国外论证式科学探究教学设计评述，本文主要内容关键词为：教学设计论文,国外论文,科学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、科学课程中的论证
科学课程中，论证被认为有助于学生理解科学知识，发展探究能力，形成合理的科学认识观[1]，《K-12科学教育框架》（美国）明确“论证”教育目标：到了十二年级，学生应该会提出科学论证，说明资料如何支持主张；识别自己论证中的错误并针对别人的批评修改与完善自己的论证；认识主张、资料和理由是科学论证的主要特征，并在具体事例中区分它们。[2]
从论证过程看，对于个体而言，论证是使用推理、理论观点和经验证据来辩护知识主张的过程；对于群体而言，论证是不同个体之间的争论或讨论知识主张的过程。[3]从论证结构看，论证主要由主张、证据，以及主张与证据之间的推理三个部分构成。主张是针对研究问题的结论、猜测、解释，或者其他答案。证据指用于支持主张有效性或合理性的观察或测量。推理是阐明证据为什么支持主张，证据如何支持解释。[4]这一论证结构源于科学哲学家图尔敏The Uses of Argument一书中所提出的论证模型，是图尔敏论证模型的简化形式。目前，图尔敏的论证模型是评价论证和非形式推理质量高低的一个主要依据。
二、论证式科学探究教学设计
把论证融合到课堂中，一个核心的策略是要求考虑对现象的几个平行的解释，不只是单一的解释。[5]科学探究中的论证教学称为论证式科学探究教学或论证取向的探究教学（Argument-Driven Inquiry Teaching）。论证式科学探究教学常用的是“竞争理论”教学策略。所谓“竞争理论”教学策略，是针对一个现象或问题，有几个不同的解释，对学生而言，这几个解释都是有用的、合理的，称为“竞争理论”。所提的问题或现象能引起学生的好奇，不同解释使学生感到迷惑，往往是学生的迷思概念。然后通过探究活动收集证据，做出推断，支持，或者反驳，或者修改原有的解释，形成新观点，这就是论证式探究教学。在论证探究过程运用并理解科学知识，发展论证能力，认识科学本质等。
佛罗里达州立大学的Victor Sampson和Jonathon Grooms针对美国八年级科学课程中热传导、热能等物理概念设计的论证教学，称为“另有解释评价教学模型”，三或四个学生一组，指导他们探究一个物理现象的不同解释，实际上是竞争理论教学策略的运用。[6]Victor Sampson在论证教学上的研究产生了较大的影响。经初步查阅，2008年至2013年，以Victor Sampson为第一作者，在Journal of Research in Science Teaching和Science Education杂志上发表的关于论证的论文有4篇，在The Science Teacher和Science Scope上发表的文章也有4篇。假如将有Victor Sampson署名的所有文章、专著计算在内，估计数字将相当大。前两份杂志主要面向专业的科学教育研究者。而后两份杂志则是美国科学教师协会主办，主要面向中学科学教师的两个期刊。因此，在后两份杂志上Victor Sampson的4篇文章既有较高的理论基础，又直接针对一线的课堂教学。以他的教学设计为例，真实反映了美国中学课堂教学的实际情况。教学过程主要由以下几个环节构成（个别地方有所调整）。
（一）展示一个现象的不同解释
两个外形、大小一样金属容器A（由铝制成）和塑料容器B，分别放入两块一样的冰。究竟哪一块冰熔化得快一些？有三种解释：1.A中的冰熔化得快，因为金属容器从冰块中吸收冷，使冰块温度升高而熔化。这就是感觉A比B冷的原因，它吸收并具有更多的冷能量。2.A中冰块熔化更快，因为A是热的良导体，虽然两块冰的温度一样，但是热能较快地通过A传给冰块，因此A里的冰融化得比B里的快。3.A中冰块熔化更快，因为A是热的良导体，冷在里面传得快。虽然A比B更冷一些，但是却比冰的温度高。当冷转移到A，冰块温度上升而熔化。
这三种解释至少包含三个错误概念：冷是与热相对应的一种能量，能够在不同物体之间传递；同样的环境中金属温度比塑料低；冰在熔化过程中温度上升。但是，第一和第三个解释区别不大，只不过第三种解释使用了热的良导体这一术语。
（二）收集证据
证据来自实验和有关物理理论知识。使用电子天平、温度探测器、电子秒表等器材进行测量，得到A、B容器中冰块熔化的时间，两个容器初始温度和冰块熔化后的温度等数据。理论证据来自阅读活动手册上的相关热学知识，包括温度、热能的微观解释，热传导概念等，还有一个热传导率表，如表1所示。
“冷传递”和热传递的观点都能“平等”地解释物体温度的变化，从实验中无法观察出是热传递还是冷传递。所以，指导学生通过活动手册上的理论知识发现冷传递的观点和现有物理理论矛盾，从而否定“冷传递”的观点。鼓励学生既要运用实验，也可以运用理论来检验提出的解释。此外，收集实验数据时，学生会受原有观念的影响，选择与自己原有观念一致的数据，忽略认为不重要的信息，甚至篡改数据、按照自己的想象编造数据。因此，强调学生实事求是地记录实验现象与数据时，区分观察到与想象出的信息。另外，分析学生按照自己理解选择数据以及篡改或编造数据的原因，实施外显的科学本质和科学态度教育。
（三）提出暂时的论证
根据实验数据和理论知识，初步形成论证。论证主要内容写在一块较大的板上，将主张、证据、推理分开，如表2。注意：根据论证结构中推理的含义，表中“推理”一栏的具体内容不是推理，而是反驳。
（四）讨论、评价提出的论证
选择一两组的论证，进行讨论和评价。为了做出合理的评价，作者还提供了一个用于评价论证质量的标准，作为论证评价参考。评价时考虑：证据的数量、来源、有效性，是否做出反驳和推理，等等。讨论和评价的目的是帮助学生理解什么样的论证有效，什么论证质量高，既是指导学生学习论证，同时也是检查探究过程的一种方法。而通常的科学探究教学一般只看实验记录和探究结论，如果根据实验记录能够推出预期的结论，就认为探究已经获得成功。论证教学不仅关注实验记录和探究结论，还强调论证的质量与过程。平时科学探究教学可以看成是论证教学的一种简化形式。
（五）通过写作形成书面形式的最终论证
在前面讨论、评价的基础上修改、完善，以书面形式表示论证。论证教学强调论证过程的写作，有以下原因：首先，写作（包括探究报告等）被视为科学探究的一部分；其次，通过写作把对科学探究、物理知识的理解以自己的语言表达出来，有利于提高探究能力和理解知识；最后，比较详细记录了科学探究的重要内容，有利于教师评价论证质量高低，提供论证教学的反馈。为了帮助初学者写作论证，通常设计好一个论证框架，通常是一种表格，学生在表格里填写论证过程的有关内容。
上述教学设计有两个显著的特征：第一，强调论证活动，体现“科学是一种论证和解释的过程”。[7]除了提高学生论证能力外，有利于理解“论证是知识的社会构建过程”等科学本质观。[8]论证活动中的论证评价和论证写作是论证教学区别于其他教学的最显著特点。第二，学生活动多样化，至少参与的活动有：观察和实验、讨论或争论、阅读有关材料、小组合作、论证写作。活动多样化有利于保持学生的探究兴趣与积极性。
但是，上述教学设计明显忽视了知识目标。学生忙于实验、论证活动，试图让学生在论证过程中形成热能、热传递等物理概念。但是从教学设计中看不出能够达到这一效果。常见的热能、热传递的迷思概念有：将热传递看成是一种气体（冷气和热气的运动），而不是能量的转移；热传递被看成温度传递；既然有热能，就有“冷能”，因此，存在与热传递对应的“冷传递”。目前，这些错误概念无法在“做科学”中克服。也就是说，上述教学设计的实验无法使学生形成正确的热能、热传递概念。为了克服“冷传递”之类的错误概念，要做到两点。首先，明确冷是日常生活中大致反映温度高低的一个词，没有能量的意思。冷不是物理概念，常用于描述物理技术或物理现象，如冷却、制冷、冷凝管、冷空气下降等。生活中“热”指温度较高，物理中则指热能或热量。物理教学中，应该培养学生用温度来描述冷，而不是用冷来描述温度，不说某物体很冷，要说某物体温度很低。其次，理解热能和温度的微观解释，这是关键。
仅仅就论证活动设计而言，也存在缺陷。首先，第一个和第三个解释都使用了“冷的转移”的观点，可将其中一个改成“温度传导”。其次，B容器里的冰块15分钟的熔化时间太长，要控制在5分钟左右。最后，也是最重要的，按照上述论证活动设计，能够获取充足的理由支持“A容器中的冰熔化得快，B容器中的冰熔化得慢”。至于“冷传导”的观点为什么是错误的？实际上实验没有办法回答这个问题，作者意识到这一点，因而提供有关物理知识，试图从理论上进行反驳。但是，要求学生运用他们陌生的抽象理论进行反驳，难度很大。
可以预测，上述论证教学设计对于培养学生的论证能力有一定的作用，但是，学生在物理知识的学习上效果十分有限。实际上也有一些实证研究显示，论证教学并没有达到预期的效果。例如，Jonathan Osborne等人最近的论证教学实验研究中，采用论证教学的实验组学生和没有采用论证教学的对照组学生相比，在推理能力、科学知识学习、认识科学本质、学习科学的兴趣上没有显著差异。而论证教学设计是影响教学效果的一个关键。
为了克服忽视知识教学和论证活动的缺陷，除了控制B容器里的冰块熔化时间在5分钟左右之外，还可对原设计做较大的调整。第一种调整方法：不涉及“冷传导”之类的概念，降低知识教学目标。将三个解释改成两个：1.A中的冰熔化得快，因为金属容器容易传导热。2.B中冰块熔化更快，因为塑料温度较高。这两个解释十分简短，便于学生运用实验数据和物理理论（热传导率）两方面证据支持第一个解释，否定第二个解释。在论证过程中再引导学生补充第一个解释，使其更加完整。并解释为什么人感觉到塑料比金属温度高。或者，教师不展示任何解释，直接由学生做出解释，根据学生提出的解释组织论证活动。第二种调整方法：保留一个解释中的“冷传导”观点，将另一个改成“温度传导”。教学中首先运用另外的方法使学生正确理解热能、热传递、温度的微观解释。然后才能根据这一物理知识反驳“冷传导”和“温度传导”的错误观点。换句话说，不要希望学生在论证中理解热能、热传递的微观解释，而是在他们理解之后运用到论证活动之中。