Theoretical Model and Quantitative Assessment of Scientific Thinking and Reasoning
科学思维的理论模型与量化评估
I. 引言
未来的经济和劳动力（发展）所需要的教育目标已经由内容钻研转向高层次能力的培养，包括思维能力、创造力和解决开放性问题的能力[1]。在STEM教育中，各种致力于推进“21世纪的学习”的教育改革举措，如“下一代科学标准（the Next Generation Science standards, NGSS）”[2]或美国大学理事会制定的“大学科学成功标准（the College Board Standards for College Success in Science, CBSCSS）” [3]，都在基于未来社会的需求培养当代学生的能力，换言之，在STEM学科中，无论是“知识”还是“能力”，都是带动未来经济和劳动力发展所不可或缺的 [4-7]。在“21世纪教育”强调的众多能力中，学生的科学思维和批判性思维能力是最受关注的，这与问题解决、决策和创造性思维所需的其他认知技能高度相关[8-10]。因此，它们在定义、评估和发展那些在21世纪科学标准[2，11]中被反复强调的技能和学习成果方面起着基础性作用。
既有文献已经对批判性思维[8，9，12-14]进行了广泛的研究，批判性思维被定义为“旨在并支持基于证据的决策的认知技能和策略”。它是一种包括问题解决、制定推论、计算可能性和做出决定的思维 [15，16]，且被认为是理解和评估主题、产生可靠知识和改进思维本身的一种方式[17，18]。
同时，科学思维或科学推理的概念也经常被用来标记那些能够为“STEM学习中的批判性思维、问题解决能力和创造力”提供支持的能力的集合。在既有文献中，“科学思维”和 “科学推理”这两个概念术语经常互换使用，（为免混淆）本文将通篇使用“科学思维”一词，并将其定义为一种广义的“在以发展知识为目标的科学探究过程中涉及的思维和推理技能，包括对问题进行系统性探索、建立和检验假设、控制和分离变量，以及观察并评估结果等等 [19，20]。
批判性思维和科学思维有诸多异曲同工之处，它们都强调多变量因果条件下的基于证据的决策。在探究性学习中发展科学思维能力，可以促进批判性思维，培养学生识别可研究问题、提出假设、设计和实施实验、收集分析数据以及评估假设的能力。故在STEM学习场景中，科学思维可以被视为批判性思维在科学领域中的特定表达。因此，在教学中针对性地培养科学思维能力，与NGSS等倡议和推动的“21世纪教育”所强调的目标是一致的。培养科学思维能力可以提升学生的批判性思维、开放性问题解决能力和决策能力。已有广泛的研究探讨了在教育过程中培养科学思维能力的重要性和益处，研究发现科学思维能力与课程成绩正相关[21-23]。提升科学思维能力可以帮助提升概念测试的成绩 [24，25]，获得更高水平的问题解决能力[26]，以及通过正迁移提升STEM内容学习的效果[27，28]。
然而，有研究显示，一部分大学生在科学思维方面依旧缺乏基本的技能。这表明这些技能在 K-12 或更高阶段可能没有得到发展。例如，劳森[29]发现，大约一半的生物学专业新生缺乏建立假设、控制变量和设计实验的能力。另一系列研究表明，本科生很难做出基于证据的决策，难以区分证据和主张并将其联系起来[30-32]。此外，也有研究提出，科学思维的技能在传统的STEM课程中很难发展，但有针对性的探究式教学可以有效地促进其发展[20，33]。
为了在正式和非正式的STEM教育场景中进行针对性的科学思维教学和评估，以培养学生的科学思维能力，学者和教师急需一套指导性的理论模型和有效的评估工具。为此，本文提出了一套科学思维过程的理论模型框架及相应的科学思维能力评估工具。其中，前者尤其重要，因为它提供了一个理论基础，使NGSS和CBSCSS强调的概念和学习成果得以整合到一个连贯的理论框架中，并为他们各自教学目标提供理论支撑和认知基础。例如，在NGSS强调的21世纪能力标准，主张通过三个维度的科学学习来建立对于科学的整合理解，包括交叉概念、科学和工程实践以及学科核心思想 [2]。尽管对NGSS标准的侧重点和组织原则尚有不同的看法和争论 [34，35]，但其中重要的概念和思维技能被公认为是科学思维和因果解释的学习成果。此外，对于那些在NGSS中被强调的相关概念和技能而言，在统一的理论框架和操作性定义中确立的思维技能也可以为其对应的教与学提供实用手段。
在评估方法上，劳森科学思维课堂测试(LCTSR)[36]在STEM教育界获得了广泛的使用。但问题在于，这一评估工具在设计之初就缺乏可靠的理论框架。它虽然声称测试是围绕皮亚杰的“形式操作思维”设计的，但LCTSR实际上根据自身的目的对其进行了重新定义，认为它包括“控制变量、假设检验、相关思维、概率思维、比例思维和守恒思维”。此外，一项近期的研究深入检查了LCTSR的评估特征，并最终发现了它在信效度上的数个短板，以及在以大学生为测试对象时的天花板效应[37]。虽然卡利诺夫斯基（Kalinowski）和威洛比（Willoughby）通过设计劳森测试的更新版(他们称之为蒙大拿州立大学正式思维测试(MSU-Fort)[23])解决了其中的一些问题，但他们承认需要更多的方法来定义和评估科学思维，并呼吁开发更具包容力的框架来指导评估的发展。因此，针对21世纪的学习者开发一套有效且现代化的科学思维能力评估工具至关重要。
为填补这一重要且亟需的研究空白，本文提出了一个整合的科学思维理论框架，并在此框架基础上开发并检验了一套科学思维能力的评估工具。在接下来的几部分，介绍这个新的理论模型，并且通过回顾和总结现有的科学思维方面的研究来论证其设计合理性。