科学论证的本质、教学模式及进阶测评

●弭乐，司伟旗，戴林楠

科学论证是一种重要的科学思维方式，如何将科学论证融入教学与测评，促进学生科学观念和科学思维的共同发展是教学实践中迫切需要研究和解决的问题。科学论证教学作为一项重要的实践活动，它帮助学生参与真实的科学探究以及提升科学素养水平。科学论证包括思考问题、核查原始资料、形成观点、使用资料作为证据来支持或检验观点和推理。科学论证的不确定性是科学学科固有的，其过程是科学论证的基本实践。科学论证中的不确定性包括个人对现象、原始资料或讨论问题有不同解释的争议、冲突和差异[1]。科学论证将科学家聚集在一起，通过辩论和揭穿观点和证据来确定、解决和减少不确定性，从而构建对现象的整合理解[2]。科学知识在不确定性的过程中发展和进步。诺贝尔物理学奖获得者费曼指出：“科学已经发展到足以展示不确定性的可能性和潜力，以及开放可能性的价值，因此科学家习惯于处理怀疑和不确定性。”然而，将科学论证实践从专家环境迁移到科学课堂是一项具有挑战性的任务，因为学生并不熟悉科学家的意图和活动。基于对学生发展局限性的假设，这种迁移的困难在于学生没有真正参与、学习和实践活动。

目前中小学科学论证教学实践存在目标落实不到位、教学经验缺乏、课程标准支持薄弱等问题，而且关注为这种实践开发学习进阶的研究也较匮乏。学习进阶通常被定义为一系列连续复杂的思考方式或知识内容，这些方式随着时间的推移而愈加复杂。因此学习进阶描述了学生深入理解核心概念或实践时可能遵循的潜在认知路径，为设计有意义的评估提供了前瞻性的框架，能够深入了解学生的思维如何随时间变化。本文首先探究了科学论证的本质，介绍了科学论证教学模式，最后对科学论证进阶测评进行了探讨。

一、科学论证的界定和结构模型

（一）科学论证

关于科学论证的本质，有几种观点：（1）构建论点的实践；（2）辩护、说服和理解的过程；（3）讨论有争议的社会科学问题；（4）学科概念的表述；（5）科学素养的发展；（6）推理实践。学者根据其自身研究背景提出不尽相同的表述，体现了研究理念和研究方法的差异。已有的科学论证本质研究，没有将论证作为解决不确定性问题的一项科学事业来探讨，即不确定性是如何产生的，辩护不确定性的资源有哪些，以及如何解决和减少不确定性，以便增进对科学过程的概念性理解。

关于对科学论证的界定，不同学者的定义方式不同。例如，爱默伦等认为“科学论证是为观点辩护或驳斥对立观点的过程”[3]；佐哈尔等定义“科学论证是提出主张或结论，并进行相应辩护或理由的过程”[4]；劳森界定科学论证为“在不确定的问题中构建主张，并在主张和证据之间建立联系的过程”[5]。其他学者的界定还有“科学论证是一种逻辑对话模型，它的目的是梳理观点和证据之间的关系”“科学论证是为了构建对复杂问题的解释，提出、支持、评估和凝练观点的过程”“科学论证既包括基于证据和推理等方式为主张或解释辩护的过程，也包括说服他人的过程”“科学论证是一种基于学科知识情境的复杂推理活动，目的是构建主张和证据之间的联系，或反驳已建立的联系”，等等。

综上所述，虽然众多学者对科学论证的定义各有侧重，但其中的核心要素包含主张（观点）、证据、推理和反驳等。目前科学课程标准在科学论证部分要求学生具有使用科学证据的意识和评估科学证据的能力，能运用证据对研究的问题进行描述、解释和预测。

（二）图尔敏论证模型(Toulmin model)

国际科学教育领域关于科学论证的研究，大多将图尔敏模型作为论证的基础理论模型，许多基于科学论证的教学研究都是在该基础上发展起来的，如后面将要介绍的整合式论证ADI模式，为此对图尔敏模型做一下介绍。

图尔敏论证模型如图1所示。图尔敏将论证的结构比喻成一个有机体：“一个粗略的解剖结构，一个精细的生理结构”[6]。图尔敏的论证模型在《使用科学论证》这本畅销书中有详细解释。图尔敏将论证解构成具体的元素：主张、资料、正当理由、支持、限制条件和反驳。主张是论断、总结或者对问题的回答。资料（或证据）是支持主张的信息或案例。正当理由证明数据如何支持主张。支持表示如何服务于正当理由。限制条件是对条件状态的描述，主张在该条件下是成立的。反驳（反驳论证）是驳斥对方的主张。在许多研究中，图尔敏模型发生了变化，然而这个模型中大部分元素仍然是众多其他模型的基础。

二、科学论证教学模式（以整合式论证ADI模式为例）

美国国家研究理事会提出，整合式教学在促进学生理解学科知识领域、发展科学推理、帮助学生读写以及培养科学兴趣方面比传统实验教学更为有效[7]。2013年，美国新一代科学教育标准强调了论证的概念，“促进学生参与基于证据的论证活动，支持其对推理和实证证据的理解”。在此背景下，格鲁姆斯团队提出整合式论证ADI模式（the Argument-Driven Inquiry，简称ADI模式）[8]，该模式注重整合书面论证、口头论证、认知理解和社会协商，以及针对性论证等教学策略的运用，分为八个教学阶段：（1）明确任务和问题，开展工具对话；（2）设计方案和收集资料；（3）分析资料和初步展开论证；（4）论证阶段；（5）反思性讨论；（6）写探究报告；（7）双盲评议；(8)修改和上交报告。

桑普森等利用ADI模式以化学课程为背景展开教学研究，学生参与了基于ADI模式设计的15项不同的论证活动（见表1）[9]。每项活动都涵盖ADI模式的所有教学阶段。在论证活动中，学生以3～4人为小组进行合作探究。在论证活动结束之后，学生再被随机分配到一个新的小组，以便确保每位学生在整个学期内参与所有的论证活动。论证教学活动包括四种类型。

第一类论证活动目标是构建新的解释。学生被要求探究一种现象（如物质的干涉行为），并为这种现象构建一种解释或模型。论证活动旨在给学生引入重要的科学理论、定律或概念（如物质的分子动力学理论），该类型论证包括六种探究活动。

第二类论证活动目标是修改一种解释。学生被要求改进和扩展他们在之前的探究中所构建的解释，以便可以用它解释一个不同但相关的现象，该类型论证包括两种探究活动。

第三类论证活动目标是评价一种解释。在探究活动中，学生被提供一种科学解释（例如质量守恒定律）或几种替代解释，要求开发一种方法来进行测试，该类型论证包括两种探究活动。

第四类论证活动目标是使用一种解释来解决问题。在这些活动中，学生被要求使用课堂中所学的概念（如摩尔质量或化学反应类型）解决问题（识别未知的粉末或反应的产物），该类型论证包括五种探究活动。

ADI模式是一种基于探究情境的整合式教学策略，学生利用小组合作设计实验方案，通过控制变量获取资料、数据以及展开论证，在实现教学目标和提升科学论证能力方面证明是有效的，该模式突出了科学论证教学在培养学生科学素养方面的独特作用，符合我国科学教育课改导向和课堂教学实际，是有效提高科学素养的论证教学模式。

三、科学论证进阶测评

对书面论证质量的分析，我们关注学生论证认知理解的发展。近年来，随着对科学实践教学的日益重视，学习进阶研究逐渐聚焦学生掌握特定领域知识或发展能力（如科学论证）所遵循的进阶或轨迹。为分析书面论证写作，关注学生在主题单元中论证认知理解的发展，池恩等在学习进阶理论指导下，围绕论证内涵和关键要素开发了科学论证进阶测评框架（见表2），包括五个编码：观点的正确性、证据的充分性、证据的推理性、观点与问题的关联性、观点与证据的关联性。10为精准评价学生书面论证的要素水平，分别为每个论证编码构建了学习进阶。每种编码均用五分制（0、1、2、3、4）评分，对应学习进阶的各个水平，满分20分。验科学论证教学的实施效果，分析关注在全班讨论构建和批判论点的过程中，对小组书面论证表现进行测评。小组书面论证均由两名独立的评分者评分（表3为评分示例）。研究利用SPSS（16.0）软件计算kappa值，即评分者一致性信度（kappa=0.85）。对所有小组论证写作进行评分后，为检验学生参与科学论证教学后的效果，进行统计检验。由于小组论证写作样本量小且分布未知，因此进行非参数统计分析，采用Wilcoxon符号秩检验（非正态分布数据）教学效果。分析表明，论证进阶测评框架层级呈现了与论证结构相关联的逐渐递增的认知负荷，评价标准有助于理解：（1）什么是良好构造的观点（伴有合理的支撑证据）；（2）构建科学论证时，什么在问题、观点、证据和推理之间构成有力的、良好的结构关系。因此，论证进阶测评框架评估了学生论证的广度和深度，有效追踪学生论证能力的发展。

表2 科学论证进阶测评框架

表3 基于科学论证进阶测评框架的评分示例

四、总结

课堂实证研究表明，以ADI模式为代表的整合式论证教学中，学生能够识别和提出观点，选择证据支持观点，以及在观点和证据之间建构逻辑推理，他们能够发展更高层次的论证能力。然而，对于少数学生来说，完成这种能力的论证任务似乎非常具有挑战性。学生参与提出问题或阐述和证明他们观点的辩证性讨论很少。科学课堂强调推理和论证，这种高阶技能必定是课程标准及其评估的一个重要特征。因此，科学课程的重点是关注学生的论证基础，教师应帮助学生建立对观点、证据和论证概念的信心，并以结构化和“脚手架”的方式引入更高层次的任务（如比较和批判）。教学任务可以是要求学生批判科学实验设计中的缺陷或对从数据解释中得出的结论进行讨论。关于如何以特定领域的方式评估推理和论证，尤其是以定量方式，从学习进阶视角研究科学课堂论证教学提供了测试这一重要实践发展的方法。学习进阶为论证教学提供了学生论证认知发展的信息，教师依此为依据精准定位教学的切入点以及选择最佳的教学顺序。学习进阶是基于学生真正知道什么和能做什么的描述，因此，围绕学习进阶开发课程在理论上更合理。

例如，按照“逻辑”主题排序。基于对科学论证教学的认识，应关注以下几个方面。

第一，科学论证课堂应重视语言的作用。语言是最基本的交流工具，它能够促进人们认识科学本质以及获取和积累科学文化知识。随着学习理论的发展以及人们对“如果没有文本、各种表示形式和对话，科学是不会发展的”这种观念的认识，语言的核心作用在近几十年逐渐引起了重视。科学论证教学是一项科学对话实践活动，在论证过程中语言起到了关键作用，小组每个成员都要参与组内和组外的论证活动，它能够开发人的多种能力。因此，科学论证课堂应注重培养学生利用语言修辞和知识的交互作用来构建解释、推理以及呈现新的论证结构的能力。

第二，科学论证既是竞争的，又是合作的。科学论证属于论证的一种独特形式，不同于其他论证激烈的对抗性，虽也具有竞争性，但更具有合作性。学生通过论证表达思想时，也会反观自己的观点，及时消除错误认识，融合对方正确的观点，他们的共同目标都是为了获取科学知识。这种批判性的合作过程是意义构建的过程，因此，通过科学论证的形式开展课堂实践活动不仅能促进学生获得知识，对于培养学生的批判性思维能力和合作精神都是非常有帮助的。

综上，整合式论证教学是一项基于科学语言，遵守相应的文化规则的教学实践活动。在论证过程中，论证双方或多方作为矛盾共同体通过提出问题、设计实验、解释数据以及建构和辩护基于证据的观点，从而经历认知、元认知和批判性推理过程，呈现出竞争与合作的特点，进而深化对科学概念、规律、科学本质以及科学文化知识的认识。因此，在科学教学中教师要善于在复杂的实践活动中营造出交互的活动环境，实时基于学习进阶的认知复杂度水平测评，应用相应教学支架创设论证式教学氛围，促进学生通过有效的方式参与科学论证。ADI模式为一线教师开展论证教学提供了充分且有效的实证基础，在目前信息技术环境下，教师如何基于ADI模式开发新的课程材料、教学方法和基于技术支持的学习环境，更富有成效地促进课堂论证活动的开展，值得进一步研究。