者邀请了10位随机选择的导师，其中有8位同意参加此项评估。由于笔者的目标就是评估参加科学课程作为通识教育选修要求的非科学专业学生，因此排除了主要是为了科学专业学生开设而非科学专业的学生也可以参加选修学分的课程。例如，普通生物学、普通化学、普通物理学，这些分别为生物、化学、物理的专业必修课。在2012年3月的两周时间内，笔者参观了8位导师所开授的八门课程。搜集了有SID要求的保罗大学这八门课程中来自41个专业的178名学生所生成的回答。两个学院不要求他们的学生参加SID课程。这些学生大多数来自于三个专业，其中人文社会科学专业占28%，工商专业占24%，通信专业占21%。此项研究的60%参与者都参加了由科学与健康学院所开的课程；其余的40%参与者分别参加了人文艺术和社会科学学院以及计算机与数字媒体学院所开的课程。
在每个课堂观察的开始，笔者就告知学生想要他们参加一个保罗大学为了维持其认可度需要完成的科学探究领域学习结果的评估。我们让学生知道，他们的参与是自愿的，并且评估结果是匿名的，不会用来评估学生个人或者教师的。每位学生都会拿到一个访谈内容的印刷本，并被随机分配到三个提示中的其中一个。在观看了访谈录像之后，学生们拥有7分钟的时间对提示做出书面回答。观察结束后，笔者对学生们的参与表示感谢，并告诉学生如果他们有补充的问题或者相关的事情可以联系观察者。
科学探究领域咨询委员会的成员会为这178名参与者打分，这些成员分别来自终身和终身学，数学，计算机科学和教育学院。每一个回答都由两位成员独立评估。如果两位成员的评分差异小于0.1分甚至更少，最后的得分则取这两个分数的平均分。如果评分相差超过0.1分，则请第三位成员进行打分，决定最终的分数。提示3由三个小提示组成，每个小提示单独打分。如果三个单项分任意一项打分差异超过0.1分，则请第三位成员进行打分，决定最终的分数。表一呈现了两个成员对参与者回答的打分差异等于或小于确定值的百分比。例如，提示1-3的打分中，46%的打分是相同的，96%的打分相差一分或者更少。
4研究结果——普通学生回答分析
4.1提示1
学生被要求解释“当Molina首先提出“氟氯烃与臭氧损耗的联系”的假说时，为什么没有被科学界广泛接受，即使这个假说在逻辑上是一致的，和当时已知的所有事实也是一致的”。大多数学生都正确地指出，主要原因是由于在20世纪70年代早期缺乏数据证明假说。Molina需要根据他的假说进行预测，假说也必须通过实际数据的确认；几个学生认为是由于其他科学家需要独立地测试假说，并与Molina得出相同的结论。此外， 笔者去掉了对臭氧层的消耗的其它可能的学生解释。
此外，参与者的回答也揭示了许多学生把政治、经济、社会支持活动和科学家之间的共识要求混淆了。例如，几个学生写到Molina的假说之所以尚未被广泛接受是因为与政治利益和商业利益相冲突。因此，为了使得假说被接受，Molina需要证明假说有利于整体经济，以及接受假说的好处高于风险。科学家也需要找到方法向非科学家解释假说以及臭氧损耗的后果，从而使假说获得广泛的接受度。有些学生认为Monlia的假说没有被接受是因为种族歧视，或者是由于他在科学界没有权威。关于提示1的回答，55名学生的平均分在2.2士0.7。（2.2是平均分，0.7是标准差。）
4.2提示2
学生被问及“政府在科学家完全确定氟氯烃对臭氧层的破坏后再采取行动是否合理”。58名参与学生中只有3位学生的回答正确的指出，完全地确定一个科学假说是正确的是不可能的。无论有多少证据与假说相一致，同样的证据也可以与其它假说相一致，一个不同的证据是有足够的理由否认这个假说的。有几名学生回答政府不应该等到科学家完全确认后再行动，但是认为假说不被认可的原因是由于有些科学家无论对什么证据都持反对意见。
很多学生认为政府等到完全确认后，采取措施是非常重要的。如广泛禁止使用氟氯烃，会产生毁灭性的经济影响以及造成很多失业。在完全确定之前采取措施其实也有可能是浪费时间、金钱和资源。许多学生认为，政府在完全确认前采取措施是否合理主要取决于所涉及的风险。有趣的是，是否在高风险或低风险的情况下，不确定性更能接受采取措施，学生被分割成两派。几个学生认为，如果风险很高，政府等待完全确定后再采取措施以避免采取错误的措施就很重要，然而在没有迫在眉睫的威胁下一些不确定性是可以接受的。某些学生认为，如果对人类健康和环境安全存在可确定的危害下，我们不应该浪费时间，在即使没有完全确认的情况下行动，反之在风险很小的情况下我们应该等待完全确认再采取措施。有些学生补充说，在没有完全确定的情况下，政府也应该继续研究获得确定的结果以便及时采取措施，同时如果有必要可以之后再撤销行动。几个学生指出，如果科学家在没有完全确定的情况下提倡行动，并且政治家做出错误的决定，那么对他们的职业生涯将会产生消极的影响。在提示2中，58名学生回答的平均分为1.5士0.5。
4.3提示3
学生被要求“从采访中分别提出一个假设，观察以及逻辑推理运用相关的例子，并且对自己的选择做出解释”。大多数学生正确地指出Monlia的假设——氟氯烃与大气臭氧层损害有关。但是，可以明显地看出大部分学生只是把假设仅仅当作猜测。极少数人意识到Molina的假设包括了氟氯烃如何破坏臭氧层的具体解释，并且这种解释是基于背景知识，逻辑和初步观察的。一些学生写到氟氯烃与臭氧层的破坏有关只是一个严谨的假设，因为Molina至今还没有一个很好的解释，因此不能不进行猜测。
大多数学生能正确指出，对高空中的氟氯烃和臭氧含量进行测量可以作为氟氯烃对大气层破坏程度的一个观察例子。极少数学生能够正确地解释观察在检验科学解释中的作用。这些学生说，如果观察证明到达上层大气的氟氯烃的量与Monlia所预测的结果相同，则说明假说更值得信赖。
很少的学生能够找出Monlia和其他科学家进行逻辑推理的例子，从而建立氟氯烃与臭氧有关的联系。很多回答揭示了在科学探究中关于逻辑推理的作用的前概念。例如，学生混淆了一定要遵循一套前提的结论与可能是有益的也可能不需要逻辑的政治行动和政策变化。例如，很多学生认为由于氟氯烃破坏臭氧，因此禁止使用是合理的。提示3中，65名学生回答的平均分为2.1士0.5，其中，三个子提示假设的平均分分别为2.1士0.5，观察为2.2士0.8，逻辑推理为1.9士0.8。
表2中显示了回答的等级，按顺序可排成：开始（S lt; 1.5），发展（1.5lt;Slt;2.5），可行性（2.5lt;Slt;3.5）和完成（Sgt;3.5）。表3显示了提示三单项分的相应分布。
学院的平均分比较显示，差值小，无显著差异。来自八个代表性学院的专业学生的平均得分不等，从人文艺术和社会科学学院学生的平均分2.2士0.8到通信学院低的平均分1.7士0.5。其中由人文艺术和社会科学学院、科学与健康学院、计算机与数字媒体学院等部门所提供的课程分数分别为2.1士0.8，1.9士0.6和1.8士0.5。
5讨论
研究结果揭示了引导科学思想的主要原则中的大量的看法和错误概念。学生在科学的确定性和逻辑推理的概念上存在很大的困难。科学知识是难以确定的，大多数科学方法迟早会显现出不正确或不完整。目前公认的真理还没有被证实；它们只是一些到目前为止，在所有预测其不正确的试图中幸存下来。“科学是通过收集数据来证实方法是正确的”普遍观念是社会应该如何使用科学知
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