美國科學教育中科學論證教學的困境、策略與啟示*

劉辰艷 張穎之

（1.太原師范學院生物科學與技術學院，山西晉中，030619；2.首都師范大學教師教育學院，北京，100048）

科學是建立在邏輯和推理的基礎之上進行探索和解釋自然現象從而創建知識的活動，科學知識的發展和應用影響著國家的前途命運和人民的生活福祉?？茖W論證是科學事業的關鍵，科學家以問題為中心，基于證據地反思、審視和質疑以創造知識，推進世界的發展。能夠利用科學知識和原理進行科學論證，評價各種信息作出科學和生活相關問題的理性決策是當今科技時代公民有效生存的關鍵。尊重事實和證據，有實證意識，能夠運用科學思維認識事物和解決問題，是我國基于核心素養課程改革的重要目標。培養能夠利用科學論證基于證據進行決策的人才也是美國科學教育的重要目標，美國多年來積累的科學論證教學經驗能夠為我國科學論證教學的發展提供借鑒。

一、美國科學教育中科學論證教學的困境

1.教師不了解科學論證

美國科學教育相關研究表明科學論證教學的開展對于美國的科學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發展項目中探索了14 位美國科學教師在全球氣候變暖社會性科學議題背景下的科學論證能力，研究結果表明科學教師的科學論證表現并不好，基于證據評價觀點對于教師來說非常困難的，教師對科學論證的理解影響教師的科學論證表現[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據調查了42 位美國教師影響其開展科學論證教學的因素，研究結果表明教師對科學論證的理解對科學論證教學的影響最大，教師并不了解科學論證是什么以及科學論證的重要性[2]。教師了解科學論證是什么是開展科學論證教學的前提。

2.教師缺乏科學論證教學的專業知識

教師，即使是推廣科學論證的專家教師的科學論證能力也較低，卡什辛格（Katsh-singer，R）利用問卷測評了53 位來自美國各州的科學論證專家教師的科學論證學科教學知識，研究結果表明雖然大部分的科學論證專家教師認為論證對于學生是有益處的，但是他們科學論證相關的知識水平較低，特別是對科學論證中證據、推理和批判的認識不夠[3]。麥克尼爾（Mcneill，K L）等人邀請70 位中小學教師參與了影響科學論證學科教學知識的專業發展課程，研究數據表明教師很難將科學論證整合到課堂實踐中，對證據和推理的理解有限，教師需要更多的資源和工具來幫助他們進行科學論證教學[4]。奈特巴茲利（Knight-Bardsley，A）等人分析了參與科學論證專業發展課程之后5 位中小學教師科學論證課堂的變化，研究表明科學教育者需要清晰地界定教師進行科學論證需要的知識，并且明確系統地向教師傳遞這些知識才能更好地推進科學論證教學的發展[5]。

3.日常教學與科學論證教學存在時間矛盾

王建蘭（Wang J）和巴克（Buck，G A）在追蹤物理教師的科學論證課堂時，教師表示課堂時間緊張是教師不愿意進行科學論證教學的主要原因。教師本身有日常的教學任務，開展科學論證教學占用的時間會影響教學任務的完成[6]。一方面，科學論證教學對于教師來說是新的領域，教師需要花費大量的時間進行探索、設計和實施，給原有的教學帶來影響；另一方面，由于教師不了解科學論證是什么，也缺乏科學論證教學的專業知識來支持教學實踐，教師需要投入大量的時間和精力來鉆研科學論證教學。因此，教師需要了解科學論證是什么，認同科學論證的價值，掌握科學論證教學專業知識，才能真正地將科學論證融入日常教學，促進日常教學的高效發展和教師論證教學能力的發展。

二、美國科學教育中科學論證教學的發展策略

1.將科學論證納入國家科學課程標準

自1996 年美國國家研究理事會（National Research Council，簡稱NRC）頒布史上第一份全國性的科學教育標準以來，強調以科學探究為中心，提高學生科學素養的理念成為全球科學教育的關注點。2011 年，美國國家研究理事會（NRC）發布了闡釋美國新課標修訂指導思想的核心內容框架《K-12 科學教育的框架：實踐、跨學科概念與核心概念》，以下簡稱《K-12 框架》?！禟-12 框架》強調以科學與工程實踐、跨學科概念和學科核心概念為主線的三維框架來概括學生所有要學習的內容[7]?！禟-12 框架》提出了科學實踐的八大維度，維度七是參與基于證據的論證，明確強調了論證這一基本科學實踐在科學教育中的重要地位?；谧C據的論證指的是：在科學中論證是識別推理過程的優點和缺點以及發現自然現象最佳解釋所必不可少的?？茖W家必須為他們的解釋辯護，根據可靠的數據基礎來尋找證據，根據他人提供的證據和意見來檢驗他們自己的理解，并與同行合作，尋找對正在調查的現象的最佳解釋。

2013 年，美國成就公司（Achieve，Inc.）發布了最終的美國《新一代科學教育標準》（The Next Generation Science Standards，簡稱NGSS），這個課程標準呈現了美國K-2 至K-12 各個年級基于證據論證的具體目標，主要強調學生要構建和優化論證、接受批判和反論證以及學會審視和評價論證[8]。自科學論證成為美國科學課程的重要目標以來，美國的政府、學校和科學教育研究者不斷推進科學論證教學的發展，積累了很多實踐經驗。

2.關注科學論證教學模式的創新與發展

為了促進美國教師科學論證教學的有效發展，研究者結合課堂實踐提出了不同的科學論證教學模式。美國科學教育者桑普森（Sampson，V）提出的科學論證探究式教學模式（Argument-Driven Inquiry，簡稱ADI 論證教學模式）是國內外應用最廣泛的科學論證教學模式，主要包括確定任務、收集數據、產生暫定性的論證、論證互動階段、完成調查報告、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）又關注了生物學中的科學論證教學，基于ADI 論證教學模式提出了產生論證和評價論證兩種教學模式。兩種論證教學模式的第一個步驟即確定任務有區別：產生論證是問題直接給予學生，學生尋找答案進行論證；評價論證是給予學生問題的同時也給予學生可能的答案，讓學生選擇自己支持的答案進行論證。這兩種模式更加明確了提出任務的類型供教師選擇[10]。

2015 年，庫賈夫斯基（Kujawski，D）也基于ADI 教學模式提出了科學論證教學模式（Present，Critique，Reflect，Refine，簡稱 PCRR 教學模式），這個教學模式包括呈現論證過程、批判和審閱論證過程、反思論證過程以及提煉學習收獲，更加鼓勵教師在課堂中強調學生的批判和反思[11]。美國科學論證教師模式的發展趨勢是步驟不斷細化以及更加突出論證的批判反思過程。

3.關注科學論證能力評價標準的開發與應用

信效度良好的科學論證能力評價標準是監測科學論證教學效果非常重要的工具。美國學者埃爾杜蘭（Erduran S）開發了論證質量五級標準，從論證結構的角度區分不同的評價等級，包括主張、主張和理由、有理由的主張和反駁等標準，反駁屬于比較高的科學論證能力等級[12]。2013 年，基于論證質量的五級標準，桑普森（Sampson V）在研究中提出了更加詳細的論證能力標準，關注主張的正確性，證據是否進行了分析、解釋和辯護，也提出能夠明確基于證據質疑不同解釋屬于較高的論證能力等級[13]?？茖W論證能力評價標準不斷向更多層級發展，2016 年，奧斯本（Osborne J F）發展了學生參與論證推理的學習能力進階水平，從構建和批判的角度開發了0～2 級共13 個等級的科學論證進階水平，批判屬于更高的科學論證能力等級[14]。美國科學論證能力標準的發展不斷從關注論證的構成轉向關注論證構成各個內容的質量（主張的正確性或證據的科學性）和反思批判等思維意識。

4.關注科學論證教學專業發展活動的實施

教師需要專業的課程培訓以提升科學論證教學能力和積累科學論證教學經驗。美國學者麥克尼爾（Mcneill，K L）開發了科學論證學科教學知識的專業發展課程，讓教師了解科學論證教學策略相關知識以及學生對科學論證的理解，專業發展課程不僅介紹了如何將科學論證融入課堂教學、如何評價學生的科學論證能力，還給予教師進行科學論證教學的實踐機會，幫助教師進行科學論證教學設計以及對教學效果進行評價[15]。施姆維爾（Shemwell J T）在研究中設計了教師的科學論證專業發展活動，活動包括調查教師對科學論證概念的觀點、收集教師對學生論證能力水平評價的情況以及分析教師在教學活動中使用科學論證概念的情況[16]。兩位美國科學教育者設計的專業發展活動都歷時4個月之久，可見教師科學論證教學能力的培養需要長期的培訓和發展。

三、美國科學論證教學的發展對我國科學論證教學的啟示

教師是將科學論證融入課堂的關鍵，教師如果沒有進行科學論證教學的意識，學生更沒有機會參與到科學論證的學習中。為了把黨的教育方針科學地細化為具體的人才培養目標，教育部啟動了“立德樹人”工程。2013 年5 月，林崇德教授團隊接受教育部關于研究中國學生發展核心素養的任務，歷經3 年多時間，核心素養研究課題組于2016 年召開了中國學生發展核心素養研究成果新聞發布會，全面公布了包括三大領域六種素養十八個要點的中國學生發展核心素養，其中科學精神的理性思維維度強調尊重事實和證據，有實證意識，能夠運用科學的思維認識事物和解決問題[17]?？茖W論證教學是培養學生科學思維的有效方式，我國基于核心素養的理科課程標準也強調了科學論證。如何開展科學論證教學培養學生的科學思維，落實高中理科課程學科核心素養也是我國科學教育亟待解決的問題。

1.教師開展論證教學需要深入了解科學論證

教師要從科學知識的建立過程了解科學論證?？茖W論證是科學家推進科學知識發展的基本實踐，科學教師所教的每一個科學知識都是科學家通過科學論證得到的?？茖W論證是科學家工作的基本方式，科學的特點是通過客觀的論證和批判產生關于自然界的知識，當新的理論或者方法出現時，科學家將科學論證作為一個手段來為新的思想辯護，同時其他的同行科學家會進行爭辯和審議找出弱點和局限性。通過科學論證檢驗的新思想會獲得科學團體的認可，作為新的知識出現，當更新的證據出現時，科學家又會重新進行科學論證，如此循環，逐漸靠近對客觀世界的真實描述?？茖W家依靠科學論證獲得科學知識，但是在科學教育中科學教師往往傳遞的是靜態的科學知識，告訴學生科學知識是什么，很少引導學生了解為什么，很少闡釋科學知識是如何通過科學論證來構建的。

2.教師進行有效論證教學需要專業的科學論證教學知識

教師需要全面和系統的科學論證專業教學知識來支持科學論證教學實踐。結合美國科學論證相關研究可知，科學論證教學模式的發展需要更加細化的步驟，更加豐富的內容以及要突出學生反思和批判意識的培養；科學論證能力評價標準的開發需要更多層次的等級，要關注學生論證的結構以及關注學生論證的質量，比如主張的正確性以及證據的科學性；科學論證的專業發展需要更加全面的科學論證專業知識體系和持續時間比較長的專業發展培訓。

科學論證教學模式、教學策略、評價工具等相關研究的發展都能為科學論證專業發展提供理論和實踐支撐。我國的教師教育相關研究者可以基于國內外科學論證教學專業知識相關研究開發科學論證教學專業發展課程，讓教師了解科學論證如何教，科學論證教學效果如何評價，科學論證教學案例如何設計以提升科學教師的科學論證教學專業知識。教師需要周期較長的專業培訓來發展科學論證教學能力。

3.教師需要認識到科學知識的傳遞是科學論證教學的重要途徑

很多教師認為科學論證教學的開展需要專門的時間，這使得日常教學的完成存在壓力。教師只要深入了解科學論證是什么，就能認識到科學論證是科學知識建立的方式，日?？茖W概念的講解就能實現科學論證教學和科學思維的培養。教師可以選擇適合的科學概念，創設科學論證教學情境和學生一起構建科學概念。如圖1 所示，在傳統的教學中，科學教師一般傳遞的是靜態的科學知識，學生學到是什么，而不知道為什么，不知道為什么就不會應用，而學生需要實際參與科學實踐的機會。在科學論證教學情境中，教師講解科學知識的構建過程，不僅傳遞科學知識，更將基于證據作出決策的科學思維傳遞給學生。學生在學習科學內容知識時提出自己的主張，并利用科學證據支持主張，還可以在與同學的對話與辯論中驗證和修正主張，體驗評價和批判的過程，科學論證教學使學生的思維和推理變得清晰可見。教師認識到科學教育中科學知識的傳遞是培養學生基于證據作出決策的途徑能夠增加教師進行科學論證教學的意愿。

圖1 科學論證教學與傳統教學

就科學概念的教學而言，教材中呈現科學史故事較多的概念，很好地體現了科學知識建立的科學論證過程，比如光合作用的概念，科學家做實驗基于證據證明、支持和推翻前人的結論，最終發現光合作用的機理。教師可以利用科學史故事開展科學論證教學，讓學生體會科學家基于證據作出決策的過程，既能夠完成日常教學任務又能夠進行科學論證教學，解決時間矛盾?？茖W論證教學能力的培養不是一朝一夕就能實現的，教師可以先從一個概念、一節課程開始進行課程實踐，點滴積累，實現從未知到掌握的轉變，這也是教師自我專業成長的好機會?？茖W論證教學經驗的不斷積累有助于吸引教師加入科學論證教學實踐和發展隊伍，將科學論證教學成功融入日常教學，在課堂中有效落實學生科學思維學科核心素養的培養。