本研究题为《探索科学史教学对科学过程技能、科学概念知识及科学态度的影响》（Exploring the Impact of History of Science Teaching on Science Process Skills, Knowledge of Science Concepts, and Attitudes toward Science），由土耳其阿尔特温乔鲁赫大学（Artvin Coruh University）的Mustafa Cansız独立完成。该论文发表于《波罗的海科学教育杂志》（Journal of Baltic Science Education）2024年第23卷第3期，第449至463页。该期刊为同行评审的开放获取学术期刊，由Scientia Socialis出版，论文可通过知识共享署名4.0国际许可协议公开获取。Cansız博士为科学教育系的副教授，其研究方向集中于科学教育领域，ORCID编号为0000-0002-7157-2888。
本研究的学术背景植根于当代科学教育对科学素养（Scientific Literacy, SL）的高度重视。自21世纪初以来，提升学生的科学素养已成为全球科学教育的核心愿景。科学素养涵盖多个关键维度，包括科学过程技能（Science Process Skills, SPS）、科学概念知识（Knowledge of Science Concepts, KOSC）以及科学态度（Attitudes Toward Science, ATS）。然而，传统学校教育长期受到批评，被认为过度聚焦于科学概念知识的传授，而忽视了科学素养其他构成要素的培养。将科学史（History of Science, HOS）融入教学的方法，其理念可追溯至20世纪30年代哈佛大学的相关课程，并在此后获得多个国际科学教育改革文件的有力倡导，其理论依据在于，通过学习科学发展的历史脉络，学生能够更深入地理解科学概念的演进，认识科学作为一项人类活动的本质，并在此过程中培养科学推理能力。
尽管科学史教学在理论上被广泛推崇，但该领域的实证研究却呈现出不一致，甚至相互矛盾的结果。知识鸿沟主要体现在三个方面：科学史教学对科学过程技能的促进作用尚需更多证据支持；对于科学概念知识（KOSC）的理解，不同研究得出相反结论，部分研究肯定了其促进效果，但也有研究未能证实这一关联；而关于科学史教学对科学态度（ATS）影响的实证研究数量尤为有限。基于这种理论与实践、理论与实证之间的显著差距，Cansız开展此项研究，其核心目的在于采用“融合式”方法，将科学史内容与具体科学课题结合，系统探索科学史教学对六年级学生科学过程技能、科学概念知识及科学态度这三项科学素养核心方面产生的影响。研究旨在回答三个具体问题：科学史教学如何影响科学过程技能的发展、如何影响科学概念知识的发展、如何影响科学态度的发展。
本研究采用准实验研究设计（Quasi-experimental Research Design），以探究不同教学方法的效应。研究的自变量为教学方法，分为科学史教学和遵循常规课程的教学。研究样本来自土耳其西北部一所公立学校的四个完整六年级班级，这些班级被随机指定为实验组（Experimental Group, EG）和对照组（Control Group, CG）。其中，实验组包含两个班级共51名学生，对照组包含两个班级共44名学生，初始总样本量为95人，包含48名女生和47名男生，平均年龄为12.08岁。两组学生的科学课平均成绩在实验前极为相近，分别为3.47和3.54。所有班级的教学由同一位教师执行，该教师在实施前接受了研究者为其两周的专项培训，内容聚焦于实施流程及关键注意事项。研究者本人全程密切观察教学过程，以确保两组在教学核心要素上的一致性。所有学生均自愿参与研究，研究者事先获得了阿尔特温乔鲁赫大学伦理委员会的批准及所有学生家长的知情同意书。
研究使用了三套测评工具。第一套是“科学相关态度测试”（Test of Science-Related Attitudes, TOSRA），该工具由Fraser于1978年开发，用以评估学生在七个维度的科学态度，包括科学的社会意义、对科学家的看法、对科学探究的态度、科学态度的采纳、对科学课的喜爱、对科学的课余兴趣及科学职业兴趣，其信度以Cronbach’s alpha系数衡量，范围为.64至.93。第二套工具是由研究者团队专门为本研究开发的“循环系统概念测试”（Circulatory System Concepts Test, CSCT），旨在评估六年级学生对人体循环系统知识的掌握程度，该测试的开发过程严谨，包括基于课程目标建立内容规范表、构建题库、专家评审、医学生物学内容审查、语言专家审核、学生访谈及试测等多个步骤，最终形成的量表整体信度Cronbach’s alpha值为.74，达到满意水平。第三套工具是“科学过程技能测试”（Science Process Skills Test, SPST），该测试由Burns、Okey和Wise于1985年开发，用于测量学生识别变量、提出假设、操作性定义、数据图解与解释以及实验设计等方面的综合能力，其信度系数高达.86。
研究的实施过程围绕“人体循环系统”这一教学主题展开，整个教学周期共分配了10个课时。所有教学均基于建构主义方法，但在具体活动内容上对两组进行操纵。实验组和对照组共同参与了六项活动，包括探索哺乳动物心脏的结构与功能、学习血液的组成成分、比较盖伦和哈维的循环理论并了解相关科学方法、描述血管类型及血液路径、学习血型和输血原则、以及通过戏剧表演提升对献血意义的认识。这六项共同活动确保了两组在核心科学概念上都接受了教学。实验组额外参与了四项专门的科学史活动，这些活动构成了两组教学差异的唯一来源。第一项活动是“心脏的历史”，向学生展示自古印度社会至文艺复兴时期，不同文明和学者（如恩培多克勒、希波克拉底、亚里士多德、盖伦等）对心脏结构与功能的认知演变及长期存在的误解。第二项活动是“血液成分的历史”，讲述从史前时期人们仅凭颜色认识血液，到显微镜发明后，扬·斯瓦默丹首次发现红细胞、列文虎克绘制首张红细胞图像，再到白细胞被独立发现的一系列里程碑事件，强调了技术发展对知识进步的推动作用。第三项活动是“输血时间线”，学生分组研究并制作从14世纪至今的输血史时间线，其中包含如1492年将三名儿童血液输给教皇导致四人全部死亡，以及1667年首次将羊血成功输给人等引人入胜的历史故事。第四项活动是“威廉·哈维的实验”，基于一部1971年的科学影片，再现哈维如何通过活体解剖、解剖和灌注等当时前沿的方法发现血液循环理论，并使用数学计算来反驳盖伦的“血液消耗”理论。
在数据收集与分析方面，研究者在教学实施前（前测）、实施结束后立即（后测）以及结束后五周（追踪测试）三个时间点，分别使用三套工具对所有学生进行测评，以追踪各因变量随时间的变化。数据分析首先采用单因素多元方差分析（One-way MANOVA）检验两组在前测阶段是否存在显著差异，结果确认两组在科学过程技能、科学概念知识和科学态度三个变量的前测水平上无显著差异，这为后续检验教学效果提供了可靠的基线。随后，研究者采用重复测量多元方差分析（Repeated Measures MANOVA）作为主要分析方法，评估两组学生在这三个因变量上的综合变化轨迹是否存在不同模式。在确认时间与组别的交互作用显著后，研究者进一步遵循学者Tabachnick和Fidell的建议，对每个因变量独立进行混合设计方差分析，并采用Bonferroni校正法控制多重比较导致的I类错误膨胀。
多元统计分析结果显示，时间与组别的交互效应达到显著水平，这表明实验组和对照组在三个因变量的综合变化曲线上呈现出不同的模式，且效应量较大。进一步的单因变量分析揭示了各个因变量的具体结果。
在科学过程技能方面，混合模型方差分析的结果显示，时间与组别的交互效应不显著，同时时间主效应和组别主效应也均未达到显著性水平。这意味着科学史教学与常规课程教学对学生科学过程技能的提升效果相似，未表现出显著差异。具体数据显示，实验组的前测平均分为13.02，后测为13.94，追踪测试为13.87；对照组的前测为12.98，后测为13.61，追踪测试为13.78。两组均在后测中较前测有所提高，但这种提升未达到统计学上的显著意义，且在追踪测试中两组得分几乎趋同。这一结果与部分支持科学史教学能提升科学过程技能的理论预期相悖。
在科学概念知识方面，结果揭示了科学史教学一个关键且独特的优势。混合模型方差分析发现，时间与组别的交互效应极为显著，效应量为.18。两组在前测和及时后测中的得分并无显著差异，但到五周后的追踪测试时，差距急剧拉大。实验组的追踪测试平均分高达22.17，而对照组则下降至18.46，差异极为显著。这表明科学史教学并未在学习结束当下立即展现出对知识理解的明显优势，但其突出贡献在于显著提升了学生对科学概念的长期保持力。换言之，科学史教学促成的是一种更深层次、更持久的学习效果，而非短期的知识记忆。
在科学态度方面，科学史教学的积极效果同样显著。时间与组别的交互效应显著，效应量为.07，属中等水平。实验组在接受了科学史教学后，其科学态度得分从3.45显著跃升至3.80，而对照组仅从3.41微增至3.51，两组的后测差异已具有统计学意义。更重要的是，在五周后的追踪测试中，这种积极效应得以完美维持，实验组的得分依然稳定在3.80，而对照组为3.57，两组间差异仍然显著。这与少数先前实证研究的发现一脉相承，为科学史教学能够有效培养学生对科学的积极态度提供了强有力的证据。
本研究得出的核心结论是，尽管与常规教学相比，融合式科学史教学在提升六年级学生科学过程技能方面并未显示出显著优势，但它能够同等有效地促进该技能的提升。其最为突出的价值体现在两个方面：第一，科学史教学能显著增强学生对科学概念知识的长期保持效果，这弥补了以往许多研究仅依据及时后测而可能得出误导性结论的缺陷，揭示了在教学效果评估中采用追踪测试的必要性；第二，科学史教学不仅能在当下，而且能在持续的一段时间内，显著改善学生对科学的积极态度。这些发现共同支持了将科学史教学视为提升学生科学素养的一种有效且值得推广的替代途径这一理论前提。研究的实践意义在于，建议政策制定者和一线教师将情境化的历史材料有机整合到科学课程与课堂教学中，以提升学生的学习投入度，并最终服务于其科学素养的全面发展。
本研究的亮点和创新之处主要体现在以下三个方面。第一，研究设计的长远视角，其引入的追踪测试（五周后）揭示出科学史教学效益的延迟性与持久性特征，尤其体现在对知识长期保留的促进作用上，这一发现在方法论上具有重要启示，提示未来研究者需注重对教学效果的纵向评估。第二，研究中“循环系统概念测试”是专门针对特定教学内容和学生群体严谨开发的新工具，其多轮次的内容效度（包括医学博士审查）和信度检验流程，不仅确保了本研究数据采集的内部效度，也为后续研究提供了可借鉴的工具范式。第三，本研究的“融合式”实施路径提供了丰富且可操作的实践范例。研究详细描述了十项结构清晰的教学活动，其中四项专门的科学史活动（心脏历史、血液成分历史、输血时间线、哈维实验）将历史人物、争论、错误理论、技术突破和数学方法建构为一个连贯的叙事，这为一线教师如何将抽象的科学史转化为生动的课堂实践，提供了具体的活动设计蓝图。对于科学过程技能未产生显著促进效果，研究也进行了深入反思，指出这可能与活动未能提供充分的动手操作性体验有关，为未来改进科学史课程设计、探索其与其他方法（如探究式教学）的结合路径指明了极具潜力的研究方向。