科学教育的革命：论证教学的兴起*

谢 群 梁 戈 程燕平

（浙江师范大学教师教育学院 浙江金华 321004）

科学精神是学生核心素养之一，主要是指“学生在学习、理解、运用科学知识和技能等方面所形成的价值标准、思维方式和行为表现”［1］。其内涵包括理性思维、批判质疑、勇于探究等。科学精神是科学实践活动的核心，是科学的根本所在。

但长期以来，科学教育一直囿于过于注重知识传递而未能有效培养学生科学精神的困境［2］。科学精神培养的缺失与学生核心素养的顶层设计之要求，在学校科学教育中形成了一道不可逾越的鸿沟。因此，如何培养科学精神就成为当下科学教育的一个重要议题。

1 图尔敏论证模型与科学论证教学的缘起

源自古希腊哲学的论证研究，由于过于注重对论证理论分析和内在逻辑的追求，使其很难为公众所理解和接受。直至20世纪中叶，英国科学哲学家图尔敏（Toulmin，S.E.）的开创性工作才使这一情况得以突破。1958年，图尔敏在其《论证的使用》一书中重新构建了论证模型。该模型的构建是通过分析不同情境中的论证实践，例如，法律范围中的论证和科学实践中的论证等为基础。图尔敏认为，论证是“场依赖”的，不同情境中的论证往往有着不同的特点，但他又指出不同情境中的论证又应该具有一些共同的特点，即论证是在一定的情境下，为了说服他人而进行的“辩”和“解”过程，论证是为了辩护而进行的，这是论证的核心所在，也是论证的实践价值。以此为基础，图尔敏构建了以主张（claim）、资料（data）、正当理由（warrant）、支援（backing）、限定词（qualifier）和反驳（rebuttal）等6 个相互关联要素为基础的新的论证模型（图1）［3］。

图1 图尔敏（1958）的论证模型

该论证模型主张通过资料的推论证明其观点的合理性。资料通常是对某种事实的陈述，它来自个人的经验和常识、文献资料的阅读和引用、对现象的观察，以及实验的操作记录和数据的搜集等。通过对资料的筛选和处理可形成证据，支撑主张的合理性。正当理由是从资料推论到主张时的推论依据，是对资料和主张之间关系的进一步解释；其作用在于表明从资料到主张的跳跃是合法的。支援主要是一些更具普遍性的原则或原理，它为正当理由提供一些额外的支持，并使其更具合法性。限定词是指从资料到主张的适应范围，在其限定条件下主张才能成立。最后一个要素是反驳，它通过事实或陈述与限定词相连，这个事实或陈述指出了某一论证中的主张或资料间的矛盾，或是改进或修饰了这个论证。由于论证发生在持不同观点的2 个人之间，所以，反驳并不是对自己的论证主张和资料及其之间的逻辑进行驳斥，而是针对他人所持的不同的主张而提出的。反驳的主要作用是指出对方论证中从资料到主张跳跃的不合理或不合逻辑性，以此驳斥对方的主张和论点，甚至可推翻对方的整个论证。

相比于形式逻辑，图尔敏的论证模型更好地对应了科学论证的过程和基本结构［4］。支援明确指出了建立特定推理的最终基础（即表示方法）；正当理由是规范并允许从资料跳到特定主张的实用规则（推理技术）；反驳为实践和正当理由中可能发生的特例留下了空间；限定词使主张在陈述中更为科学和严谨。

图尔敏认为，科学并非简单地发现自然界中的新事实或规律，而是提供一些看待和理解物质世界的新方法。科学的基本目的不再是以传统的方法追求客观的知识，而是基于相关的理论判别和理解人们早已熟悉的许多现象，即“用新的方法来认识旧的现象”［3］。科学的发现也不仅是揭示一些新的、未知的事实，而是展示了用新的或不同的方式解释人们早已知道的世界。在这些科学实践过程中，扮演最重要角色的是科学的“陈述方式”即科学论证。更为重要的是，科学论证与科学的理性思维高度相关。科学家就是通过科学思考和论证构建科学知识的。因此，论证是科学思维的外在言语表达形式。在社会化语言表达下的科学论证，蕴含着发言者事先进行的科学理性思考，包括对证据的评估、对结论的构建，以及对不同意见的反驳等过程。

任何一种工作方式都有自己特定的方法，也有其特定的表达方式，科学也不例外。图尔敏的论证模型不仅可帮助人们认识科学论证，同时它也是科学教育研究者评估学生论证的重要工具。以该模型为基础，研究者能清晰地记录和分析科学课堂中学生论证的数量和质量，解构论证的组成并剖析辩论交锋发生在何处，使教育者和研究者了解学生是如何评估和利用不同的证据，如何进行推论及形成结论和主张的。这对科学教育者了解和认识课堂中的科学论证和科学思维过程有着重大的现实意义。

2 何谓论证？

对“论证”一词及论证行为的记载最早可追溯到古希腊苏格拉底时代。古希腊人认为“智慧”隐藏在日常生活中，他们对问题答案的寻求往往是持有不同观点的论辩双方在激烈的言语论证中呈现出来。依据《现代牛津哲学辞典》的定义：“论证是在慎重的思考下，对结论设计的一个支撑过程。它包括了内在的思考过程，也包含一系列基于思考的陈述、推理等的结论表达，逻辑是研究论证形式是否有效的关键所在”［5］。哲学家范·艾莫伦和古德诺森［6］认为，作为一种社会化的智力活动，论证包括对结论的确认和对不同观点的反驳，而这些行为的目的都是为了获得听者的赞同或认可。美国科学教育学家克拉克和桑普森［7］则认为，论证的过程往往需要提供有效的、能被他人接受的想法，而这个想法的基础就是理性、逻辑和证明。

综上所述，可发现论证的共性特点，即论证是一个包含外在社会化言语和内在智力思考的过程。此过程需要通过多角度对繁杂的数据、资料和可能的解决办法进行审慎和理性的评估以构建结论。因此，论证是一种慎思明辨的过程，是建立在理性、批评基础之上的求知。同时，论证是一个提升学生思考或对科学知识进行支持、批判、评估进而提出一些新想法的过程。在科学实践中论证是基于逻辑和理性的对话，这种对话的基础是结论和证据之间的联结。这里的结论并不仅是一个观点或想法，而是需要对研究的问题提供一个充分的、基于证据的联结或解释。而判断论证是否有效的主要标准是论证中的联结是否建立在足够理性和严密的逻辑基础之上。如果联结不合理或论证不充分，结论将会被其他的论证观点所批判和反驳。

从另一个方面看，科学发展的历史就是一部科学论证的历史。在科学发展的历程中，每一次的进步都是因为新、旧观点的冲突或是出现了不同的声音而引发的。解决科学争论的最常用的方法就是论证。通过新、旧观点之间相互论证碰撞，持不同论证观点的科学家不仅要关注论证构建中的理性和逻辑，同时还要基于理性和逻辑的分析及证据的支持，以反驳或批判不同的观点。正是因为有了足够强有力的论证，才会有科学观点被不断修正、更新，愈加接近客观事实。论证的理性、逻辑和批判成就了科学家的求知之路，也实现了科学知识的不断积累和发展。

所以，论证作为科学实践活动的核心，其关注的重点并不是科学家对实验的操作，而是关注知识形成过程中的科学理性和批判性的独立思考，以及科学知识构建的基础是否存在足够的理性和可接受；而这也正是理性、批判、求知的科学精神之所在。

3 何为论证教学？

论证是不会在科学课堂中自发出现的。因为在科学课堂中传统的师生之间的对话方式往往是教师提问（initiate question）、学生回答（response）、教师评估（evaluate）的IRE 模式［8］。在IRE 模式的科学课堂里，教师以提问控制着课堂言语的发展和走势。虽然教师提问的初衷是为了吸引学生的注意力并促使学生的思考，但在实际的操作中，提问往往以有人能回答出正确的答案即结束。换言之，这样的对话也可能是一个机械式的寻找正确答案的过程。学生是否进行了思考，是否有真正的学习发生，学生的前概念是否被改变等重要的问题都未被关注。此外，在IRE 环节中，教师的提问类型大多是封闭式的，且问题的答案是标准的甚或唯一的。在回答这类问题的时候，学生主要是通过检索头脑中已有的知识进行回答，基本上没有经历科学的理性思维和批判过程，科学实践中最为重要的论证过程自然也就没有发生。

更为重要的是，与传统的科学课堂不同，在论证的课堂中教师不再是科学课堂中知识的权威，而是学生学习和论证的支持者。他们创造机会让学生进行论证，并为其论证过程提供必要的支持和帮助。以论证为核心的课堂对话，使教学目的由寻找正确的回答转向推动学生思考并组织论证，在论证过程中发展学生的科学认知和培养学生的科学精神。学生有机会参与论证，并在理性的基础上清晰的表达自己的科学观点，同时也要对不同的意见进行合理的反驳，最后师生达成一致的意见或构建自己的观点。在这样的课堂中，教师关注的焦点是如何鼓励学生进行理性思考及学生的参与程度，教学的目标不仅是提高学生对科学知识的理解，更上升成为提高科学的理性思维能力和构建学生的论证能力。通过论证课堂，学生经历了科学的理性、批评和求知的过程，也在这过程中体会到理性和批判对于科学知识形成的意义和价值。

4 论证教学的实施

依据论证的哲学内涵和科学论证的特点，论证教学实施的策略可分为以下几类：

1）创设论证的环境——不同的观点和必要的资料。

第1，持有不同的观点。论证的发生往往是因为论辩双方持有不同的观点，当不同的观点出现在科学课堂中时，学生也就被带入了论证的情境中。但此时，推动学生参与论证的一个重要影响因素是学生对将要论证的话题有一定认知基础，即学生对论证的议题不陌生，有话可说。因此，一些涉及社会性的科学议题是比较好的选择，例如，转基因食品、环境保护、粮食短缺等议题。因为一方面这些议题目前尚未形成定论，学术界内、外都有各种不同的声音和观点；另一方面，这些议题与学生的日常生活有一定的相关性或受到媒体的高度关注，因此，学生对这些议题或多或少有一些自己的见解，这就使论证的进行成为可能。

第2，提供必要资料。值得注意的是，选择社会科学议题可让学生对该议题有话可说，但并不意味着选择了这类议题学生就能成功地进行论证或是进行了较高水平的论证。因为，对于社会科学议题，学生虽有或多或少的认识，但这种认识往往是肤浅零散的。如果教师给出议题后就放任学生自由论证，就会造成学生之间的论证往往是浅层次的并浮于表面。这样无论是对于论证的进行还是对于学生学习该议题相关的内容都是无益的。因此，在论证进行之前必须向学生提供有利于开展论证的核心资料。通过呈现丰富的资料，拓宽学生的视野，加深他们对这一议题的认识，使他们对该议题的了解更为深入和全面，以便于为随后的深度论证打下基础。

第3，评估正当理由。对于多数首次接触论证教学的学生而言，他们往往不知道什么是论证，也不知道如何进行。所以教师首先要在教授论证的初期，考虑引导学生认识论证并尝试评估论证中的资料和构建其观点的正当理由。具体过程包括：介绍论证的含义、解释论证的结构、如何基于科学的理性思维对已有的资料进行筛选。其次，教师要帮助学生在论证前理解完整的论证要有真实、可靠和多个维度论据的重要性，并协助学生对不同的论证进行分析和反驳。最后，教师可创造条件让学生演练相应的内容，将科学论证设为学习目标，开展以直接教授科学思维和科学论证为主要特征的论证教学，往往能取得比传统课堂更好的教学效果。

2）与科学探究整合——由资料推理主张。探究是科学家工作的主要方式，科学探究的核心是论证［9］。科学探究的过程并非是直线式发展的，即所研究的问题不一定都能顺利找到一个最佳的答案，或搜集的数据证据都能直接指向结论。所以，探究的任何一个环节都需要研究者不断地思考、斟酌、修正、批判和论证。而当下的探究教学往往被简化成为探究的若干个步骤，学生以完成探究的这些步骤为主要目的，或以设计实验方案的实施步骤为主要的探究内容。而这样的探究教学一方面脱离了探究的核心——论证，另一方面也难以达到提升学生理性思维和培养科学精神的目的［10］。

例如，探究“酵母是不是活的”［11］，在论证教学开始前，教师介绍了日常生活中所见的酵母，以及验证酵母是不是活的所需要的科学原理：新陈代谢和繁殖，并以此为基础开展了2 个探究实验：酵母新陈代谢产生二氧化碳和酵母在培养皿中的繁殖。第1 个问题来自教师：酵母能否消耗糖产生气体？之后教师请学生作出预测并提问：你的预测是什么？你作出此预测的理由是什么？随后的探究实验包含了若干步骤，教师将这些步骤都已印在了工作单上，学生只需要对实验现象进行观察和记录。在完成实验之后，教师建议学生将自己观察的结果与小组同学讨论，并提问学生：你如何解释你所记录的结果？你的结果与预期吻合吗？做面包的时候如果不加酵母，这个面团往往又硬又扁，如果加了酵母，面团可变得大而蓬松，你能否解释酵母在这过程中的作用？

第2 个探究活动的思路与第1 个基本一致，学生不需要讨论具体的实验操作步骤，只需要观察和记录培养皿中酵母菌落的变化情况。在2 个探究活动结束之后，教师引导学生展开推理讨论：基于搜集的资料，你主张这些棕色颗粒是否有生命的？你为什么认为本研究的结论或主张是正确的？基于已有的论证数据和资料能否得出完全不同的结论？如何证明你的推论陈述是能支持你的结论？教师始终将解释和论证贯穿于探究活动的各个环节，并引导学生慎重地由资料推理结论。避免学生的探究流于形式，并通过论证和解释推动学生通过论证进行慎重思考和推论，同时体会慎思明辨对于结论构建的意义。

3）形成完整论证——基于已有的论证模型的策略组合。以某一论证模型为框架设计论证表格，教师指导学生分步骤填写表格的各项内容是引导学生论证的又一种策略。其特点是当学生完成论证框架的各个部分时，就出现了一个完整的论证。而且在使用该类型策略的时候，教师并非只需要提供一个论证的模型，然后任由学生自由发挥，而是对学生的论证过程进行充分的准备和引导，带领学生完成论证的目标。

学者克里斯蒂·勤和奥斯本在《在冰受热变成水蒸气的过程中温度的变化》一课中将学生论证设为了教学目标之一。他们事先设计了一份以图尔敏的论证模型为蓝图的论证单，其中包括：你的观点、你的证据／理由、相反的观点、反驳等要素要求学生完成。在课前，教师先让学生学习如何构建论证和如何提问，并就温度变化过程给出了A、B 2 种不同的变化曲线图供学生选择。之后教师展示了关于冰熔化的一系列证据，例如：“冰受热会熔化成水”“冰的熔点是0℃，沸点是100℃”等，要求学生判断：这些证据是支持曲线A 还是曲线B？还是二者都能支持？再引导学生用这些证据判断其对于曲线A、B 的选择是否合理。在此过程中，教师要求学生不断地进行自我质疑和提问。例如，“有没有特殊情况？”“看见了什么模型或趋势？”“如何解释这一现象？”“有什么证据支持自己的观点？”这些问题的设置旨在引导学生进行观察、分析、预期、解释、判断并对数据评估，引导学生充分体验论证过程。随后，教师再对学生进行分组，确保每一小组都有持不同意见的学生。每组都有一名组长，负责鼓励小组成员在讨论过程中积极发言。教师给每个小组发了一张空白纸，记录讨论过程中的问题。最后，请学生完成论证单上的内容，得出结论进而完成高质量的论证［12］。

在这一论证过程中，克里斯蒂·琴通过设计A、B 2 种曲线制造了不同的观点和主张。引发学生讨论、提问、批判和质疑，并以小组讨论的形式带动了小组内的合作和互相论证、说服和反驳的进行。由此可见，论证教学的完成往往是多种教学策略整合的过程。正如一个完整的论证往往需要多个证据、多个支持和多个反驳的整合。只有有机整合，在合宜的策略下学生才能进行高质量的论证，而高质量的科学论证源于科学教师在指导学生论证的实践中不断地探讨和思考。

在真实的科学探究中，科学结论的得出往往需要在证据、已有的知识体系和新出现的想法之间激荡，新的结论展示的是对客观世界的另一种可能的解释，它需要通过论证对抗不同的证据和旧的观点，才能被更多的人接受。论证展现了科学是如何描述客观世界的，也同时告诉人们科学是如何与其他事物发生联系的，科学为什么是重要的，以及科学对世界的独特解读是如何发展的。随着研究的深入，在未来的教学活动中，论证在科学教育中的价值将得到更广泛的认可。它并非是对当下科学探究课堂的否定，而是对科学探究教学的发展和深化，是探究活动从形式教学走向科学实证的必由之路。