评估科学探究观点的工具：VOSI调查问卷
原文作者 Norman Lederman
摘要：
因为教师和学生要培养正确的科学认识论观点(科学的本质[NOS]和科学探究的本质[NOSI] ),为了解这些观点及其发展，需要采取评估的方式。在NOS的教学中，很多注意力都集中在发展教学中的知识和教学专长上。VNOS问卷对于提高教师和学生的理解和需求方面上至关重要。目前，我们对关于NOSI的观点和需求缺乏类似的理解。如果教师要教学科学探究，他们的知识基础是什么?学生的观点是什么?我们如何知道教学是否有效地促进了人们对科学家所做的事情的预期概念?针对这些问题，我们开发了一个有效的、开放式的科学探究观点评估工具[VOSI]。本文的目的是描述VOSI问卷所依据的框架，提出一个具有基本原理的项目库，管理和分析程序，并描述我们收到的对NOSI观点有深刻见解的典型答复。
引言
要具备科学素养，个人不仅需要科学主题的概念性知识，而且需要与当前观点相一致的科学认识论观点。科学认识论观点包括一个人把科学知识看作是认识和解释自然世界的一种方式的观点（科学本质 , NOS ）和一个人对知识被构建和证明的过程的本质和基本原理的观点（科学探究的本质 , NOSI）。需要明确的是，国家科学教育标准[ NSES ] (国家科学委员会 , 1996,2000 )和科学素养基准( 国家科学促进会，1993 )都强调科学探究是科学素养不可或缺的组成部分。在科学探究的内容标准中，K-12年级的学生应该发展：( 1 )进行探究所必需的能力( 2 )对科学探究的理解( NRC , 2000 )。与“对科学探究的理解”相关的标准涉及到科学家的工作内容/原因以及科学界如何接受知识。这些方面描述了NOSI。
问题
因为教师和学生要发展对NOS和NOSI良好的概念，所以需要评估来了解他们的观点。在NOS的教学中，许多注意力都集中在发展知识和教育专长上。VNOS问卷( Lederman , AbdEl-Khalick , Bell , amp; Schwartz , 2002)在促进我们对教师和学生的认识和需求方面是至关重要的。目前，我们对NOSI的观点和需求缺乏类似的理解。如果教师要教关于科学探究的知识，他们的知识基础是什么?学生的观点是什么?我们如何知道教学是否有效地促进了人们对科学家的工作的理想概念?针对这些问题，我们开发了一个有效的、开放式的工具[VOSI]来评估科学探究观点。本文的目的在于描述了VOSI工具的基本框架，提出了一系列具有理论基础的项目，管理和分析程序，并描述我们收到的对NOSI观点有深刻见解的典型答复。
为什么要区分NOS和NOSI?
文献似乎没有关于学习者对NOSI和NOS的理解。这也许是因为NOS和NOSI或科学过程通常被更普遍的“学生的科学理解”混淆或合并。例如，关于科学方法的概念通常被归为“NOS”。为了明确VOSI工具的侧重点和用途，我们区分了NOS和NOSI，但认为这种区分是不完整的，具有重叠和连通的领域。NOS方面是那些最涉及探究的产物，即科学知识的方面。NOS方面是那些最涉及探究的产物，即科学知识的方面。NOSI方面是那些最涉及调查过程，知识“如何”被产生和接受。这一区别得到了NSES（1996）的进一步支持，“科学探究”有内容标准，以及“科学探究的本质”有独立的内容标准。
科学探究本质的理论框架
与NOS一样，“科学作为探究”的含义已经争论了几十年，在科学教育中探究意味着什么的精确描述似乎与探究的方法千差万别。科学探究是指科学知识发展过程的特征，包括科学知识发展、接受和效用的惯例。国家科学院( 2002年)确定了“科学探究指导原则”，为政治学、地球物理学和教育学等研究领域提供了共同的基础。这些原则与项目类似，NSES将其描述为“探究的技能”(例如，确定一个可以通过科学调查得到答案的问题；设计并进行科学调查；运用适当的工具和技术来收集、分析和解释数据”(NRC , 2000年,第19页)和“对科学探究的基本理解”(例如“不同种类的问题进行了不同种类的科学考察；当前的科学知识和理解指导科学调查”(NRC，2000年，第20页)。为了强调理解科学探究本质的重要性，《科学素养基准》强调的是学生应该知道的与探究相关的知识，而不是探究的技能。
自然资源委员会(2000年)、美国科学促进会(1993年)、国家科学院(2002年)、科学教育工作者((e.g. Chinn amp; Malhotra 2002; Flick amp; Lederman, 2004; Minstrell amp; van Zee, 2000; Osborne, Collins, Ratcliffe, Millar, amp; Duschl, 2003; Windschitl, 2004)，以及在实践中探索过科学家的研究者(e.g. Dunbar, 2001; Knorr-Cetina, 1999) 提供了关于科学探究的描述，为我们描述NOSI提供了框架。我们在这一系列工作中发现的共同点是对NOSI的共识，这些共识对科学教育也是相关重要的。这些方面并不是新发现的，因为它们与Joseph Schwab 45年前概括阐述的内容一致(Schwab, 1962)。NOSI的一般方面包括：a )指导调查的问题，b )科学调查的多种方法，c )科学调查的多种目的，d )科学知识的证明，e )异常数据的识别和处理，f )数据和证据的来源、作用和区别，g )实践。
- 科学问题指导调查。“科学调查包括提出和回答一个问题，并将答案与科学家已经了解的世界进行比较”(美国自然资源保护委员会，2000年，第20页)。与科学方法中常见的“第一步”相反，所有的研究都不是从陈述假设开始的。在假设或考虑什么信息可能有助于获得理解之前，科学家必须提出问题。
- 科学调查具有多种方法。“科学家根据他们试图回答的问题使用不同种类的调查方法”(美国自然资源保护委员会，2000年，第20页)。没有一种明确的“科学方法”是所有科学家都在遵循的并且可以产生有效答案的。科学家在实践中的研究表明，调查方法在形式上是各不相同的(e.g. Knorr-Cetina, 1999)。有一种实验方法叫假设检验，它通过对问题重要的变量进行识别和控制，一次控制一个变量来确定实验的结果。实验调查与教科书上坚持的“科学方法”最为相似。另一种方法不涉及变量的控制，不仅是因为控制是不可行的，而且也无法回答相应的问题。这种的方法涉及对自然现象的观察，没有观察者的直接干扰可以对现象进行有效科学的理解。然而，科学家可能会遵循不同的程序来解决同一个问题。
c)科学研究具有多重目的。总的来说，“科学家的目标是用不可观测的机制建立和修正理论模型”。(Chinn amp; Malhotra, 2002, p. 188). 科学家选择探究的问题有很多来源，可以达到很多目的。科学家为什么选择调查某些问题，可能与好奇心、社会影响、经济、实用性或任何其他原因有关。“当前的科学知识和理解指导着科学调查”(NRC, 2000, pg. 20)。科学家的工作可能有助于解决社会情况(如疾病)，可能是开发所需技术的必要条件，也可能是改善人类状况，促进我们对世界的基本了解。
d)科学知识的证明。“科学解释强调证据的重要性，证据具有逻辑上一致的论点，并使用科学原则、模型和理论”(NRC，2000，第20页)。通过协商获得共识可以为科学的主张建立一定的基础，证据的一致性和别人的认可是相关的要素。尽管如此，提出类似的问题并遵循类似程序的科学家，也可能会得出不同的结论。此外，研究相同数据的科学家也有理由得出不同的结论。正如一位科学家在Osborne等人(2003年)的一项研究中所说的那样，“知道科学数据不是数据的本身，而更加重要的是可以被做出不同地解释rsquo;(PS1)”(第708页)。
e)异常数据的识别和处理。调查是由当前的知识和理论指导而得出的，因此科学家认识到观察结果何时不符合科学的预期是科学进步的关键部分。科学数据异常引发更多的问题并推动进一步的调查。真正的科学涉及各种处理异常信息的方法(Chinn amp; Brewer, 1993, 1998)。
这些包括错误否定异常法、忽略异常法、包含而不解释法、搁置法、理论改变法、数据重新解释法和理论解释法。
f)数据和证据的区别。数据和证据有不同的用途，来源也不同。数据是科学家在调查过程中收集的观察结果，它们可以采取多种形式(例如数字、描述、照片、音频、物理样本等)。证据是数据分析和解释的产物。证据与问题和主张直接相关，因此如何分析和解释数据取决于要解决的问题和当前接受的实践。
g)实践。“科学家对他人的工作成果进行回顾并提出问题。科学通过逻辑的怀疑而不断进步”(NRC, 2000, pg. 20)。科学探究根植于实践之中，发展和接受科学知识的实践和标准是在科学社区内建立的，同时交流和同行评审影响科学进步的内容和方式。
VOSI工具的开发
要一个开放的工具来检查学习者对科学探究的观念，这与先前对科学探究相关的需求是并行的。我们通过一个类似于VNOS的过程和形式开发了VOSI。项目是基于上述方面的基础开发的，由科学教育工作者和科学家组成的小组进行审查，并进行了试点测试。从1999年开始，VOSI项目已被用于各种研究和评价项目。我们现在有适合中小学生、中学生、大学生、职前和在职教师以及科学家的VOSI表格。
最初的VOSI问卷是一个9个项目的调查，用于研究九年级学生对NOS和NOSI的看法(Schwartz , Lederman , amp; Thompson , 2001)。这项研究是第一种VOSI形式[ VOSI-1 ]的试 点项目。这些项目得到了一个科学教育工作者小组的审查和验证，这些项目随后被交给了10名九年级的学生，他们也接受了采访。在对115名九年级学生进行VOSI-1问卷调查之前，只需要根据学生的意见进行一些小的修改。学生们花了大约30分钟来回答这九个项目。学校随机抽取20名学生进行后续访谈。访谈有助于确保被访者书面陈述的有效解释。分析寻求描述符和突现主题，以类似于VNOS的方式进行有针对性的指导。
已经开发了其他VOSI项目，并用于探索职前教师、在职教师、中小学生、大学生和科学家的NOSI观点(表1)。迄今为止，已有数百名教师和数千名学生对VOSI做出了回应。我们在研究和评估中使用的VOSI表格各包含5至9个项目，针对指导其发展的各种NOSI方面。VOSI项目已经过科学教育家、科学家和科学教师的评审；并且在引出被调查者如何理解调查的目标方面的描述和例子也显示了效用。我们在本文中提供了一组项目、它们的目的以及代表一系列概念的典型响应(表2)。可通过联系作者获得用于研究、评估或指导的特定VOSI表格。
管理和面试
管理、访谈和分析类似于Lederman等人(2002年)关于VNOS工具的指南。管理调查最理想方式是在受控的环境中，受访者在不与他人沟通的情况下提供自己的陈述。根据样品和VOSI形式，大约需要20-60分钟。理想情况下，所有受访者都接受访谈，以书面答复为指导。对于大群体，随机选择20 %左右通常足以建立对数据解释可靠性的信心。访谈时间一般在15 - 45分钟。
分析方法
项目之间不存在一一对应关系，因此，在配置文件的开发中，应该整体地考虑对每个个体的VOSI回答。用针对性的NOSI指导初始编码( Miles amp; Huberman , 1994 )。对回答进行审查，并用与每个NOSI相关的描述进行编码。例如，在'科学知识的证明'方面，典型的描述语包括“需要重复”、“必须解释所有数据”和“需要证明答案是真的”。根据Bogdin和Biklen ( 1992 )的方法，紧急编码也被寻求。初步分析后，将对回答进行多次审查，以进一步简化、澄清和保持一致。面试成绩单以同样的方式进行分析，然后与书面回答的分析进行比较。为每个人制定了最终的档案。一轮轮的分析通过不断的比较继续进行，直到数据被充分减少和描述。对于单个配置文件，可以合并生成更大样本的复合配置文件，用百分比或频率表示。配置文件可以与期望的方面进行比较，以确定概念与目标的一致性。如果VOSI被用来研究干预的影响，可以通过测试前后的对比来描述概念增益或变化。
VOSI项目示例
表2包含针对上述特定NOSI方面或引出其他方面想法的示例VOSI项目。括号中指出的次要方面，并不是通过项目专门针对的，但经常出现在答复中。我们描述了这个项目的基本原理和典型的反应。此项目池并不包含所有项目，并不打算单独作为VOSI版本使用。这里所表示的项目是从多种形式中选取的。针对适合特定受众和目的的某些VOSI表格，项目和附加项目的替代版本可具体选择。有兴趣使用VOSI或CVS（以下）的研究人员应该联系作者以获取更多信息和表格。
科学探究观评价的意义
VOSI问卷引出了学习者对科学家在产生科学知识方面所做的想法的细节。对科学探究的理解是科学素养不可或缺的组成部分，也是NOS的一个组成部分。VOSI是有用的，或与VNOS结合，以深入了解受访者的科学认识论观点。VOSI针对的是VNOS工具所特有但又相辅相成的方面。关于VOSI的回答提供了描述和示例，而不是分数(数字)或二分类( 天真 / 知情 )。除了有助于研究和评价之外，VOSI项目和回答还有助于在科学课程、专业发展和科学教育方案中进行讨论。鉴于我们对发展技能和探究理解的高度重视，VOSI问卷还可以促进我们对学习者的概念及其如何发展的理解。
评估儿童的科学观
表2中的项目通过书面形式和后续访谈进行管理。然而，学前儿童和小学早期儿童存在一些障碍，使得书面评估不切实际。这些
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