研究报告

研究作者与发表信息

本研究由土耳其Yıldız Technical University的Tuğba Geçgil与Boğaziçi University的Hakan Akçay共同完成。该研究成果于2024年发表在同行评议学术期刊《International Journal of Education in Mathematics, Science, and Technology》（IJEMST）的第12卷第3期，页码为707至724。

学术背景与研究目的

本研究属于科学教育领域。在当前快速变化的世界中，科学与技术在国家社会经济发展中扮演着核心角色，因此科学教育必须培养具备探究能力、批判性思维和社会责任感的个体。然而，传统的科学教学往往侧重于知识传授，忽视了科学实践过程。基于此，科学教育改革，如美国《下一代科学标准》（Next Generation Science Standards，NGSS），强调学生应主动参与构建、评估和修正模型，而不仅仅是将模型作为解释工具。模型作为连接科学理论与现实世界的桥梁，是科学家进行思考、预测和理解经验的核心工具。

在此背景下，基于模型的探究式教学法应运而生，它允许学生像科学家一样，通过发展、使用、评价和修正模型来解释自然现象。然而，现有研究较少将基于模型的探究与论证过程相结合，也缺乏在“声音”这一特定主题下，同时考察其对学生的学习成就、科学过程技能和动机影响的研究。因此，本研究旨在探究基于模型的探究教学法以及论证支持的基于模型的探究教学法，相较于现行传统课程教学，对六年级中学生在“声音及其性质”单元的学习成就、科学过程技能和动机方面所产生的效果。研究提出了三个核心问题：这两种教学方法分别对学生的科学成就、科学过程技能和动机有何影响。

详细研究流程

本研究采用准实验设计中的前测-后测控制组设计，属于定量研究范式。研究选取了土耳其布尔萨市一所公立学校的三、六年级班级，通过便利抽样确定了两个实验组和一个控制组，共有77名学生参与，其中女生38名，男生39名。实验组1有25名学生，使用论证支持的基于模型的探究教学法进行授课；实验组2有26名学生，使用基于模型的探究教学法进行授课；控制组有26名学生，由另一位教师按照现行课程大纲的传统方法进行授课。教学干预持续五周，期间覆盖“声音及其性质”单元。

在数据收集工具方面，研究者开发或采用了三套核心量表。 首先是学生成就测试，由研究者根据文献回顾和专家审查自行开发，旨在测定和比较学生在“声音及其性质”单元的学习成就。该测试最终包含25道题目，每题答对得1分，最高25分。其克隆巴赫α系数为0.90，库德-理查逊20（KR-20）信度系数为0.92，信度较高。 其次，采用科学过程技能测试来评估学生的科学过程技能发展。该量表源自Tobin和Capie于1981年开发的工具，经土耳其语改编并由Türker于2011年为六年级水平进行修订，最终包含25道四选一题目，答对得1分，最高25分。本研究中该量表的克隆巴赫α信度系数为0.78。 最后，为检验学生科学课动机的变化，采用了Dede和Yaman于2008年开发的“科学课动机量表”，该量表包含23个题目，采用5点李克特式评分，最高分115分。其克隆巴赫α系数为0.80。

教学实施过程在两个实验组中有细致差异。 在实验组1，即论证支持的基于模型的探究教学组，其教学循环包含五个阶段：第一步，创建心理初始模型，学生根据前概念构建对现象的初步心理表征；第二步，实施思维实验，让学生预测和推理他们的模型在不同情境下的表现；第三步，论证过程，学生在进行实验后，采用书面论证方法，基于证据提出主张、进行反驳，此步骤是该组的核心特征，旨在通过科学写作促进深度思考；第四步，模型修正，学生根据论证和探究结果调整其心理模型；第五步，模型展示与评价，学生向同学展示最终模型并接受评价。 在实验组2，即基于模型的探究教学组，其教学循环少了明确的论证环节：第一步，创建心理初始模型；第二步，实施思维实验；第三步，模型修正，基于前两阶段的探究直接调整模型；第四步，模型展示与评价。两实验组均由研究者本人授课，确保了教学方法实施的一致性。 控制组则由原任课教师按照传统课程教学，主要采用讲授和课本演示，学生参与仅限于个别学生，课堂以解决书中评价问题和布置书面作业告终。

数据分析阶段，研究者将成就测试、科学过程技能测试和动机量表作为前测和后测搜集的数据，采用单因素协方差分析（ANCOVA）进行统计分析。分析时，将各组的前测分数作为协变量，以调整初始差异对后测分数的影响，从而精确评估不同教学方法的净效应。

主要研究结果

在科学成就方面，协方差分析结果显示，不同教学方法对学生成就后测的调整后平均分产生了显著差异（F(2,73)= 7.09; p < 0.05）。Bonferroni事后比较检验表明，实验组1（调整后均值=15.87）和实验组2（调整后均值=15.16）的成就后测均值显著高于控制组（调整后均值=11.39），p值分别小于0.001和0.01。然而，两个实验组之间的成绩差异不显著。此结果表明，基于模型的探究及其论证支持版本，在提升学生对“声音及其性质”单元的知识掌握方面，均显著优于传统教学。模型构建、思维实验和课堂讨论等环节使学生能够深度处理抽象概念信息，从而促进学习。

在科学过程技能方面，协方差分析结果同样显著（F(2,73)= 8.45; p < 0.05）。事后检验揭示了一个关键的差异化发现：只有实验组1（论证支持的基于模型探究组）的科学过程技能后测调整后均值（14.68）显著高于控制组（9.91，p < 0.001）。尽管实验组1的分数也高于实验组2（12.36），但差异未达到统计学显著水平（p = 0.15）。这有力地证明，论证支持的基于模型的探究在培养学生的科学过程技能（如分类、数据解释、推理和模型创建等）方面更具效力。书面论证环节要求学生更清晰、连贯地表达其推理过程，从而强化了这些探究技能。

在科学课动机方面，协方差分析依然显示组间存在显著差异（F(2,73)= 4.21; p < 0.05）。事后检验表明，实验组1（调整后均值=98.54）和实验组2（调整后均值=98.44）的动机后测分数均显著高于控制组（调整后均值=92.16），p值均为0.04。两个实验组之间则无显著差异。这表明，以学生为中心、让学生通过建模主动处理复杂信息的教学方式，能够显著提升学生的学习动机。动机的提高与成就的提升相互促进，验证了应用方法的有效性。

研究结论与价值

本研究的核心结论是，基于模型的探究教学法及其论证支持版本，在提升学生学习成就和动机方面，均显著优于传统课程教学。其中，论证支持的基于模型的探究教学法在提升学生的科学过程技能方面表现更为突出。这揭示了在模型教学法中融入书面论证和讨论环节的独特价值，它不仅加深了学生的科学思维参与，还锻炼了他们将探究过程外显化的能力。

该研究的科学价值在于，它深化了对模型教学法和论证教学法各自及协同效应的理解，特别是在“声音”这一具体物理科学主题中提供了实证证据。它有力地支持了NGSS等科学教育改革的核心理念，即科学实践应包含建模和论证的整合。其应用价值在于，为一线科学教育工作者提供了一种可操作的、效果显著的教学设计框架。通过具体的循环步骤，教师们可以设计出能同时促进学生认知发展、技能增长和情感投入的课堂活动。研究明确指出，相较于单纯让学生构建模型，在构建模型后再引导学生围绕模型进行书面论证和集体评价，能更全面地发展学生的科学素养，这为课程设计和教学实践提供了明确指导。

研究亮点

本研究的主要亮点体现在以下几个方面。首先，其方法学设计具有创新性，它没有孤立地研究建模或论证，而是将它们整合在一个教学循环中，清晰地分离出了“论证附加环节”所贡献的独特效益，这在以往研究中较为少见。其次，研究主题聚焦于“声音及其性质”，填补了基于模型的探究在这一基础物理科学领域应用的研究空白。最后，研究同时关注了认知（成就）、技能（科学过程技能）和情感（动机）三个维度的学习产出，提供了关于教学方法有效性的更加多维和完整的评估，有力地证明了整合性教学设计的优势。