美國科學(xué)教育中科學(xué)論證教學(xué)的困境、策略與啟示*

劉辰艷 張穎之

（1.太原師范學(xué)院生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山西晉中，030619；2.首都師范大學(xué)教師教育學(xué)院，北京，100048）

科學(xué)是建立在邏輯和推理的基礎(chǔ)之上進(jìn)行探索和解釋自然現(xiàn)象從而創(chuàng)建知識(shí)的活動(dòng)，科學(xué)知識(shí)的發(fā)展和應(yīng)用影響著國家的前途命運(yùn)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(shí)，推進(jìn)世界的發(fā)展。能夠利用科學(xué)知識(shí)和原理進(jìn)行科學(xué)論證，評(píng)價(jià)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(shí)代公民有效生存的關(guān)鍵。尊重事實(shí)和證據(jù)，有實(shí)證意識(shí)，能夠運(yùn)用科學(xué)思維認(rèn)識(shí)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(biāo)。培養(yǎng)能夠利用科學(xué)論證基于證據(jù)進(jìn)行決策的人才也是美國科學(xué)教育的重要目標(biāo)，美國多年來積累的科學(xué)論證教學(xué)經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌驗(yàn)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(duì)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(xiàng)目中探索了14 位美國科學(xué)教師在全球氣候變暖社會(huì)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(píng)價(jià)觀點(diǎn)對(duì)于教師來說非常困難的，教師對(duì)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，K L）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(duì)科學(xué)論證的理解對(duì)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(shí)

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(píng)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(shí)，研究結(jié)果表明雖然大部分的科學(xué)論證專家教師認(rèn)為論證對(duì)于學(xué)生是有益處的，但是他們科學(xué)論證相關(guān)的知識(shí)水平較低，特別是對(duì)科學(xué)論證中證據(jù)、推理和批判的認(rèn)識(shí)不夠[3]。麥克尼爾（Mcneill，K L）等人邀請(qǐng)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(shí)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(shí)踐中，對(duì)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(jìn)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(jìn)行科學(xué)論證需要的知識(shí)，并且明確系統(tǒng)地向教師傳遞這些知識(shí)才能更好地推進(jìn)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(shí)間矛盾

王建蘭（Wang J）和巴克（Buck，G A）在追蹤物理教師的科學(xué)論證課堂時(shí)，教師表示課堂時(shí)間緊張是教師不愿意進(jìn)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(shí)間會(huì)影響教學(xué)任務(wù)的完成[6]。一方面，科學(xué)論證教學(xué)對(duì)于教師來說是新的領(lǐng)域，教師需要花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行探索、設(shè)計(jì)和實(shí)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(shí)來支持教學(xué)實(shí)踐，教師需要投入大量的時(shí)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(rèn)同科學(xué)論證的價(jià)值，掌握科學(xué)論證教學(xué)專業(yè)知識(shí)，才能真正地將科學(xué)論證融入日常教學(xué)，促進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)

自1996 年美國國家研究理事會(huì)（National Research Council，簡稱NRC）頒布史上第一份全國性的科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)以來，強(qiáng)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(diǎn)。2011 年，美國國家研究理事會(huì)（NRC）發(fā)布了闡釋美國新課標(biāo)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(shí)踐、跨學(xué)科概念與核心概念》，以下簡稱《K-12 框架》?！禟-12 框架》強(qiáng)調(diào)以科學(xué)與工程實(shí)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]?！禟-12 框架》提出了科學(xué)實(shí)踐的八大維度，維度七是參與基于證據(jù)的論證，明確強(qiáng)調(diào)了論證這一基本科學(xué)實(shí)踐在科學(xué)教育中的重要地位?；谧C據(jù)的論證指的是：在科學(xué)中論證是識(shí)別推理過程的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)以及發(fā)現(xiàn)自然現(xiàn)象最佳解釋所必不可少的?？茖W(xué)家必須為他們的解釋辯護(hù)，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(yàn)他們自己的理解，并與同行合作，尋找對(duì)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(biāo)準(zhǔn)》（The Next Generation Science Standards，簡稱NGSS），這個(gè)課程標(biāo)準(zhǔn)呈現(xiàn)了美國K-2 至K-12 各個(gè)年級(jí)基于證據(jù)論證的具體目標(biāo)，主要強(qiáng)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(huì)審視和評(píng)價(jià)論證[8]。自科學(xué)論證成為美國科學(xué)課程的重要目標(biāo)以來，美國的政府、學(xué)校和科學(xué)教育研究者不斷推進(jìn)科學(xué)論證教學(xué)的發(fā)展，積累了很多實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

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(jìn)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(shí)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-Driven Inquiry，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(dòng)階段、完成調(diào)查報(bào)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（Sampson V）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(píng)價(jià)論證兩種教學(xué)模式。兩種論證教學(xué)模式的第一個(gè)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(jìn)行論證；評(píng)價(jià)論證是給予學(xué)生問題的同時(shí)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(jìn)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(gè)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(lì)教師在課堂中強(qiáng)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(xì)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)與應(yīng)用

信效度良好的科學(xué)論證能力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)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（Erduran S）開發(fā)了論證質(zhì)量五級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，從論證結(jié)構(gòu)的角度區(qū)分不同的評(píng)價(jià)等級(jí)，包括主張、主張和理由、有理由的主張和反駁等標(biāo)準(zhǔn)，反駁屬于比較高的科學(xué)論證能力等級(jí)[12]。2013 年，基于論證質(zhì)量的五級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，桑普森（Sampson V）在研究中提出了更加詳細(xì)的論證能力標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)注主張的正確性，證據(jù)是否進(jìn)行了分析、解釋和辯護(hù)，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(jí)[13]。科學(xué)論證能力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不斷向更多層級(jí)發(fā)展，2016 年，奧斯本（Osborne J F）發(fā)展了學(xué)生參與論證推理的學(xué)習(xí)能力進(jìn)階水平，從構(gòu)建和批判的角度開發(fā)了0～2 級(jí)共13 個(gè)等級(jí)的科學(xué)論證進(jìn)階水平，批判屬于更高的科學(xué)論證能力等級(jí)[14]。美國科學(xué)論證能力標(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(shí)。

4.關(guān)注科學(xué)論證教學(xué)專業(yè)發(fā)展活動(dòng)的實(shí)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(yàn)。美國學(xué)者麥克尼爾（Mcneill，K L）開發(fā)了科學(xué)論證學(xué)科教學(xué)知識(shí)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(shí)以及學(xué)生對(duì)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(píng)價(jià)學(xué)生的科學(xué)論證能力，還給予教師進(jìn)行科學(xué)論證教學(xué)的實(shí)踐機(jī)會(huì)，幫助教師進(jìn)行科學(xué)論證教學(xué)設(shè)計(jì)以及對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)[15]。施姆維爾（Shemwell J T）在研究中設(shè)計(jì)了教師的科學(xué)論證專業(yè)發(fā)展活動(dòng)，活動(dòng)包括調(diào)查教師對(duì)科學(xué)論證概念的觀點(diǎn)、收集教師對(duì)學(xué)生論證能力水平評(píng)價(jià)的情況以及分析教師在教學(xué)活動(dòng)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(jì)的專業(yè)發(fā)展活動(dòng)都?xì)v時(shí)4個(gè)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(duì)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(jìn)行科學(xué)論證教學(xué)的意識(shí)，學(xué)生更沒有機(jī)會(huì)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(xì)化為具體的人才培養(yǎng)目標(biāo)，教育部啟動(dòng)了“立德樹人”工程。2013 年5 月，林崇德教授團(tuán)隊(duì)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(shí)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(huì)，全面公布了包括三大領(lǐng)域六種素養(yǎng)十八個(gè)要點(diǎn)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(qiáng)調(diào)尊重事實(shí)和證據(jù)，有實(shí)證意識(shí)，能夠運(yùn)用科學(xué)的思維認(rèn)識(shí)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(biāo)準(zhǔn)也強(qiáng)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(shí)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(shí)的建立過程了解科學(xué)論證。科學(xué)論證是科學(xué)家推進(jìn)科學(xué)知識(shí)發(fā)展的基本實(shí)踐，科學(xué)教師所教的每一個(gè)科學(xué)知識(shí)都是科學(xué)家通過科學(xué)論證得到的?？茖W(xué)論證是科學(xué)家工作的基本方式，科學(xué)的特點(diǎn)是通過客觀的論證和批判產(chǎn)生關(guān)于自然界的知識(shí)，當(dāng)新的理論或者方法出現(xiàn)時(shí)，科學(xué)家將科學(xué)論證作為一個(gè)手段來為新的思想辯護(hù)，同時(shí)其他的同行科學(xué)家會(huì)進(jìn)行爭辯和審議找出弱點(diǎn)和局限性。通過科學(xué)論證檢驗(yàn)的新思想會(huì)獲得科學(xué)團(tuán)體的認(rèn)可，作為新的知識(shí)出現(xiàn)，當(dāng)更新的證據(jù)出現(xiàn)時(shí)，科學(xué)家又會(huì)重新進(jìn)行科學(xué)論證，如此循環(huán)，逐漸靠近對(duì)客觀世界的真實(shí)描述。科學(xué)家依靠科學(xué)論證獲得科學(xué)知識(shí)，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(shí)，告訴學(xué)生科學(xué)知識(shí)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(shí)是如何通過科學(xué)論證來構(gòu)建的。

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

教師需要全面和系統(tǒng)的科學(xué)論證專業(yè)教學(xué)知識(shí)來支持科學(xué)論證教學(xué)實(shí)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(xì)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(shí)的培養(yǎng)；科學(xué)論證能力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)需要更多層次的等級(jí)，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(shí)體系和持續(xù)時(shí)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(píng)價(jià)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(shí)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(shí)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(píng)價(jià)，科學(xué)論證教學(xué)案例如何設(shè)計(jì)以提升科學(xué)教師的科學(xué)論證教學(xué)專業(yè)知識(shí)。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(rèn)識(shí)到科學(xué)知識(shí)的傳遞是科學(xué)論證教學(xué)的重要途徑

很多教師認(rèn)為科學(xué)論證教學(xué)的開展需要專門的時(shí)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(rèn)識(shí)到科學(xué)論證是科學(xué)知識(shí)建立的方式，日?？茖W(xué)概念的講解就能實(shí)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(shí)，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(huì)應(yīng)用，而學(xué)生需要實(shí)際參與科學(xué)實(shí)踐的機(jī)會(huì)。在科學(xué)論證教學(xué)情境中，教師講解科學(xué)知識(shí)的構(gòu)建過程，不僅傳遞科學(xué)知識(shí)，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(shí)時(shí)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(duì)話與辯論中驗(yàn)證和修正主張，體驗(yàn)評(píng)價(jià)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(rèn)識(shí)到科學(xué)教育中科學(xué)知識(shí)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(jìn)行科學(xué)論證教學(xué)的意愿。

圖1 科學(xué)論證教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)

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(shí)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(shí)驗(yàn)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(jī)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(huì)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(jìn)行科學(xué)論證教學(xué)，解決時(shí)間矛盾?？茖W(xué)論證教學(xué)能力的培養(yǎng)不是一朝一夕就能實(shí)現(xiàn)的，教師可以先從一個(gè)概念、一節(jié)課程開始進(jìn)行課程實(shí)踐，點(diǎn)滴積累，實(shí)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(jī)會(huì)?？茖W(xué)論證教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的不斷積累有助于吸引教師加入科學(xué)論證教學(xué)實(shí)踐和發(fā)展隊(duì)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(shí)學(xué)生科學(xué)思維學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。