科学研究的基本目的在于理解自然现象，提供科学解释。和日常解释不同，科学解释需要建立在科学概念基础上，遵循科学实践的规范，经历科学家群体的审视和批判。长期以来，科学解释受到科学教育领域的广泛关注。培养科学解释能力是众多国家科学教育的重要目标。例如，美国《下一代科学教育标准》将“科学解释”列为八大科学与工程技术实践之一^［1］。我国、加拿大、澳大利亚等国的科学课程标准也都将“建构科学解释”作为学生科学素养的重要构成^［2-4］。

虽然备受重视，但相关研究仍然存在诸多争议。其一是科学解释的确切内涵和外延究竟是什么。在科学哲学领域，大量科学解释模型不断出现^［5-6］。不同模型的分歧聚焦在如何认识科学解释与科学规律、科学大观念、因果机制、情境、目的或对象的关系上。在科学教育领域，博兰特（Braaten）等人概括了常见的三种观点^［7］：第一种观点认为科学解释即说明，是对科学术语、实验结果或个体思维过程的说明；第二种观点认为科学解释即因果，旨在提供自然现象背后的因果机制；第三种观点认为科学解释即论证，可以利用论证模型来研究科学解释。^［8-11］针对以上每种观点，学术界都有不同意见。例如，针对第三种观点，有学者主张科学解释和科学论证是不同的科学实践^［12］，科学解释旨在针对自然现象形成具有解释力的科学观念，而科学论证则更多关注如何收集证据并基于证据对某种主张进行论证。近来，阿拉梅赫（Alameh）综合上述研究，提出了科学解释的本质（Nature of Scientific Explanation，简称NOSE）框架^［13］。该框架区分了科学解释、描述和预测，提炼了科学解释的11种解释要素和8种解释类型，为分析科学解释的不同表现提供了比较全面的基础。在国内的研究中，还未见有研究者用NOSE框架分析中国学生的科学解释表现。中国学生在科学解释时究竟会出现哪些构成要素和解释类型，值得进一步探讨。

另一个问题涉及科学解释中内容和方法的关系。本质上，针对某个现象的科学解释，既涉及学生对现象背后科学原理的概念性理解，也与学生对科学解释这一科学实践方式的认识程度有关。学生未能给出高质量的科学解释，可能不是没有掌握相关的知识或原理，而是不熟悉何为科学解释，以及如何进行科学解释。研究表明，同等情况下，是否提供科学解释方法论层面的结构性支架，所观察到的学生科学解释的表现是不同的。^［14-18］当学生逐渐掌握了支架工具后，其表现有明显改善。但是，这种改善究竟体现在哪些方面，对解释要素和解释类型的影响究竟是什么，有待深入探究。

综上，本研究拟整合知识理解和学科实践两个视角，以NOSE框架为理论依据，以真实情境下的开放性物理任务为载体，通过两个子研究，探索如下两个问题：（1）在对真实物理现象进行科学解释时，被试会表现出哪些构成要素和解释类型？（2）提供隐形的结构性支架对学生科学解释的表现会有怎样的影响？

（一）方法

1. 被试

本研究的35名被试来自中国东部某省的4所高中和1所大学。其中高二学生10名（高考选考学科均包含物理），大一学生10名（均为物理学师范专业），二年级硕士研究生10名（均为学科教学物理专业），物理教师5人（中学物理教师4人，大学物理系副教授1名；平均教龄6.5年）。被试中男性15名，女性20名。

2. 测试材料

测试材料由四道关于物理现象的开放式任务构成（见图1所示样例）。借鉴已有研究^［19-21］，设计测试任务时遵循了如下原则：（1）来自真实生活情境中的某个现象，现象背后蕴含着物理理论；（2）情境对学生来说是陌生的，避免简单回忆或套用知识的行为；（3）任务中不出现任何提示；（4）任务是开放的，所有学生都可以做出不同程度的作答；（5）对现象的解释涉及宏观和微观两个层面；（6）作答可能是对现象的描述，也可能是对现象背后因果机制的解释。

图1  测试任务样例

3. 测试过程

测试以认知访谈的形式个别实施。每名被试测试时间持续约40分钟。施测分为练习和正式测试两个阶段。练习阶段主要帮助被试熟悉测试流程，以及学会用“出声思维”方式完成测试任务。研究者先简要介绍测试要求，之后向被试出示“出声思维”训练材料，要求其解释一个物理现象，并大声说出思考过程。正式测试阶段，研究者向被试依次出示四个测试任务。被试解释四个物理现象，并大声说出思考过程。正式测试全程录音，最终形成35份“出声思维”音频文件。

4. 编码与评分

首先，对音频文件进行转录，形成文本格式的“出声思维”报告。对报告中冗余信息进行简化处理，主要去除重复和与现象无关的语句。然后按照被试口头解释的时间顺序，对解释陈述进行编号。其次，依据NOSE框架下的解释要素和解释类型进行编码和分类。参照解释要素分类框架（见附录1），对被试陈述中出现的解释要素进行编码。在此基础上，绘制被试对每个问题的解释地图（explanation map），并将被试对每个问题的解释划分类型（见附录2）。然后，参考NOSE框架下的科学解释质量评分标准，对被试解释中的解释要素及要素关系进行质量评定（见附录3）。

两位研究人员分别对两个访谈文本独立进行编码和评分。以两位研究者之间相同编码的数量占总编码数量的百分比为检验指标，计算得到两位研究者的编码一致性为85.8%；采用kappa系数计算得到的评分一致性系数为0.831。这说明两位研究人员的编码和评分具有相当程度的客观性。

（二）研究结果

1. 科学解释中的构成要素

表1给出了访谈文件中不同问题中科学解释要素的出现频率及分布情况。在35名被试对4个物理问题的解释中，总共出现了1539个（次）解释要素，覆盖了11种解释要素中的10种。统计检验表明，解释要素的分布并不随着物理问题的变化而变化（χ²=31.983，df=24，p>0.05）。综合所有作答，可以看出被试在解释中比较多地使用因果链、推断、一般规律性陈述、知识、必要条件、解释性联系或大观念、观察等要素；相对较少使用预测、目的论或拟人化陈述、例子或类比等要素。所有解释中都没有用到概率定律陈述。

表1  不同问题中科学解释要素的分布

图2（a）给出了解释要素在不同被试群体中的分布情况。和总体分布几乎一致，在所有被试中，出现频率比较多的是因果链、推断、一般规律性陈述、知识、必要条件、解释性联系或大观念，而观察、目的论或拟人化陈述、例子或类比以及预测等要素出现较少。但同时，统计检验表明，解释要素在不同被试群体的分布存在显著差异（χ²=57.86，df=24，p<0.001）。仔细观察图2（a）可以看出，这主要是由教师与学生群体在解释要素分布上的不同导致的。具体来讲，学生群体，不管是研究生、大学生还是高中生，在解释要素出现频率的分布上是比较一致的。相比之下，教师群体中，知识（21.5%）和一般规律性陈述（16.8%）的相对出现频率明显高于学生群体（在学生群体中，知识和一般规律性陈述的平均占比分别为12.0%和12.2%）；而因果链（18.3%）和推断（14.7%）的相对出现频率则明显低于学生群体（在学生群体中，因果链和推断的平均占比分别为24.2%和20.7%）。

2. 科学解释中的解释类型

在对4个物理问题的所有140个不同解释中，共出现了NOSE框架中的5种解释类型，分别为因果机制演绎律（62.9%）、因果（15.7%）、演绎律（7.1%）、因果机制（7.1%）、因果演绎（7.1%）。可以看出，大部分被试都通过演绎推理对科学现象进行因果机制的解释。图2（b）给出了解释类型在不同被试群体中的分布情况。

3. 科学解释的质量状况

所有140个科学解释中，充分的解释39个（27.9%），大部分充分的解释55个（39.3%），部分充分解释34个（24.3%），不充分的解释12个（8.6%）。这说明，即便在没有结构性支架的情况下，也有近三分之一的解释是充分的，仅有不到10%的解释是不充分的。进一步分析101个（72.1%）的解释不充分的具体原因，发现35个解释（25.0%）是内容理解上的问题，30个解释（21.4%）是解释规范上的原因，还有36个解释（25.7%）是内容和规范两方面的原因。

图2（c）给出了不同被试群体中科学解释的质量状况。统计检验表明，科学解释的质量水平在不同被试群体间并不存在显著差异，F（3，149）=0.537，p>0.05。这说明，解释质量并不随着被试受教育的水平而递升。

图2  不同被试群体解释要素、解释类型和解释质量分布

为了进一步说明不同科学解释质量水平的具体特征，图3给出了两个被试对图1所示“冰糖溶解”任务的解释地图。其中，编号HS002的被试在了解到任务所描述的“冰糖放入水中消失了”这一物理现象之后，将之归结为“冰糖的熔点比较高”这一原因。此处，被试将“冰糖放入水中消失了”这一“溶解”现象，错误地推断为“熔化”现象，进而试图将“冰糖熔点的高低”和“冰糖能否溶于水”建立因果联系，来解释所观察到的现象。从形式上来看，该解释属于因果型解释。从物理知识的角度来看，“冰糖的熔点比较高”也是相对合理的（冰糖的熔点为186°C）。但是，“溶解”不是“熔化”，“冰糖熔点的高低”与“冰糖能否溶于水”并不存在因果联系。因此，该解释是不充分的。

图3  两个被试在图1所示任务上的解释地图

相比之下，编号GS003的被试正确地判断了“冰糖放入水中消失了”这一现象属于“溶解”现象，并阐明了“冰糖溶解”这一现象是因为“冰糖分子和水分子之间发生了相互扩散”这一微观机制所致。此处，被试将宏观层面可观察的现象和微观层面的因果机制建立了内在联系。不仅如此，被试从现象背后的因果机制出发，进一步阐明了影响因果机制的可能因素（如温度），并对不同条件下现象的变化规律做出了合理预测。“烧杯（内的）水如果温度过高的话，冰糖温度越高，冰糖溶化得就越快”。从形式上看，该解释属于因果机制演绎律型解释，既阐明了现象背后的原因，又明确了由因及果的具体微观机制，并基于因果机制（及其影响因素）预测现象在不同条件下的系统变化规律。整个解释过程从现象到原理、由宏观到微观、先解释后预测，结构完整、逻辑严谨，因而是充分的。

（三）讨论

研究一表明，除了概率定律陈述这一要素之外，NOSE框架下的所有科学解释要素都在被试的解释中有所呈现。至于没有出现概率定律陈述的原因，可能与测验任务的性质有关，也可能与我国科学教育中较少涉及这方面内容有关。具体原因有待后续研究进一步探索。从解释类型来看，所有解释要么涉及一般规律，要么是对现象背后因果关系或机制的阐述。其中，逾六成被试给出的科学解释是在一般规律基础上，通过演绎推理对现象的因果机制进行阐述。这些发现与国外学者的研究结果是比较一致的^［22-23］。这表明，NOSE框架可以被用来分析我国被试的科学解释。

从科学解释的质量状况来看，虽然近三分之一的解释是充分的，但大多数解释存在这样或那样的不足之处。其中，25%是因为对相关的知识内容不理解，不清楚现象背后的原理；21.4%是在科学解释规范上出现了问题；25.7%是内容理解和解释规范两方面都有问题。

那么，提供科学解释规范方面的结构性支架，能否有效改善这些被试科学解释的质量呢？这是研究二所要回答的问题。

（一） 方法

1. 被试

被试是参加过研究一的27名学生（另3名学生被试没有参加研究二）。

2. 测试材料

测试任务同研究一，但研究二在呈现测试任务时，同时以问题链的形式提供了结构性支架（问题链样例见图1）。

结构性支架的设计参考了霍恩（Horne）对解释认知过程的研究^［24］和PISA关于科学解释现象能力的研究^［25］，遵循了“注意现象—检索关联知识和经验—建立因果联系—预测”这一科学解释认知过程。本研究根据科学解释过程的四个环节，以引导性问题的形式分别设计了相应的结构性支架。引导性问题链的呈现方式参考了河原井俊丞等人的研究。^［26］

3. 测试过程

研究一结束一周后，对被试进行再次施测。测试过程同研究一。

4. 编码及评分

共获得27份“出声思维”音频文件，编码及评分规则同研究一。

（二） 研究结果

1. 结构性支架对科学解释要素的影响

提供结构性支架后，解释要素数量整体上有所增加。27名被试在提供支架前后出现的解释要素分别为1348个/次和2065个/次。在具体解释要素上，提供结构性支架并没有改变要素出现的类型。如图4（a）所示，提供结构性支架后，仍然只出现了11种要素中的10种。统计检验表明，科学解释要素在结构性支架提供前后的分布有着显著差异， χ²=61.3，df=9，p<0.001。同时，提供结构性支架后，被试在预测、因果链、知识和例子或类比等要素上的相对出现频率有所增加，而其他要素的相对出现频率则有所下降。

图4结构性支架前后解释要素和解释类型的分布

2. 结构性支架对科学解释类型的影响

提供结构性支架后，同样只是出现了因果机制演绎律、因果演绎、因果机制、因果和演绎律五种解释类型。但是，解释类型的相对出现频率在结构性支架提供前后有着显著差异， χ²=16.7，df=4，p<0.01。图4（b）给出了解释类型的前后分布对比情况。可以看出，提供结构性支架后，因果机制演绎律型的科学解释出现比例明显上升，其他类型科学解释的出现比例都在相对减少。

3. 结构性支架对解释质量的影响

为检验结构性支架对不同群体解释质量的影响，以解释质量为因变量，被试（高中生、大学生和研究生）和是否提供支架（否、是）为自变量，对27名学生的数据进行方差分析（见表2）。统计结果表明，高中生、大学生和研究生在解释质量上没有显著差异，F（2，222）=0.083，p>0.05；是否提供支架对学生解释质量有着显著影响，F（1，222）=16.33，p<0.001；支架对解释质量的影响和被试群体不存在交互作用，F（2，222）=2.04，p>0.05。

表2  结构性支架对科学解释质量影响的方差分析结果

图5给出了结构性支架提供前后，不同被试群体在科学解释不同质量水平上的分布情况。可以看出，无论是高中生、大学生还是研究生，有结构性支架时，达到充分水平科学解释的比例都比无支架时有明显提升。无支架时，高中生、大学生和研究生群体达到充分水平的科学解释比例分别为22.5%、20.0%和32.5%；提供支架后的对应比例分别提高到45.0%、60.0%和57.1%。这进一步验证了前面的统计结果，表明支架对解释质量的影响在不同被试群体中是相对一致的。

图5  不同被试群体的解释质量在结构性支架前后的变化

为了进一步说明结构性支架对科学解释质量的影响，图6给出了编号CS007的一名被试提供支架前后在图1所示“冰糖溶解”任务上的解释地图。在无支架的情况下，被试对于“冰糖放入水中消失了”这一现象，给出“冰糖会溶解在水中”“水对冰糖是有一个溶解度的”的说法，并以此作为该现象背后的原因。此处，被试将“冰糖放入水中消失”这一现象推断为“溶解”现象，并结合“水对冰糖是有一个溶解度的”的相关知识，将“溶解”和“糖在水中消失不见”建立因果关系，来解释观察到的现象。从形式上来看，该解释属于因果型解释，从物理知识的角度来看，被试给出的“溶解”和“水对冰糖有溶解度”的观点是正确的。但是对于冰糖消失现象，从溶解度这个角度进行演绎，其解释力是较弱的。解释要素包含了知识规律和合理的推断过程，解释逻辑是简单线性的，因此，该解释是部分充分的。

相比之下，在提供结构性支架后，被试对现象的观察更加明确和细致：“水中放入冰糖，一段时间后冰糖消失不见，之后看这个烧杯里的水，就好像还是原来的水一样”，说明被试不仅注意到“冰糖消失不见”，也关注了烧杯中水的变化情况。对此，被试阐明了这一现象属于溶解且在微观机制上是“冰糖分子与水分子相互扩散，然后冰糖分子溶解在水当中”的演绎结果，即将宏观层面可观察的现象与微观层面的机制建立了演绎的关系。不仅如此，被试还指出“静置一段时间后，冰糖才会消失，而不是立即消失”的原因是“没有进行搅拌一类的”，这应该是想表达搅拌等条件可以加速冰糖的溶解。随后，被试又从该现象背后的因果机制出发，阐明了影响结果的另一个重要因素——温度：“放入热水中它会更快的消失”，对改变温度这一因素的后果做出合理预测。被试还对预测进行微观机制上的解释：“温度更高的话，分子运动会更加的剧烈，溶解的能力也更强”，进一步加强了宏观现象与微观层面的因果联系。从形式上来看，该解释属于因果机制演绎律型解释，既阐明了现象背后的原因，又有明确的由因及果的具体微观机制，且从原因到结果的过程包含在一般规律之下，现象与规律之间存在演绎的逻辑联系。除此之外，还能基于因果机制及其影响因素预测现象在不同条件下的系统变化规律。整个解释过程，从细致观察现象开始，与一般规律建立因果逻辑，由微观机制演绎出宏观现象，解释结构完整、逻辑缜密、理由充分、预测合理，因而是充分的。

图6  一名被试提供支架前后在图1所示任务上的解释地图

（三）讨论

研究二表明，提供科学解释规范的结构性支架，能够有效改善学生科学解释的质量。这种改善在解释要素、类型和质量等方面均有所体现。具体而言，有支架时，预测、因果链、知识和例子或类比等要素有所增加，表现出更多因果机制演绎律型的科学解释，且达到充分水平的解释比例有明显提升。不仅如此，无论是高中生、大学生还是研究生，支架对解释质量的提升效应都是比较明显的。这些发现不仅呼应了以往的研究结论^［27-28］，而且丰富了结构性支架对科学解释影响的具体内容。

本研究以科学解释的NOSE框架为理论依据，以有关物理现象的开放任务为载体，采用一种科学解释的两阶段动态测评方法对学生的科学解释能力进行测评。研究结果在证实该方法的效果的同时，也为提高学生的科学解释能力提供了一种可行的策略。

首先，本研究通过质性和量化方法分析被试在真实问题情境下建构的科学解释地图。结果发现，所有被试都使用因果链、推断、一般规律性陈述、知识、必要条件、解释性联系或大观念等要素来解释为什么会发生一种现象。然而，与学生的解释相比，教师的解释中知识和一般规律性陈述的相对出现频率明显更高。这可能是由于教师在测试任务上拥有更详细的先验知识，这使他们能够思考到科学现象的各个方面。这一结果与既有的研究相一致^［29］，也得到了以往对新手和专家的研究的支持^［30-31］。研究还发现，被试的解释类型中因果机制演绎律型接近四分之三，说明大部分被试通过演绎推理，对科学现象进行因果机制的解释。这与以往的研究有所不同：阿拉梅赫（Alameh）的研究发现，教师和学生显然比科学家更难以产生更复杂的因果机制解释^［32］；帕金斯（Perkins）和格罗泽（Grotzer）的研究发现，教师和学生只能用简单的线性因果关系来解释现象^［33］。已有的研究还发现，科学教师在科学课堂因果解释的构建和评估方面经常面临挑战。^［34-35］对此我们会进行进一步探索。

其次，本研究发现，虽然有三分之一的解释是充分的，但大多数解释存在这样或那样的不足之处。不足之处表现在要么是因为对相关的知识内容不理解，不清楚现象背后的原理；要么是学生在科学解释规范上出现了问题；要么两方面都有问题。这论证了科学解释既涉及与特定自然现象相关的科学原理或理论，也涉及科学本质以及科学知识生成和检验的认识论原理^［36］。这一研究结论也与以往研究相一致，即学生在建构科学解释时面临的困难主要来自内容的理解和解释的方法两个方面^［37-38］。还一些研究者认为，培养学生的科学解释能力，一方面可以提高学生对特定领域中相关概念或原理的理解，另一方面也可以让学生参与到真实的科学实践中，从而促进他们对科学本质以及科学实践活动背后的认识论原理的理解^［39-40］。本研究还发现，为学生提供结构性支架，可以引导学生创造更有力的解释。具体来讲，结构性支架可以使学生表现出更多的解释要素，解释更充分，解释类型更多样。这与已有研究结论基本一致，其中有代表性的研究是麦克尼尔（McNeill）等人的研究。他们采用渐退式CER支架，发现将认知提示和科学解释支架相结合，可以更好地促进知识整合，提高学生证据和推理能力^［41］。

最后，本研究为在构建自然现象的科学解释中融合科学理解和科学实践提供了实证基础。结果表明，我国学生解释能力尚有较大发展潜力，通过解释地图可以看出，学生解释困难的来源主要有科学内容知识原理掌握薄弱，以及对好的解释的逻辑结构认识不足。通过提供结构性支架可以引导学生在建构解释的思路上更加清晰，在规范的框架下表达出更丰富的内容，从而生成更充分的解释。从教学实践的角度来看，结构性支架为提高学生的解释能力提供了一种可行的方法，将结构性支架吸收进教学设计中，基于教学目标、依托真实情境，将支架扩展成为学生探究过程或教师教学流程，才能以解释能力的提高促进对物理现象的认知和对科学概念的理解。当前课堂中存在的问题主要有两个：一是教师对科学解释认识不足，专注于概念规律的讲授和大量题目的训练，忽略科学解释能力乃至学科实践能力的培养；二是培养解释能力没有课堂范式，导致其一直处于迷茫的探索阶段，无法落地。教师要多关注学生的科学解释能力的培养，让学生达到真正意义上的学以致用，用科学概念、科学知识对生活中的现象和问题作出解释，而非仅限于概念和规律的教学以及题目的讲授。同时，需通过适当的讲解和框架的引导，显化什么是好的科学解释，并将其和科学内容的学习紧密结合，促进学生概念性理解和科学解释能力的协同提高。

总之，NOSE框架下学生科学解释能力的两阶段动态测评方式，有助于更合理、准确地揭示学生科学解释能力的真实情况。不仅可以描绘学生科学解释的过程，还在一定程度上解释了科学解释能力的影响因素和发展方式。本研究为理解和测量科学解释能力表现提供了一个可行的方法，同时也为教学实践提供了一种可能的干预方式。

附录1  NOSE框架中的解释要素的定义、中国化示例及形状表征

附录2  NOSE框架中科学解释的八种类型及其定义

附录3  NOSE框架中科学解释质量的评分标准示例（以因果机制演绎律型为例）

参考文献：