类型a：单篇原创研究报告
一、 研究概况
本研究由来自西密歇根大学的Peng Dai、Cody Tyler Williams、Allison Michelle Witucki以及David Wÿss Rudge共同完成，其中Peng Dai为通讯作者。该研究成果于2020年12月15日被期刊《Science & Education》接收并在线发表，论文标题为《Rosalind Franklin and the Discovery of the Structure of DNA: Using Historical Narratives to Help Students Understand Nature of Science》。
二、 研究背景与目的
本研究聚焦于科学教育（Science Education）领域的一个核心议题：如何有效提升学生的科学本质（Nature of Science, NOS）理解。科学本质被认为是科学素养（Scientific Literacy）的关键组成部分，它涉及对科学知识本质、科学过程以及科学与社会文化关系的认识。尽管学界已达成共识，认为对科学本质的教学应采用显性-反思性方法（Explicit and Reflective Approach），但具体如何操作，尤其是在教学中融入科学史（History of Science, HOS），仍缺乏系统的实证研究。
长久以来，科学教育者面临一个困境：传统的科学教学往往只呈现最终的科学知识，而忽略了知识产生的过程，导致学生对科学存在普遍误解，例如认为科学研究遵循单一、固定的步骤，或忽视社会文化因素对科学的影响。为解决这一问题，将“科学史”引入课堂被认为是一种有效策略，因为它能将科学过程人性化、情境化。然而，教师往往缺乏将科学史有机融入课堂的具体指导和实证依据。此外，传统的科学史叙事多以男性科学家为主导，可能潜移默化地强化科学“男性化”的刻板印象。
在此背景下，本研究的目的在于系统评估一种基于DNA结构发现史的历史叙事（Historical Narratives）教学方法，对提升本科生科学本质理解的有效性。具体而言，研究旨在考察通过分享罗莎琳德·富兰克林（Rosalind Franklin）在这一历史事件中扮演的角色及其被忽视的贡献，能否促进学生在“创造力与想象力（Creativity and Imagination）”以及“社会与文化影响（Social and Cultural Influences）”这两个特定科学本质方面的理解。同时，研究也关注了性别差异在这一学习过程中的体现。
三、 详细研究流程
本研究采用混合方法（Mixed Method Approach），对比了同一门非专业生物学导论课程的两个版本，以评估历史叙事干预措施的独特效果。
研究设计与参与者（Study Design and Participants） 研究在两个连续的学期进行。2017年秋季学期为“替代性处理组（Alternative Treatment）”，共有124名学生注册，其中81人同意参与研究，最终63名完成前后测的合格参与者纳入数据分析，其中女性占65%，男性占35%。2018年春季学期为“干预处理组（Intervention Treatment）”，共有88名学生注册，66人同意参与，最终32名完成前后测及全程干预的合格参与者纳入分析，女性占56%，男性占44%。统计检验显示，两组参与者在性别、年龄和种族上无显著差异，确保了基线水平的可比性。
教学过程（Course Instruction） 两门课程均由同一名经验丰富的教师授课，采用翻转课堂（Flipped Classroom）模式。课程均使用了显性-反思性方法教授一般的科学本质概念，如在课程初期通过“神秘管（Mystery Tube）”活动引导学生理解“推理（Inference）”在科学中的作用。关键区别在于DNA结构单元的教学处理：
- 干预处理组（2018年春）：学生学习DNA时，教师引入了基于DNA发现史的两段历史叙事。叙事依据Klassen的叙事理论框架（2009）进行开发，包含了十个核心叙事要素（如事件标记、叙事者、叙事欲、结构、目的等）。教师通过“打断式故事技巧（Interrupted Story Technique）”展开叙事，并在过程中穿插反思性问题，要求学生先独立思考、再小组讨论，最后进行全班交流。第一天的叙事从沃森（Watson）和克里克（Crick）的视角讲述，重点关注他们如何通过构建模型、运用卡片等充满创意的方式最终拼凑出DNA双螺旋结构，旨在凸显科学中的“创造力与想象力”。第二天的叙事则从罗莎琳德·富兰克林的视角重述故事，详细讲述了她拍摄的著名的“照片51（Photo 51）”如何提供了关键证据、她在男性主导的科学界所遭遇的排挤、以及与威尔金斯（Wilkins）的紧张关系，并引导学生讨论社会文化（尤其是性别因素）对科研活动及科学史书写的影响。
- 替代性处理组（2017年秋）：学生学习完全相同的DNA科学内容，但不涉及任何关于DNA发现史的历史叙事。两天的课程中多出的时间被用于一个与细胞周期相关的评估和一个期中课程评价，两者均不涉及科学史或科学本质的开放式讨论。
数据收集与分析方法（Data Collection and Analysis） 本研究同时采集了量化和质性数据，以交叉验证研究结果。
- 量化数据收集与分析：使用《学生科学和科学探究理解量表》（Student Understanding of Science and Scientific Inquiry, SUSSI）作为前后测问卷。该量表针对六个科学本质核心概念设计，每个概念包含4个李克特五点量表（Likert Items）题项和1道开放式问题。研究重点分析了“创造力与想象力”以及“社会与文化影响”这两个目标维度的评分。对Likert题项数据，研究人员采用配对样本t检验（Paired Sample t-test）比较了各组内前后测得分的均分差异，并计算了科恩d值（Cohen‘s d）来评估两组处理之间的效应量。
- 质性数据收集与分析：在完成SUSSI后测的两周内，从替代性处理组和干预处理组分别招募了13名和14名学生进行半结构化访谈（Semi-structured Interviews）。访谈中，研究人员向参与者展示他们个人前后的SUSSI回答，并请他们解释在目标维度上做出任何改变的原因，特别是要求他们举例说明。访谈录音被转录后，研究团队采用新兴编码过程（Emergent Coding Process）对文本进行主题分析。所有编码者之间达到了高一致性（>=75%）后，由第一作者完成剩余数据的编码，并借助NVivo软件识别关键主题。
四、 主要研究结果
量化和质性数据均指向历史叙事干预的有效性，特别是在质性访谈中，这种有效性的来源和过程得到了详尽的揭示。
对“创造力与想象力”理解的影响
- 量化结果：在替代性处理组，学生对该维度的理解虽有统计学上的显著提升（p = .003），但效应量相对较小。而在干预处理组，学生对该维度的理解提升更为显著（p < .001），SUSSI均分从2.98大幅提升至3.78，展现出更大的学习增益。
- 质性结果：访谈数据揭示了这一差异背后的原因。替代性处理组的大多数受访者（10/13）仍持有“科学不应涉及想象力”的误解，认为科学必须完全基于事实和客观性。一位学生表示：“我不认为科学家应该使用他们的创造力…这不会是可接受和恰当的。”即使有改善的学生，也无法引用课堂实例来解释其变化。 相比之下，干预处理组的受访者则清晰地将自己的观念转变与历史叙事联系起来。8名在此维度有积极改变的学生中，有6人明确提到了沃森和克里克的故事。一位学生说道：“…后来，当他解释了詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克是如何运用创造力来构建DNA时…这改变了我的答案，因为你必须运用想象力才能为实验创造出某些东西。” 另一位学生则提到了沃森和克里克使用硬纸板等材料构建模型的细节，作为科学创造过程的佐证。
对“社会与文化影响”理解的影响
- 量化结果：替代性处理组在此维度上没有表现出显著的统计学提升。而干预处理组则展现了显著的进步（p = .021），SUSSI均分从3.56提升至3.88。这直接证明了富兰克林相关叙事在此次教学干预中的关键作用。
- 质性结果：访谈结果进一步证实了这一点。替代性处理组学生普遍认为，科学家在实验时应遵循科学方法，不应受社会影响。而干预处理组中，9名理解有改善的学生里，有4名明确将这种转变归功于罗莎琳德·富兰克林的故事。一位学生解释道：“因为她（富兰克林）所做的，或是她被认可的方式，可能正是受到了社会和文化的潜在影响…这确实有帮助。” 故事让学生们深刻体会到，社会文化环境不仅是科学发生的背景，它甚至可以决定一位科学家的贡献是否被承认。
性别差异的分析 研究的一个重要发现是，富兰克林的故事对不同性别学生产生了差异化影响。
- 量化结果：在干预处理组中，女生对“社会与文化影响”理解的改善程度显著高于男生（p = .036），偏η²为0.143，属于大效应量。
- 质性结果：访谈揭示了这一差异的情感基础。几乎所有被采访的女生（7/7）都认为当今社会女性科学家仍未获得完全平等的权利，许多人将富兰克林的经历与自身的个人经历、社会刻板印象联系起来。一位女生提到：“…男人们就是觉得自己比女人更有优势，我想…社会可能让他们有了那种想法，而女人则被看作是就应该生孩子、待在家里做饭什么的。” 相比之下，一部分男生（3/7）则倾向于认为自1950年代以来性别问题已大为改善，男女现已平等。这表明，以女性科学家为主角的叙事更容易唤起女学生的情感共鸣，从而加深了她们对科学中性别偏见问题的认知。
五、 研究结论与价值
本研究得出结论，基于科学史的、高度情境化的历史叙事，在结合显性-反思性教学方法时，能有效提升大学生对特定科学本质方面的理解。具体而言，关于沃森和克里克的故事有效促进了学生对“科学需要创造力和想象力”的理解；而关于罗莎琳德·富兰克林被忽视的贡献的故事，则成功提升了学生对“社会文化因素影响科学”的认识。
本研究的科学价值在于，它为“如何具体运用科学史进行科学本质教学”这一难题提供了有力的实证证据和操作范例。它验证了依据Klassen叙事框架开发的历史故事的有效性，并强调了针对特定科学本质概念设计叙事的重要性，而非期望一个故事面面俱到。其应用价值尤其突出：研究表明，在教学中有意识地纳入被忽视的女性科学家的故事，不仅能纠正以男性为中心的科学史观，还可能对提升女学生的科学学习信心、情感投入和学科归属感产生积极影响，这对于解决科学、技术、工程和数学（STEM）领域的性别差距问题具有长远的启示意义。研究呼吁教材和课堂应包含更多元化的科学家故事。
六、 研究亮点
- 精巧的干预设计：研究通过设置明确的对照组（无历史叙事班）和实验组（有历史叙事班），并确保两班教学内容和教师在非干预部分的一致性，使得研究结果能够有力地归因于历史叙事这一干预变量本身。
- 特定性与深度结合：不同于以往研究中笼统评估所有科学本质方面的做法，本研究聚焦于“创造力与想象力”和“社会与文化影响”这两个与叙事内容紧密相关的目标，使得干预效果的测量更为精准。半结构化访谈的质性数据为此提供了深度解释。
- 关注性别维度：本研究有意识地将性别因素作为一个重要变量进行分析，并揭示了同一种教学干预对不同性别学生的差异化影响，为教育公平和性别敏感的教学设计提供了宝贵洞见。