国际数学与科学趋势研究（TIMSS）最新测评结果显示，学生科学平均成绩的国际整体水平逐渐提高，东亚国家/地区处于领先地位，新加坡位列全球第一。研究表明，早期教育启蒙、教育资源、校园氛围及师资力量、学生态度和信心等因素会影响科学平均成绩。为了促进我国科学教育健康发展，首先需要构建安全的学习环境，培养学生学校归属感与积极的科学态度；其次，培养专业化教师来支持学生的科学实践；最后，将课程材料和学生日常经验相结合，合理开发科学课程资源。
关键词：基础教育；TIMSS最新测评；科学教育
《美国竞争力计划》（ACI）针对知识经济时代的教育提出要培养具有STEM（即科学、技术、工程、数学的缩写）素养的人才，并称其为全球竞争力的核心。［1］科学是一门基础工具学科，在各国课程中均占据重要地位，有助于国家的未来发展，因此测评各国学生科学知识与能力也极为重要。国际数学与科学趋势研究（TIMSS）是由国际教育成就评价协会（IEA）发起与组织的大规模国际测评项目，自1995年起，每隔四年对4年级和8年级学生的数学和科学水平进行测量。［2］TIMSS 2019是最新一轮测评，在2017年公布评估框架，2020年12月8日发布测评结果。全球共有64个国家/地区及8个省市参与此次测评，涉及学生人数逾33万名，1.1万所学校、2.2万名教师和31万名家长参与其中，但中国大陆未参加。这次测评启用了基于计算机辅助测评技术的数字评估形式，还通过问卷、访谈等形式收集相关背景数据，以了解家庭和学校、课堂教学两大因素与学生成绩的联系。［3］
TIMSS 2019科学测评框架包括两个主要领域：内容框架和结果框架。其中内容框架指向评估的主题和思维过程，结果框架指向评估的参考标准。
TIMSS 2019科学测评内容框架包含内容和认知两个维度。内容维度用于评估学生对科学基本概念、知识与技能的学习情况。两个年级的内容维度不同。四年级的内容维度主要包含三个领域：生命科学、物质科学和地球科学，其所占比例分别为45%、35%、20%。八年级的内容维度主要包含四个领域：生物学、物理、化学和地球科学，其所占比例分别为35%、25%、20%、20%。TIMSS将学生的认知维度分为“知道”“应用”和“推理”三个领域，由学生的测试结果和解答问题过程判断学生学习水平所处的位置。［2］表1给出测评要点和所占比例。由表1可知TIMSS侧重评价学生对课程知识内容的掌握程度。
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为了解释科学成就量表与学生在评估项目上的表现结果，TIMSS将各国/地区学生的科学学业成就划分为四个基准：高级国际基准（625分）、较高级国际基准（550分）、中级国际基准（475分）、较低级国际基准（400分）。表2给出四个国际基准分别代表的学生对科学知识的掌握程度。
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2019年，有58个国家和6个基准实体（Benchmarking entities）参加四年级评估，39个国家和7个基准区（Benchmarking participants）参加八年级评估。为了避免参与评估的对象年龄太小，TIMSS规定四年级学生的平均年龄应当在9.5岁以上，八年级学生的平均年龄应在13.5岁以上。TIMSS最新科学测评的主要结果及趋势分析如下。
从TIMSS最新科学测评结果的整体来看，东亚国家/地区学生科学测评结果处于领先地位，新加坡总成绩排名第一，与PISA2015的测评结果一致。TIMSS四年级最新的测评结果显示，新加坡学生平均成绩（595分）排名第一，韩国（588分）排名第二，俄罗斯（567分）排名第三，日本（562分）排名第四，中国台湾（558分）排名第五，新加坡和韩国成绩之间并无显著差异，但都显著高于俄罗斯、日本和中国台湾。而芬兰、拉脱维亚共和国、挪威、美国和立陶宛占据第六到第十名。八年级科学成绩排名前五分别是新加坡（608分）、中国台湾（574分）、日本（570分）、韩国（561分）、俄罗斯（543分），新加坡的成绩显著高于中国台湾和日本。而芬兰、拉脱维亚共和国、匈牙利、澳大利亚和爱尔兰位列第六到十名。从TIMSS的长远趋势来看，科学成绩的平均增长幅度大于下降幅度。比如，在同时参与TIMSS 2015和2019四年级科学测评的44个国家和地区中，有10个国家的平均成绩提高，10个国家下降，24个国家趋于稳定，简记为10升10降24平；在同时参与TIMSS 2015和2019八年级科学测评的33个国家中，结果为11升5降17平。又如同时参与TIMSS 2007和2019四年级科学测评的21个国家，结果为6升3降12平；同时参与TIMSS 2007和2019八年级科学测评的23个国家，结果为12升6降5平。再如，同时参与TIMSS 1995和2019四年级科学测评的16个国家，结果为11升2降3平；同时参与TIMSS 1995和2019八年级科学测评的18个国家，结果为8升4降6平。从性别差异来看，四年级学生差异较大，表现为女生优于男生，这与PISA 2015测评结果不同，PISA结果显示男生的科学成绩显著高于女生。在参与TIMSS 2019四年级科学测评的58个国家和地区中，18个国家的女孩平均成绩高于男孩，33个国家无明显性别差异，7个国家的男孩平均成绩高于女孩。从其发展趋势看，四年级女孩平均成绩优于男孩的情况保持相对稳定。比如，在TIMSS 2015没有性别差异的一些国家（埃及、伊朗、南非（九年级）和瑞典），在最新测评中出现女孩成绩高的情况。在参与TIMSS 2019八年级科学测评的39个国家和地区中，15个国家的女孩平均成绩高于男孩，18个国家的平均成绩无显著性别差异，6个国家的男孩平均成绩高于女孩，且2015年与2019年的差异变化并不大，比如，在保加利亚、芬兰、瑞典和阿拉伯联合酋长国，女孩成绩高于男孩的差距逐渐缩小，同时大多数国家和地区的性别差异保持相对稳定。
学生达到国际基准的比例为高级6%、较高级26%、中级39%、较低级21%，大多数国家和地区有超过90%的四年级学生达到了较低级水平，而韩国、俄罗斯联邦和中国台湾基本上是所有的学生（99%）达到了该水平。八年级的比例为高级7%、较高级22%、中级32%、较低级24%，日本（99%）和新加坡（98%）几乎所有的学生都达到了较低级水平。除此之外，在四年级中，新加坡和韩国学生达到高级基准的比例最高，分别为38%和29%。对于八年级来说，除韩国外，前几名达到高级基准的比例要高于四年级，新加坡是其中表现最好的国家，有48%的学生达到了高级基准。从国际基准的发展趋势来看，四年级学生达到高级基准的比例相对稳定，八年级学生则呈现上升趋势。比如，在同时参加2015年和2019年四年级测评的44个国家和地区中，在高级基准上有5个增加，5个减少。而同时参加2015年和2019年八年级测评的33个国家中，在高级基准上有10个增加，只有1个减少。但从长远发展来看，两个年级都呈现出上升趋势。比如，与1995年相比，在高级基准上，同时参与四年级科学测评的16个国家和地区中有7个增加和5个减少，同时参与八年级科学测评的18个国家和地区中有7个增加和2个减少。
在内容维度上，两个年级学生的科学成绩在领域间发展不平衡。比如，参加TIMSS 2019四年级测评的国家和地区对地球科学的教学重视程度似乎低于另两个科学领域。具体来说，在“生命科学”领域，53个得分的参与国表现为21个相对优势，13个相对弱势（简记为21优13弱）；在“物质科学”领域为17优21弱；在“地球科学”领域为10优26弱。而八年级对化学和物理领域的教学重视程度相对较低，在“生物学”领域，37个得分的参与国表现为11优8弱；“物理”领域为9优14弱；“化学”领域为10优16弱；“地球科学”领域为12优19弱。但与TIMSS 2015相比，两个年级各个领域内成绩趋于稳定。在认知维度上，学生在三个领域上的发展也不平衡，两个年级学生在“应用”领域的优势都小于其他领域，四年级学生在“知道”领域表现最好，八年级学生在“推理”领域表现最好。比如，在“知道”“应用”“推理”三个领域，四年级学生的优劣势比依次为18∶11、9∶22和17∶15，八年级学生为11∶12、6∶14和13∶16。与TIMSS 2015相比，两个年级学生在“知道”领域表现得越来越好，四年级成绩上升的国家和地区数量为12个，八年级为10个，整体呈增长趋势。
为了研究学生成绩的影响因素，TIMSS最新测评通过问卷、访谈等方法，选择与所评价学生相对应的家长、校长和教师进行调查，搜集相关背景信息，从根源层面对测评结果进行解读。［4］背景因素分为家庭与学校背景、课堂教学背景两大类，前者包括家庭环境支持、学校组成和资源及学校氛围等方面，后者包括教师准备、专业发展和工作满意度、教与学的挑战和学生态度等方面。
家庭背景因素主要包括三方面，第一是家庭学习资源，资源越丰富，科学平均成绩越高。TIMSS最新测评将家庭学习资源分为“丰富”“一般”和“较少”三类，四年级学生的比例依次为：17%、75%、8%，平均成绩为557、488和414；八年级学生比例为14%、73%、13%，平均成绩为549、489和431。第二是早期识字与算术启蒙活动，活动频率与平均成绩之间呈正相关关系。比如，四年级科学活动频率为“经常”（42%）、“有时”（55%）、“从不或几乎从不”（3%），其对应的平均成绩为507、484和421。第三是接受学前教育的年数，年数与科学成绩之间也存在正向关系。四年级学生中接受学前教育年数“3年及以上”（56%）、“2年”（17%）、“1年及以下”（15%）和“未接受”（12%）所对应的平均成绩为540、489、472和452。学校背景主要包括四方面，第一是科学教学资源，资源越短缺，科学平均成绩越低。四年级学生的学校科学资源短缺情况为“没有影响”（24%）、“有点影响”（69%）以及“影响很大”（7%），其对应的平均成绩为508、488和472。成绩位列前茅的新加坡，其学校教学资源也最丰富。第二是学校对学生学业成就的重视程度，分为“非常高”“高”和“中等”三等级，等级越高，学生平均成绩越高。比如八年级学生对应的平均成绩依次为538、501和470。其中韩国在两个年级对学生学业成就的重视程度均为第一。第三是学生的学校归属感，归属感越高，学生平均成绩越高。比如八年级学生“高”（37%）、“中”（49%）和“低”（14%）三个等级的平均成绩依次为502、490和470，而四年级学生整体学校归属感要高于八年级。第四是学校的纪律和安全问题，学校的问题越少，校园越安全，学生平均成绩就越高。比如四年级学生在遭受校园欺凌的频率为“从不或几乎从不”（63%）、“每月”（29%）和“每周”（8%）三个等级上对应的平均成绩为503、486和437，其校园欺凌问题发生频率高于八年级。
课堂教学背景主要包括四方面，第一是学生对待科学的态度，包括学生的喜好、自信心和学习态度。首先，学生越喜欢科学，平均成绩越高。比如对科学学习喜爱程度为“非常喜欢”（52%）、“有点喜欢”（36%）、“不喜欢”（12%）的四年级学生对应的平均成绩为506、478和467。其次，学生对科学学习越自信，平均成绩越高。比如，对科学学习“非常自信”（38%）、“有点自信”（43%）和“不自信”（19%）的四年级学生对应的平均成绩为520、486和453。最后，学生越重视科学，平均成绩越好。比如，八年级学生对科学“非常重视”（36%）、“有点重视”（42%）和“不重视”（22%）对应的平均成绩为511、487和467。第二是科学课程与教学，包括教学时间、课程内容以及教学清晰度。首先，教学时间会影响学生成绩。平均而言，八年级每年物理学的教学时间（52小时）最高，其次是化学（51小时）、生物学（45小时）和地球科学（40小时）。其次，尽管各个国家/地区的课程内容不全相同，但都包含TIMSS绝大多数评价主题。比如，四年级课程内容包含“所有科学内容”“生命科学”“物质科学”和“地球科学”的百分比为62%、73%、58%和60%。最后，教师课堂教学越清晰，学生平均成绩越高。比如，八年级学生在“高”“中”“低”三个清晰度上的平均成绩依次为507、484和466。第三是学生，包括学生的缺勤率、准备、饥饿和睡眠。首先，缺勤率越低，平均成绩越好。四年级学生缺勤率在“几乎从不”（61%）、“每2月一次”（13%）、“每月一次”（10%）、“两周一次”（5%）、“一周一次”（11%）上的平均成绩为503、498、484、455和437。其次，学生未准备的越多，平均成绩越低。TIMSS2019将学生未准备的分为“很少”“一部分”“很多”三个等级，四年级学生所占的比例依次为37%、58%和6%，平均成绩为506、484和465；八年级学生未准备部分为“很少”（26%）、“一部分”（66%）、“很多”（8%）的平均成绩为515、484、457，可见多数学生准备得较为充分。最后，最新测评发现学生的饥饿和睡眠会影响其平均成绩，在学校感到饥饿和疲惫频率低的学生，其平均成绩更高。
第四是教师，包括专业、教学经验和工作满意度。首先，教师的专业会影响学生的科学平均成绩，相较于其他，科学专业教师的学生平均成绩更高。再次，教学经验丰富的教师，其学生平均成绩较好。比如，在四年级，教师教学经验“超过20年”与“小于5年”对应的学生平均成绩为492和485。最后，教师的工作满意度也影响学生成绩。对工作“非常满意”教师的学生平均成绩略高于“有点满意”教师的学生。比如，四年级“非常满意”与“有点满意”教师的学生平均成绩为493和490。
在全球化时代，国际大规模教育评估可以比较各国中小学生的文化素养，诊断教育教学中的相关问题，引起教育政策制定者和学校研究者的反思，为制订学生发展标准和教育政策提供视角。TIMSS作为国际上最成功、最有影响力的国际成就评估项目之一，越来越多的国家和地区被吸引而长期积极参与，并利用其研究成果优化本国的基础教育。虽然我国大陆地区并未参与TIMSS 2019测评，但台湾地区学生科学学习情况及TIMSS最新测评结果对我国科学教育仍有重要参考意义。
TIMSS最新测评结果显示，较高的学校归属感和良好的科学态度有利于学生科学成绩的提高。这与Smith等人的研究结果一致。2021年，Smith等人运用TIMSS2015的数据调查了学校归属感的作用及其与科学学习态度的关系，研究发现学校归属感可显著预测积极的科学学习态度与成绩。［5］同时，TIMSS最新测评结果显示，校园氛围越安全，学生的成绩越高。因此，安全的校园氛围及学校归属感和积极的学习态度在科学教育中至关重要。教育工作者应采取积极的干预措施来建立安全的校园氛围，培养学生的学校归属感，并促进学生积极科学态度的养成。首先，从学校环境层面看，学生积极的科学态度，如学习科学的自信心，可以通过改善学校的整体氛围来增强，进而提高学生的科学成绩，而非仅关注学生本身。例如，教师、学校行政人员等应努力与学生建立良好的师生关系，进而帮助学生形成对科学的积极态度，提高学习兴趣与自信心，增加其进一步学习与研究的可能性。其次，从课堂环境层面看，科学教师应关注学生的学习环境与氛围，通过调整教学策略，创造面向全体学生的包容性课堂环境，提高学生学校归属感并培养积极的科学态度。例如，小组学习策略和基于探究的科学教学策略都有利于为学生创造安全、包容的课堂氛围，使学生在与他人合作交流的过程中，加强学生的人际关系和科学学习的参与感。［6］
从TIMSS最新科学测评结果来看，两个年级的学生在应用领域都有明显劣势。如何提高学生对科学知识的应用与实践能力是目前科学教育面临的关键问题，尽管这一问题已受到广泛关注，但对于科学教师来说，将教学从提供科学的知识内容转向帮助学生进行知识的主动建构与应用仍是一个挑战。我国重视启发式教学，虽在一定程度上可以激发学生学习与探究的兴趣，但依旧局限于将学生视为知识的“复制者”，不利于学生的科学实践。［7］为解决这一问题，教师需重塑课堂互动与课堂活动，为学生提供应用科学知识的机会。由于不存在适用于所有学生的最佳方法，因此必须加强教师的专业发展。从测评结果来看，虽然多数教师均已取得学士或以上学位，但科学教育专业出身的教师并不多，比如我国台北四年级的科学教师中，科学教育专业的仅31%，八年级的则仅20%，这在一定程度上造成科学教师出现学科专业知识缺乏、课堂教学能力与技能较低的问题。因此，为支持学生的科学实践，需从以下两方面培养专业化教师。首先，教师要有能力引导学生在实践中根据论据进行推理和验证，这要求教师有丰富的专业知识储备，在进行教学设计时有充分的准备论据的知识基础，以便学生可以在实践过程中根据这些论据，提出假设与解决方案，并采取行动进行论证。其次，科学实践不仅要求学生对知识的简单应用，还需要教师有能力引导学生对科学知识进行深层次的理解与思考。教师可以在科学课程中使用“What-How-Why”准则来评估学生对科学知识的理解程度。达到“What”程度的学生可以描述发生的现象，但难以解释原因；达到“How”程度的学生除了描述发生的现象之外，还关注过程，即现象是如何发生的，并思考因果关系；达到“Why”程度的学生除了描述发生的现象及如何发生之外，还可理解现象为什么会发生或这些现象的作用机制，包括因果链条以及不可观察或理论性的观点。［8］例如，教师要求学生在每单元开始时构建初始认知模型，即在笔记本上记录他们学到的科学知识，并在该单元学习过程中，不断回顾笔记本，通过新旧知识的联系来修改他们的认知模型。课程结束后，教师检查学生的笔记本，运用“What-How-Why”准则分析学生对科学知识的理解程度，并给予及时的评价反馈。
TIMSS最新测评结果显示，科学资源与学生成绩成正比，资源越匮乏的国家，学生的平均成绩能达到较低级国际基准的比例就越低。科学课程资源指有助于进行科学教学活动的各种资源，合理使用这些资源，有助于激发学生学习科学的兴趣，提高教学互动的质量。我国在2022年科学课程标准中指出，利用多元主体开发科学课程资源，在开发中既要充分发挥教师作为课程开发重要主体的作用，又要发挥学生的积极性，培养学生的实践能力。因此，应开发以实践为导向、以学生的日常生活经验为基础的科学课程资源，使教师和学生在课堂上共同构建科学知识。首先，围绕复杂、可观察的日常现象精心设计科学课程和活动，为学生提供参与科学实践以共同构建科学知识的机会。使学生能够在他们的日常经验和课堂科学探究之间建立有意义的联系，通过动手调查发现和解决问题，并以数据为依据来修改和加深他们对科学问题的理解。其次，激发学生将他们的日常经验作为科学知识建构的资源，这也被视为K-12科学教育框架的指导原则。许多学者都支持将学生的生活经验作为科学学习的基础，反对“学校科学”和“科学家的科学”不相容的观点。［9］最后，教师既不能过度依赖已经设计好的课程材料，学生也不可片面依赖日常生活经验，应将以实践为导向的课程材料和学生的日常经验作为激发学生进一步探究科学问题的脚手架。
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转自丨上海教育评估研究
编辑丨许士中
审核丨周利
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