教育中科學(xué)論證教學(xué)的困境與啟示

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摘要：科學(xué)論證教學(xué)是國際科學(xué)教育中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的有效方式。研究表明教師不了解科學(xué)論證是什么，缺乏科學(xué)論證教學(xué)專業(yè)知識，以及開展科學(xué)論證教學(xué)與日常教學(xué)任務(wù)之間的時間矛盾是美國科學(xué)論證教學(xué)的實踐困境。為了促進科學(xué)論證教學(xué)的發(fā)展，美國科學(xué)教育者不斷推進科學(xué)論證教學(xué)模式、評價標準和專業(yè)發(fā)展研究。借鑒美國的經(jīng)驗，我國教師需要深度把握科學(xué)論證是什么，擁有科學(xué)論證教學(xué)專業(yè)知識，意識到科學(xué)知識的傳遞是科學(xué)論證教學(xué)的途徑，選擇適當(dāng)?shù)目茖W(xué)概念開展論證教學(xué)，為落實我國科學(xué)思維學(xué)科核心素養(yǎng)提供有力支撐。

關(guān)鍵詞：科學(xué)論證；科學(xué)論證教學(xué)；科學(xué)思維；學(xué)科核心素養(yǎng)；美國科學(xué)教育

科學(xué)是建立在邏輯和推理的基礎(chǔ)之上進行探索和解釋自然現(xiàn)象從而創(chuàng)建知識的活動，科學(xué)知識的發(fā)展和應(yīng)用影響著國家的前途命運和人民的生活福祉。科學(xué)論證是科學(xué)事業(yè)的關(guān)鍵，科學(xué)家以問題為中心，基于證據(jù)地反思、審視和質(zhì)疑以創(chuàng)造知識，推進世界的發(fā)展。能夠利用科學(xué)知識和原理進行科學(xué)論證，評價各種信息作出科學(xué)和生活相關(guān)問題的理性決策是當(dāng)今科技時代公民有效生存的關(guān)鍵。尊重事實和證據(jù)，有實證意識，能夠運用科學(xué)思維認識事物和解決問題，是我國基于核心素養(yǎng)課程改革的重要目標。培養(yǎng)能夠利用科學(xué)論證基于證據(jù)進行決策的人才也是美國科學(xué)教育的重要目標，美國多年來積累的科學(xué)論證教學(xué)經(jīng)驗?zāi)軌驗槲覈茖W(xué)論證教學(xué)的發(fā)展提供借鑒。

一、美國科學(xué)教育中科學(xué)論證教學(xué)的困境

1.教師不了解科學(xué)論證

美國科學(xué)教育相關(guān)研究表明科學(xué)論證教學(xué)的開展對于美國的科學(xué)教師依然是很困難的。劉世玉和羅里格（Roehrig，G）在為期三年的教師專業(yè)發(fā)展項目中探索了14位美國科學(xué)教師在全球氣候變暖社會性科學(xué)議題背景下的科學(xué)論證能力，研究結(jié)果表明科學(xué)教師的科學(xué)論證表現(xiàn)并不好，基于證據(jù)評價觀點對于教師來說非常困難的，教師對科學(xué)論證的理解影響教師的科學(xué)論證表現(xiàn)[1]。同樣，麥克尼爾（Mcneill，KL）等人通過問卷和訪談的方式收集數(shù)據(jù)調(diào)查了42位美國教師影響其開展科學(xué)論證教學(xué)的因素，研究結(jié)果表明教師對科學(xué)論證的理解對科學(xué)論證教學(xué)的影響最大，教師并不了解科學(xué)論證是什么以及科學(xué)論證的重要性[2]。教師了解科學(xué)論證是什么是開展科學(xué)論證教學(xué)的前提。

2.教師缺乏科學(xué)論證教學(xué)的專業(yè)知識

教師，即使是推廣科學(xué)論證的專家教師的科學(xué)論證能力也較低，卡什辛格（Katsh-singer，R）利用問卷測評了53位來自美國各州的科學(xué)論證專家教師的科學(xué)論證學(xué)科教學(xué)知識，研究結(jié)果表明雖然大部分的科學(xué)論證專家教師認為論證對于學(xué)生是有益處的，但是他們科學(xué)論證相關(guān)的知識水平較低，特別是對科學(xué)論證中證據(jù)、推理和批判的認識不夠[3]。麥克尼爾（Mcneill，KL）等人邀請70位中小學(xué)教師參與了影響科學(xué)論證學(xué)科教學(xué)知識的專業(yè)發(fā)展課程，研究數(shù)據(jù)表明教師很難將科學(xué)論證整合到課堂實踐中，對證據(jù)和推理的理解有限，教師需要更多的資源和工具來幫助他們進行科學(xué)論證教學(xué)[4]。奈特巴茲利（Knight-Bardsley，A）等人分析了參與科學(xué)論證專業(yè)發(fā)展課程之后5位中小學(xué)教師科學(xué)論證課堂的變化，研究表明科學(xué)教育者需要清晰地界定教師進行科學(xué)論證需要的知識，并且明確系統(tǒng)地向教師傳遞這些知識才能更好地推進科學(xué)論證教學(xué)的發(fā)展[5]。

3.日常教學(xué)與科學(xué)論證教學(xué)存在時間矛盾

王建蘭（WangJ）和巴克（Buck，GA）在追蹤物理教師的科學(xué)論證課堂時，教師表示課堂時間緊張是教師不愿意進行科學(xué)論證教學(xué)的主要原因。教師本身有日常的教學(xué)任務(wù)，開展科學(xué)論證教學(xué)占用的時間會影響教學(xué)任務(wù)的完成[6]。一方面，科學(xué)論證教學(xué)對于教師來說是新的領(lǐng)域，教師需要花費大量的時間進行探索、設(shè)計和實施，給原有的教學(xué)帶來影響；另一方面，由于教師不了解科學(xué)論證是什么，也缺乏科學(xué)論證教學(xué)的專業(yè)知識來支持教學(xué)實踐，教師需要投入大量的時間和精力來鉆研科學(xué)論證教學(xué)。因此，教師需要了解科學(xué)論證是什么，認同科學(xué)論證的價值，掌握科學(xué)論證教學(xué)專業(yè)知識，才能真正地將科學(xué)論證融入日常教學(xué)，促進日常教學(xué)的高效發(fā)展和教師論證教學(xué)能力的發(fā)展。

二、美國科學(xué)教育中科學(xué)論證教學(xué)的發(fā)展策略

1.將科學(xué)論證納入國家科學(xué)課程標準

自1996年美國國家研究理事會（NationalResearchCouncil，簡稱NRC）頒布史上第一份全國性的科學(xué)教育標準以來，強調(diào)以科學(xué)探究為中心，提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的理念成為全球科學(xué)教育的關(guān)注點。2011年，美國國家研究理事會（NRC）發(fā)布了闡釋美國新課標修訂指導(dǎo)思想的核心內(nèi)容框架《K-12科學(xué)教育的框架：實踐、跨學(xué)科概念與核心概念》，以下簡稱《K-12框架》。《K-12框架》強調(diào)以科學(xué)與工程實踐、跨學(xué)科概念和學(xué)科核心概念為主線的三維框架來概括學(xué)生所有要學(xué)習(xí)的內(nèi)容[7]。《K-12框架》提出了科學(xué)實踐的八大維度，維度七是參與基于證據(jù)的論證，明確強調(diào)了論證這一基本科學(xué)實踐在科學(xué)教育中的重要地位。基于證據(jù)的論證指的是：在科學(xué)中論證是識別推理過程的優(yōu)點和缺點以及發(fā)現(xiàn)自然現(xiàn)象最佳解釋所必不可少的。科學(xué)家必須為他們的解釋辯護，根據(jù)可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)來尋找證據(jù)，根據(jù)他人提供的證據(jù)和意見來檢驗他們自己的理解，并與同行合作，尋找對正在調(diào)查的現(xiàn)象的最佳解釋。2013年，美國成就公司（Achieve，Inc.）發(fā)布了最終的美國《新一代科學(xué)教育標準》（TheNextGenerationScienceStandards，簡稱NGSS），這個課程標準呈現(xiàn)了美國K-2至K-12各個年級基于證據(jù)論證的具體目標，主要強調(diào)學(xué)生要構(gòu)建和優(yōu)化論證、接受批判和反論證以及學(xué)會審視和評價論證[8]。自科學(xué)論證成為美國科學(xué)課程的重要目標以來，美國的政府、學(xué)校和科學(xué)教育研究者不斷推進科學(xué)論證教學(xué)的發(fā)展，積累了很多實踐經(jīng)驗。

2.關(guān)注科學(xué)論證教學(xué)模式的創(chuàng)新與發(fā)展

為了促進美國教師科學(xué)論證教學(xué)的有效發(fā)展，研究者結(jié)合課堂實踐提出了不同的科學(xué)論證教學(xué)模式。美國科學(xué)教育者桑普森（Sampson，V）提出的科學(xué)論證探究式教學(xué)模式（Argument-DrivenInquiry，簡稱ADI論證教學(xué)模式）是國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的科學(xué)論證教學(xué)模式，主要包括確定任務(wù)、收集數(shù)據(jù)、產(chǎn)生暫定性的論證、論證互動階段、完成調(diào)查報告、雙盲同行審議、修正過程以及反思性討論等過程[9]。2013年，桑普森（SampsonV）又關(guān)注了生物學(xué)中的科學(xué)論證教學(xué)，基于ADI論證教學(xué)模式提出了產(chǎn)生論證和評價論證兩種教學(xué)模式。兩種論證教學(xué)模式的第一個步驟即確定任務(wù)有區(qū)別：產(chǎn)生論證是問題直接給予學(xué)生，學(xué)生尋找答案進行論證；評價論證是給予學(xué)生問題的同時也給予學(xué)生可能的答案，讓學(xué)生選擇自己支持的答案進行論證。這兩種模式更加明確了提出任務(wù)的類型供教師選擇[10]。2015年，庫賈夫斯基（Kujawski，D）也基于ADI教學(xué)模式提出了科學(xué)論證教學(xué)模式（Present，Critique，Reflect，Refine，簡稱PCRR教學(xué)模式），這個教學(xué)模式包括呈現(xiàn)論證過程、批判和審閱論證過程、反思論證過程以及提煉學(xué)習(xí)收獲，更加鼓勵教師在課堂中強調(diào)學(xué)生的批判和反思[11]。美國科學(xué)論證教師模式的發(fā)展趨勢是步驟不斷細化以及更加突出論證的批判反思過程。

3.關(guān)注科學(xué)論證能力評價標準的開發(fā)與應(yīng)用

信效度良好的科學(xué)論證能力評價標準是監(jiān)測科學(xué)論證教學(xué)效果非常重要的工具。美國學(xué)者埃爾杜蘭（ErduranS）開發(fā)了論證質(zhì)量五級標準，從論證結(jié)構(gòu)的角度區(qū)分不同的評價等級，包括主張、主張和理由、有理由的主張和反駁等標準，反駁屬于比較高的科學(xué)論證能力等級[12]。2013年，基于論證質(zhì)量的五級標準，桑普森（SampsonV）在研究中提出了更加詳細的論證能力標準，關(guān)注主張的正確性，證據(jù)是否進行了分析、解釋和辯護，也提出能夠明確基于證據(jù)質(zhì)疑不同解釋屬于較高的論證能力等級[13]。科學(xué)論證能力評價標準不斷向更多層級發(fā)展，2016年，奧斯本（OsborneJF）發(fā)展了學(xué)生參與論證推理的學(xué)習(xí)能力進階水平，從構(gòu)建和批判的角度開發(fā)了0~2級共13個等級的科學(xué)論證進階水平，批判屬于更高的科學(xué)論證能力等級[14]。美國科學(xué)論證能力標準的發(fā)展不斷從關(guān)注論證的構(gòu)成轉(zhuǎn)向關(guān)注論證構(gòu)成各個內(nèi)容的質(zhì)量（主張的正確性或證據(jù)的科學(xué)性）和反思批判等思維意識。

4.關(guān)注科學(xué)論證教學(xué)專業(yè)發(fā)展活動的實施

教師需要專業(yè)的課程培訓(xùn)以提升科學(xué)論證教學(xué)能力和積累科學(xué)論證教學(xué)經(jīng)驗。美國學(xué)者麥克尼爾（Mcneill，KL）開發(fā)了科學(xué)論證學(xué)科教學(xué)知識的專業(yè)發(fā)展課程，讓教師了解科學(xué)論證教學(xué)策略相關(guān)知識以及學(xué)生對科學(xué)論證的理解，專業(yè)發(fā)展課程不僅介紹了如何將科學(xué)論證融入課堂教學(xué)、如何評價學(xué)生的科學(xué)論證能力，還給予教師進行科學(xué)論證教學(xué)的實踐機會，幫助教師進行科學(xué)論證教學(xué)設(shè)計以及對教學(xué)效果進行評價[15]。施姆維爾（ShemwellJT）在研究中設(shè)計了教師的科學(xué)論證專業(yè)發(fā)展活動，活動包括調(diào)查教師對科學(xué)論證概念的觀點、收集教師對學(xué)生論證能力水平評價的情況以及分析教師在教學(xué)活動中使用科學(xué)論證概念的情況[16]。兩位美國科學(xué)教育者設(shè)計的專業(yè)發(fā)展活動都歷時4個月之久，可見教師科學(xué)論證教學(xué)能力的培養(yǎng)需要長期的培訓(xùn)和發(fā)展。

三、美國科學(xué)論證教學(xué)的發(fā)展對我國科學(xué)論證教學(xué)的啟示

教師是將科學(xué)論證融入課堂的關(guān)鍵，教師如果沒有進行科學(xué)論證教學(xué)的意識，學(xué)生更沒有機會參與到科學(xué)論證的學(xué)習(xí)中。為了把黨的教育方針科學(xué)地細化為具體的人才培養(yǎng)目標，教育部啟動了“立德樹人”工程。2013年5月，林崇德教授團隊接受教育部關(guān)于研究中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的任務(wù)，歷經(jīng)3年多時間，核心素養(yǎng)研究課題組于2016年召開了中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)研究成果新聞發(fā)布會，全面公布了包括三大領(lǐng)域六種素養(yǎng)十八個要點的中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)，其中科學(xué)精神的理性思維維度強調(diào)尊重事實和證據(jù)，有實證意識，能夠運用科學(xué)的思維認識事物和解決問題[17]。科學(xué)論證教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的有效方式，我國基于核心素養(yǎng)的理科課程標準也強調(diào)了科學(xué)論證。如何開展科學(xué)論證教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，落實高中理科課程學(xué)科核心素養(yǎng)也是我國科學(xué)教育亟待解決的問題。

1.教師開展論證教學(xué)需要深入了解科學(xué)論證

教師要從科學(xué)知識的建立過程了解科學(xué)論證。科學(xué)論證是科學(xué)家推進科學(xué)知識發(fā)展的基本實踐，科學(xué)教師所教的每一個科學(xué)知識都是科學(xué)家通過科學(xué)論證得到的。科學(xué)論證是科學(xué)家工作的基本方式，科學(xué)的特點是通過客觀的論證和批判產(chǎn)生關(guān)于自然界的知識，當(dāng)新的理論或者方法出現(xiàn)時，科學(xué)家將科學(xué)論證作為一個手段來為新的思想辯護，同時其他的同行科學(xué)家會進行爭辯和審議找出弱點和局限性。通過科學(xué)論證檢驗的新思想會獲得科學(xué)團體的認可，作為新的知識出現(xiàn)，當(dāng)更新的證據(jù)出現(xiàn)時，科學(xué)家又會重新進行科學(xué)論證，如此循環(huán)，逐漸靠近對客觀世界的真實描述。科學(xué)家依靠科學(xué)論證獲得科學(xué)知識，但是在科學(xué)教育中科學(xué)教師往往傳遞的是靜態(tài)的科學(xué)知識，告訴學(xué)生科學(xué)知識是什么，很少引導(dǎo)學(xué)生了解為什么，很少闡釋科學(xué)知識是如何通過科學(xué)論證來構(gòu)建的。

2.教師進行有效論證教學(xué)需要專業(yè)的科學(xué)論證教學(xué)知識

教師需要全面和系統(tǒng)的科學(xué)論證專業(yè)教學(xué)知識來支持科學(xué)論證教學(xué)實踐。結(jié)合美國科學(xué)論證相關(guān)研究可知，科學(xué)論證教學(xué)模式的發(fā)展需要更加細化的步驟，更加豐富的內(nèi)容以及要突出學(xué)生反思和批判意識的培養(yǎng)；科學(xué)論證能力評價標準的開發(fā)需要更多層次的等級，要關(guān)注學(xué)生論證的結(jié)構(gòu)以及關(guān)注學(xué)生論證的質(zhì)量，比如主張的正確性以及證據(jù)的科學(xué)性；科學(xué)論證的專業(yè)發(fā)展需要更加全面的科學(xué)論證專業(yè)知識體系和持續(xù)時間比較長的專業(yè)發(fā)展培訓(xùn)。科學(xué)論證教學(xué)模式、教學(xué)策略、評價工具等相關(guān)研究的發(fā)展都能為科學(xué)論證專業(yè)發(fā)展提供理論和實踐支撐。我國的教師教育相關(guān)研究者可以基于國內(nèi)外科學(xué)論證教學(xué)專業(yè)知識相關(guān)研究開發(fā)科學(xué)論證教學(xué)專業(yè)發(fā)展課程，讓教師了解科學(xué)論證如何教，科學(xué)論證教學(xué)效果如何評價，科學(xué)論證教學(xué)案例如何設(shè)計以提升科學(xué)教師的科學(xué)論證教學(xué)專業(yè)知識。教師需要周期較長的專業(yè)培訓(xùn)來發(fā)展科學(xué)論證教學(xué)能力。

3.教師需要認識到科學(xué)知識的傳遞是科學(xué)論證教學(xué)的重要途徑

很多教師認為科學(xué)論證教學(xué)的開展需要專門的時間，這使得日常教學(xué)的完成存在壓力。教師只要深入了解科學(xué)論證是什么，就能認識到科學(xué)論證是科學(xué)知識建立的方式，日常科學(xué)概念的講解就能實現(xiàn)科學(xué)論證教學(xué)和科學(xué)思維的培養(yǎng)。教師可以選擇適合的科學(xué)概念，創(chuàng)設(shè)科學(xué)論證教學(xué)情境和學(xué)生一起構(gòu)建科學(xué)概念。如圖1所示，在傳統(tǒng)的教學(xué)中，科學(xué)教師一般傳遞的是靜態(tài)的科學(xué)知識，學(xué)生學(xué)到是什么，而不知道為什么，不知道為什么就不會應(yīng)用，而學(xué)生需要實際參與科學(xué)實踐的機會。在科學(xué)論證教學(xué)情境中，教師講解科學(xué)知識的構(gòu)建過程，不僅傳遞科學(xué)知識，更將基于證據(jù)作出決策的科學(xué)思維傳遞給學(xué)生。學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)內(nèi)容知識時提出自己的主張，并利用科學(xué)證據(jù)支持主張，還可以在與同學(xué)的對話與辯論中驗證和修正主張，體驗評價和批判的過程，科學(xué)論證教學(xué)使學(xué)生的思維和推理變得清晰可見。教師認識到科學(xué)教育中科學(xué)知識的傳遞是培養(yǎng)學(xué)生基于證據(jù)作出決策的途徑能夠增加教師進行科學(xué)論證教學(xué)的意愿。就科學(xué)概念的教學(xué)而言，教材中呈現(xiàn)科學(xué)史故事較多的概念，很好地體現(xiàn)了科學(xué)知識建立的科學(xué)論證過程，比如光合作用的概念，科學(xué)家做實驗基于證據(jù)證明、支持和推翻前人的結(jié)論，最終發(fā)現(xiàn)光合作用的機理。教師可以利用科學(xué)史故事開展科學(xué)論證教學(xué)，讓學(xué)生體會科學(xué)家基于證據(jù)作出決策的過程，既能夠完成日常教學(xué)任務(wù)又能夠進行科學(xué)論證教學(xué)，解決時間矛盾。科學(xué)論證教學(xué)能力的培養(yǎng)不是一朝一夕就能實現(xiàn)的，教師可以先從一個概念、一節(jié)課程開始進行課程實踐，點滴積累，實現(xiàn)從未知到掌握的轉(zhuǎn)變，這也是教師自我專業(yè)成長的好機會。科學(xué)論證教學(xué)經(jīng)驗的不斷積累有助于吸引教師加入科學(xué)論證教學(xué)實踐和發(fā)展隊伍，將科學(xué)論證教學(xué)成功融入日常教學(xué)，在課堂中有效落實學(xué)生科學(xué)思維學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

作者:劉辰艷 張穎之 單位:太原師范學(xué)院生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 首都師范大學(xué)教師教育學(xué)院