科学建模与科学论证整合的教学模式述评

弭 乐 郭玉英

(北京师范大学物理学系，北京 100875)

*通讯作者： 郭玉英，女，博士，教授，主要从事物理课程与教学论研究.

2010年,Cavagnetto对54篇论证教学文献进行研究,结果发现科学论证教学策略可分为3类:[6]结构式、科学社会式和渗透式．结构式教学策略与具体内容和探究活动分离,单纯教授论证结构,并要求学生在不同的解释活动中应用论证．科学社会式教学策略利用社会和科学的交互作用来学习科学论证,强调了社会(包括政治、道德、伦理等)对科学的影响．渗透式教学策略将论证作为一种工具,帮助学生构建、理解科学规律和科学文化实践活动．Cavagnetto认为渗透式教学策略完全符合科学教育实践,是最有希望培养科学素养的论证教学策略．SNP模式(Science Negotiation Pedagogy,简称SNP)是美国最新提出的一种整合建模和论证过程的渗透式教学模式.它基于学科核心概念提出问题,采用口头论证、写作与反思论证等方式,围绕模型建构逐步深入地展开论证过程,将建模和论证有机结合,在促进学生科学能力发展的同时深化对学科核心概念的理解．SNP模式依据模型阐释了科学论证多方面的本质,能够对科学论证过程进行充分的描述和解释,为判断论证的质量提供了明确的参考点,因此该模式创设了一种全面、有效的评判视角,完善了对论证质量的评价．本文介绍SNP模式并结合教学主题展开理论探讨,供我国科学教育中的建模和论证教学参考借鉴．

1 SNP教学模式简介

1.1 研究基础和理论框架

2013年美国明尼苏达大学(the University of Minnesota,简称UMN)STEM教育中心研究员Chen等基于NGSS对论证实践的要求提出了NC教学模式(the Negotiation Cycle,简称NC)．[7]该模式将论证作为理解科学核心概念和参加实践活动的工具,帮助教师将科学论证引入科学课堂．2016年Chen等将建模要素融入NC模式,同时参考了SWH教学模式(the Science Writing Heuristic approach,简称SWH)[8]和ADI教学模式(the Argument-Driven Inquiry,简称ADI),[9]经过整合提出SNP教学模式．SNP模式包含了SWH模式和ADI模式中的初步构建论证环节、论证环节和写作环节,以及NC模式和SWH模式中查找资源环节．Lemke(1998)指出科学家并不是单纯从口头上建构和批判观点,[10]他们还需要书面表明这些观点,揭示事件和论证模式以及在科学规范中连接和定位观点．[11]因此,Chen等将口头论证和写作论证同时纳入SNP模式．为了证明口头论证和写作论证协同作用的效果,2016年Chen等开发了包含4种读写模式的分析框架： 仅对话(Talk only)、仅写作(writing only)、依次进行对话和写作(use of talk and writing in sequence)以及同时进行对话和写作(use of talk and writing simultaneously)．结果表明,随着时间的推移,学生通过协同使用对话和写作成为知识发展中更成功的批判者,并且当学生同时使用对话和写作这两种学习工具时,认知功能变得更加复杂．[12]

基于上述研究,SNP模式将建模、口头论证和写作论证整合到教学活动中,旨在全面提升学生的科学思维能力,促进其科学素养的发展．SNP教学理论框架如图1所示．[13]

图1 SNP教学理论框架

SNP理论框架将大概念作为主导性元素,建模和论证基于大概念展开．大概念包括共通概念和学科核心概念:[14]共通概念侧重跨学科内容的组织,如:系统和能量;学科核心概念多用来整合某一学科内的知识,如:机械运动和力．师生在大概念引领下共同确定研究问题,学生基于研究问题建立科学模型．模型是针对复杂、不可见、抽象的现象所构建的简化、具体、可视化和假设性的表征．表征的形式可以是简图、图表、数学关系、模拟和物理模型等．模型复杂度可以从简单扩展到非常复杂,如从实物模型到计算机模拟．课堂上教师要求学生先从简单模型开始,使构建和评估模型的过程在大概念引领下尽可能实现．学生围绕模型构建科学论证,论证结构包括主张、证据和推理．主张是对观察或现象的反应,它可以是猜想、结论,或者是针对研究问题的回答．一个科学的主张必须有证据支持．资料不等同于证据,资料是从探究和实验收集的事实信息．证据是针对主张将资料转变为有意义的解释．推理是由证据和理论构成的逻辑判断,显示了证据如何或为什么支持主张．[15]

师生在大概念主题下提出研究问题、建立模型,模型作为讨论对象的角色在构建科学论证过程中发挥了重要作用,科学论证作为工具起到修正和改进模型的作用,以此实现建模和论证能力的共同发展．

1.2 基于SNP框架的教学模式

教师利用SNP理论框架指导教学设计,开展基于建模的论证教学活动．下面以“牛顿第一定律”建模论证教学为例,说明如何基于SNP理论框架设计具体的教学环节．师生基于大概念(力与运动的关系)确定研究问题(物体的运动需要力维持吗?),学生分小组展开建模和科学论证活动,最后将模型和论证与“专家”的模型和论证比较,并通过写作进行反思．具体实施过程包括6个阶段,如图2所示．[13]

图2 基于SNP框架的教学模式

第一阶段:创设驱动问题.

SNP理论框架中的第一步是确定大概念．该课题所涉及的大概念是“力与运动的关系”．基于大概念确定具体、清晰的驱动问题是整个探究活动的关键．学生提出的问题可分为 “深”问题和“浅”问题．[16]“浅”问题只需要“是”或“否”的回答．“深”问题从“为什么”“如何”或“什么因素决定”开始,可以引发学生思考和深入挖掘概念,因此“深”问题能够吸引学生参与探究、数据分析和讨论．

学生提出高质量问题后,教师要与学生一起判断问题是验证性的,还是研究性的．验证性问题可在在课堂上测试,直接关联大概念,从而获得探究的意义．研究性问题不能在课堂上测试,因为它们涉及复杂的变量关系、受时间限制以及缺乏测试环境等．为了帮助学生探究可验证的问题,教师首先要求学生基于生活中的运动现象,思考运动背后的原因是什么．学生头脑风暴表达已有的知识和讨论将要解决的问题,用“深—浅”和“验证—研究”的标准讨论和确定驱动问题．大多数学生同意聚焦一个问题 “物体的运动是否需要力维持”.

第二阶段:各小组初步构建模型.

驱动问题确定之后,接着要通过小组探究建立模型,用模型表征大概念．因此该阶段目的是建立模型表征力与运动的关系,利用模型回答驱动问题．学生分小组合作探究,教师给每个组一个资源包,其中包含学案(附有驱动问题,活动描述和材料名称等)和实验器材，如表1所示．[13]

表1 学生学案(阶段2)

学生用实验器材创建模型探究力与运动的关系．各小组讨论如何模拟和实现最佳的模型．教师帮助学生思考和架桥．例如:要求学生解释为什么以这种方式构建模型．

(1) 毛巾在你的系统中代表什么?

(2) 你能解释模型如何工作吗?

(3) 你的模型最大的优势是什么?

学生第一次建模不符合科学理解和解释是正常的．教师应当多鼓励学生,表扬模型中的优点,提出有针对性的问题．例如:教师说,“我注意到,在你的模型中丝绸和毛巾代表了接触面的粗糙程度不同”或“怎样演示能更好地展示你的模型”.帮助学生建构和完善模型,为学生构建科学论证做准备．

第三阶段:各小组初步构建论证.

下一步各小组要围绕模型初步创建科学论证,并利用白板展示出来．所以,该阶段小组围绕模型,创建由主张、证据和推理组成的科学论证．资料不仅包括定量信息,也包括定性描述．“牛顿第一定律”建模教学,证据主要是定性的．教师鼓励学生基于模型进行定性描述并作出合理的推理．教师为学生提供科学论证写作指导,如表2所示．[13]

表2 科学论证写作指导(阶段3)

教师通过探测性问题监测学生的进展,例如:“模型中什么证据解释了物体的运动不需要力维持?”或“你的证据支持主张吗”.教师要了解各组的模型和论证的优缺点,以便有效地支撑班级对话．例如:教师问小组,“关于你们的模型,同学们感觉在哪些方面或解释上存在困惑或疑问”.这个阶段,教师的主要工作是确保学生表达模型、主张和证据之间的一致性．

第四阶段:面向全班讨论模型和论证过程,修改模型和论证.

各小组在完成模型和书面论证的初步构建之后,就进入模型和论证的交互阶段,因此该阶段教师负责组织学生展开全班讨论和论证活动．学生在批判性环境中分享、辩论、说服和合作建构对大概念的理解．学生通常需要经历多轮的设想、修改,需要在组内和组间谈判以及进行全班讨论．小组在全班讨论背景下呈现其模型和论证过程,并收到其他组的反馈.该过程帮助学生认识到其模型和论证的优缺点,促进随后的改进．教师参与学生讨论,及时为学生提供脚手架,给予建设性反馈和促进统一．这个阶段,学生可能存在3个难点: (1) 不知道U形斜槽的作用; (2) 没有将实验和科学推理相结合,体现理想实验方法．教师为学生提供脚手架鼓励其自己解问题．比如提示,伽利略在研究自由落体运动的时候曾经使用过理想实验方法,让小球从斜面上滚下,然后让斜面的倾角增加,最后做出推论．学生多次修正后,教师确保学生清晰表达系统各部件以及基于模型阐明力不是维持物体运动的原因．

第五阶段:咨询“专家”.

各小组围绕模型经历全班讨论和论证之后,需要明确各自修正后的模型和论证与权威之间的差距．因此,该阶段给学生提供机会将其模型和论证与“专家”的模型和论证进行比较．“专家”资源包括教材、参考书、刊物、互联网资源等．

学生经过前面几轮针对模型和论证的谈判之后,参考“专家”资源时更具有批判性．对“专家”的咨询增强了学生学习的主体地位．阅读策略非常重要,它帮助学生理解“专家”的意义,构建其关联．表3提供了一些建议,供学生参考．[13]

表3 与“专家”资源比较的建议(阶段5)

第六阶段:反思性写作.

反思性写作是一个有力的工具,帮助学生理解和巩固概念．写作阶段促进学生反思概念的转变,例如:什么经历促进概念转变以及建构了哪些观念．学生有机会回顾模型、器材和论证,类似于科学家在研究性论文的讨论阶段阐释知识或结论的意义．学生基于模型、论证以及参考科学界对大概念的阐释表达个人对大概念的理解,是意义建构和升华的过程．

为了帮助学生提高反思性写作水平,基于学习进阶理念开发写作评价标准,供学生参考(见表4)．[13]评价标准帮助学生理解: (1) 什么是具有良好构造的主张(伴有合理的支撑证据); (2) 构建科学论证时,什么在问题、主张、证据和模型之间构成了有力的、良好的结构关系．另外,教师基于评价标准能够评估学生对大概念理解的广度和深度,以及判断是否需要额外支撑完善他们的理解．

表4 学习进阶写作评价标准(阶段6)

1.3 实施效果

基于SNP模式的课堂实证研究表明,[17-21]学生在大概念指引下构建模型,并从模型中提取证据展开论证时,不仅发展了建模能力和论证能力,也逐渐提高合作技能和促进学生深入理解概念,并能够反映在口头和书面论证中．学生能够将口头辩论技巧与书面辩论技巧联系起来,因为他们有机会在辩论后修改他们的写作,并提升了同伴批判有用性的意识．口头辩论实践的发展和书面论证质量的提高表明了学生的口头辩论和书面论证的发展是彼此正相关的．

2 讨论与展望

基于SNP教学理论框架、教学模式以及实施效果,我们可以看出SNP模式是基于建模发展核心概念理解的论证教学实践活动,论证过程围绕模型的建构、评价和修正创建起来,帮助学生发展建模能力、批判性思维能力、概念理解和沟通技巧．

2.1 SNP模式有助于全面发展学生的核心素养

SNP模式的整个教学过程以学生为中心,通过小组合作的方式围绕模型展开科学论证活动．学生在阶段1(创设驱动问题)用“浅—深”和“验证—研究”的标准讨论和确定驱动问题,能够发展提出问题的能力和分析判断能力．阶段2(各小组初步构建模型),学生将理论模型连接到特定的真实物理世界,至少需要经历两个过程,我们分别称之为“解释”(interpretation)和“识别”(identification)．[22]对于解释,学生需要将理论模型转化成头脑中的心智模型．对于识别,心智模型需要与实际系统的要素进行对应或协调才能构建成实体模型．[23]因此,建模过程体现了科学思维能力的培养．小组基于大概念通过分工协作选择适当的材料,运用数学和计算机思维开发和建立模型并进行调试,发展了合作技能、探究能力和建模能力．阶段3(写作论证:各小组初步构建论证),学生基于模型构建科学解释,然后做好论证前的准备工作,能够发展建构论证的能力．阶段4(口头论证:面向全班讨论模型和论证过程,修改模型和论证),学生在全班批判性环境下展开辩论和论证,能够发展口头论证能力和提高反驳意识．阶段5(咨询专家),学生经过前面几轮针对模型和论证的全班辩论之后不仅培养了口头论证能力,也提高了质疑精神,即使是咨询“专家”,也不再盲从．阶段6(反思性写作),反思性写作不仅有助于提高学生书面论证能力,也能够帮助学生深入理解核心概念和科学本质,因此它是意义建构和升华的过程．

在大概念引领下,学生通过小组合作探究建立模型以及经历多轮论证是精细的、创造性的过程,学生不仅发展了科学思维和深化认识大概念,而且内在的经历了科学本质的教育,因此SNP模式所体现的教育价值符合我国课标修订理念对发展学生核心素养的要求．

2.2 SNP模式为诊断学生核心素养的表现提供评价工具

SNP模式通过对话、论证、写作、探究以及开发和评估模型等活动促进概念转变与能力发展,传统课堂实践也会包括其中某些要素或环节,由于教师缺乏整合理念或者仅仅关注知识本身、教学进度以及预先的探究结果,在教学中没有从发展核心素养的视角对学生的学习发挥有效的诊断、评价和导向作用．SNP模式在大概念引领下围绕模型创设了独特、全面的评判视角,能有效诊断、评价学生的核心素养表现,它包括教师评价和学生互评两方面．

教师在评价中始终以学生为中心,及时关注学生的模型建构、科学论证以及对大概念的理解,通过模型追踪学生的学习或对某一大概念的理解,针对学生的论证水平表现及时调控教学活动或科学素养教学目标．例如:教师循环到各个小组,通过各种提问,监督、诊断和评价学生的核心素养表现,并对教学过程实时调控或干预(如:阶段2、阶段3、阶段4)．

在学生互评过程中教师鼓励学生充分发表自己的见解,并引导学生依据核心素养的评价标准展开互评,例如:科学论证写作指导(第三阶段)或学习进阶写作评价标准(第六阶段)．学生在思考、评判对方模型、观点和论证过程中,不仅提高了学生之间的交流与合作技能,也是对所学知识进行巩固、深化和整合的过程,能有效促进核心素养的发展．

基于SNP模式的教学评价实现了教师主导和学生主体观念的转变,在大概念引领下将建模、论证和读写等活动整合在一起,完善了对核心素养的多维监督和评价,因此SNP模式能为教师诊断学生核心素养的表现提供评价工具．

2.3 基于大概念引领下的建模与论证实践的交互不仅激发了学生学习的动力,还有利于整合跨学科概念,符合我国分科教学实际

SNP模式是大概念统领下的建模-论证教学活动,师生和生生之间围绕模型展开讨论和论证,通过建模和论证的多次交互和循环,克服了单一论证或建模教学动力不足的限制．在此背景下,若借鉴SNP模式中将建模与论证整合的教学策略,有助于消除传统论证或建模教学中遇到的障碍,促进教学的顺利开展．另外,由于我国分科教学的限制,不同学科之间的交叉概念,也缺乏有效的整合,导致学生掌握了零散的学科知识,未能形成健全的知识结构．因此,教师在大概念(共通概念)引领下组织学生整合跨学科概念,促进学生关联不同学科知识以及构建完整的知识体系,有利于克服分科教学的弊端．

SNP模式虽然在美国科学课堂实践中取得了不错的教学效果,毕竟中美教育体制不同,因此必须结合我国课堂教学实际进行有效的整合和论证,开展教学模式本土化研究．在立足于本土教育实践和教育发展需要的同时,对新的教学模式进行研究、设计和规划,既能实现我国核心素养教学目标,又能体现当前国际科学教育理念．目前,我国还没有关于SNP模式在科学课堂中进行本土化研究的尝试．鉴于当前科学教育领域聚焦基于建模和论证活动发展核心素养的教学目标,该模式为教师提供了一个将建模和论证整合融入科学课堂的有效教学策略,教师可以依据所处的学段、学科以及所针对的科学概念和具体教学情境对该模式进行适当的调整和完善,为学生创造多种机会开展科学实践活动,最终促进核心素养的全面发展．

1 NGSS Lead States. Next Generation Science Standards: For States,By States. Washington, DC: National Academies Press,2013.

2 R Driver, P Newton, J Osborne. Establishing the norms of scientific argumentation in classrooms.Science Education, 2000: 84, 287-312.

3 C von Aufschnaiter, S Erduran, J Osborne, S Simon. Arguing to learn and learning to argue:Case studies of how students’ argumentation relates to their scientific knowledge. Journal of Research in Science Teaching, 2008,45(1): 101-131.

4 D Kuhn. Education for thinking. Cambridge (et al.): Harvard University Press,2005.

5 J Osborne, S Erduran, S Simon. Enhancing the quality of argumentation in school science.Journal of Research in Science Teaching, 2004,41(10): 994—1020.

6 A R Cavagnetto. Argument to foster scientific literacy a review of argument interventions in k-12 science contexts. Review of Educational Research,2010,80(3):336-371.

7 Y C Chen, J Steenhoek. A negotiation cycle to promote argumentation in science classrooms. Science Scope, 2013,36(9): 41-50.

8 B Hand, L Norton-Meier, J Staker, and J Bintz. Negotiating science: The critical role of argument in student inquiry. Portsmouth, NH: Heinemann,2009.

9 V Sampson, S Schleigh. Scientific argumentation in biology: 30 classroom activities. Arlington, VA: NSTA Press,2013.

10 J Lemke. Multiplying meaning: Visual and verbal semiotics in scientific text. In J Martin, R Veel (Eds.), Reading science: Critical and functional perspectives on discourses of science,1998: 87-113.

11 L D Yore, D F Treagust. Current Realities and future possibilities: Language and science literacy-empowering research and informing instruction. International Journal of Science Education, 2006,28(2-3), 291-314.

12 Y C Chen, B Hand, S Park. Examining elementary students’ development of oral and written argumentation practices through argument-based inquiry. Science & Education, 2016,25: 277-320.

13 Y C Chen, M J Benus, M B Yarker. Using Models to Support Argumentation in the Science Classroom[J]. The American Biology Teacher, 2016, 78(7):549-559.

14 郭玉英，姚建欣, 张静. 整合与发展——科学课程中概念体系的建构及其学习进阶[J]. 课程·教材·教法, 2013(2):44-49.

15 Y C Chen，Hand B, L McDowell、The effects of writing-to-learn activities on elementary students’conceptual understanding: learning about force and motion through writing to older peers.Science Education,2013,97: 745-771.

16 Y C Chen , M J Benus, M B Yarker. Using models to support argumentation in the science classroom[J]. The American Biology Teacher, 2016, 78(7):549-559.

17 M J Benus, The teacher’s role in the establishment of whole-class dialogue in a fifth grade science classroom using argument-based inquiry[D]. University of Iowa, Iowa City,2011.

18 M J Benus, M B Yarker, B M Hand, L A Norton-Meier.Analysis of discourse practices in elementary science classrooms using argumentbased inquiry during whole-class dialogue. In M Khine, I Saleh(Eds.), Approaches and strategies in next generation science learning. Hershey, PA: Information Science Reference,2013:224-245.

19 Y C Chen, B Hand, L Norton-Meier. Teacher roles of questioning in early elementary science classrooms: a framework promoting student cognitive complexities in argumentation. Research in Science Education, 46. In press,2016a.

20 Y C Chen, B Hand, S Park. Examining elementary students’ development of oral and written argumentation practices through argument-based inquiry. Science & Education, 2016(b),25, 277-320.

21 Y C Chen, S Park, B Hand. Examining the use of talk and writing for students’ development of scientific conceptual knowledge through constructing and critiquing arguments. Cognition and Instruction, 2016c,34： 100-147.

22 R Giere. Explaining science: A cognitive approach. Chicago, London: University of Chicago Press，1988.

23 R Giere. An agent-based conception of models and scientific representation. Synthese,2010，172： 269-281.