國內基于科學論證的物理教學研究述評

馬亞鵬 楊 瓊

(1. 銀川市第九中學,寧夏 銀川 750011; 2. 懷化武陵中學 湖南 懷化 418000)

自《普通高中物理課程標準(2017年版)》將科學論證(Scientific Argumentation)作為科學思維的要素納入物理學科核心素養體系始,科學論證及其教學研究遂成顯學,引發物理教育研究者的持續關注,發表了諸多有價值的研究成果.本文對基于科學論證的物理教學研究現狀與特點展開評述,以期對科學論證教學的深入開展提供有益的啟示.

1 相關文獻的統計分析

1.1 研究趨勢分析

通過“中國知網”數據庫高級檢索功能,以“科學論證”和“物理”為主題,共檢索出2017—2022年內發表文獻467篇,其中學位論文157篇,每年發文量統計見圖1.由圖1可知,對科學論證的研究隨著新課程的實施俱增,尤其是從2020年度起,連續3年的發文量都超過了120篇,課程標準的導向作用顯著.

圖1 基于科學論證的物理教學研究發文量統計(2017—2022)

1.2 重點文獻及主題分析

通過文本閱讀,進一步遴選出基于科學論證的物理教學研究的重點文獻43篇,作為研究對象進行分析,旨在更為深入地展現這一領域的主要觀點和研究趨勢.對重點文獻的研究主題進行統計分析可知,主要有科學論證在課程標準和教材中的體現、基于科學論證的物理教學策略、基于科學論證的物理教學模型、基于科學論證的物理教學設計、基于科學論證的物理教學實證研究等方面,見表1.

表1 不同研究主題的文獻篇數及所占比例

由表1可知,國內學者對基于科學論證的物理教學各領域都有所涉獵,這表明,科學論證在物理教學研究中已成顯學,尤其是在相應的教學策略及教學模型方面,做了豐富的探索,對學生科學論證能力的測試等相關實證研究也已陸續展開.

2 對科學論證的內涵的研究

2.1 何為論證?

論證(Argumentation)一詞在中文和英文的語境中意義基本相同,《現代漢語詞典》中“論證”一詞的釋義有三：[1]① 邏輯學指引用論據來證明論題的真實性的論述過程,是由論據推出論題時所使用的推理形式;② 論述并證明;③ 立論的根據.英語中的Argumentation在《韋氏詞典》(Webster’sDictionary)的含義是 “形成理由和得出結論并將其應用于討論的行為或過程”(the act or process of forming reasons and of drawing conclusions and applying them to a case in discussion).[2]可見,無論在漢語還是英語中,論證都指一個過程,包含形成理由和得出結論兩個部分,而形成理由需要一定的事實作為基礎,因而一個論證應至少包含事實、理由和結論3個要素.英文中的定義尤為強調將這一過程用于討論以證明結論的可靠性.

邏輯學對論證做了非常豐富的討論,認為論證是“運用真實的或者至少是可以接受的理由,去論證某個論斷的真實性或虛假性的思維過程及其語言表述形式”.[3]從結構上看,一個論證包含論題、論點、論據、論證方式等要素,其具體含義見表2.

表2 論證的要素

在上述4個要素中,論題可以是論證要討論的話題,也可以是論證者要加以證明的觀點,即論點.論點可以是描述性的,也可以是指示性的,論點既是論證的前提,也是論證過程需要得出的結論.論據可以是一般性原理,也可以是事實性斷言、統計數據等.論證方式可以是演繹的、也可以是歸納的,還可能是謬誤的.要建構一個可靠的論證,必須要滿足兩個條件：一是前提真實;二是推理過程合乎邏輯,或者推理形式是有效的.需要說明的是,“一個較為復雜的論證的各個論據(前提)與論點(結論)構成的整個支持關系,構成一個論證鏈條或者網狀結構”.[3]因而,在識別論證時,要考慮整個論證的結構.

2.2 何為科學論證?

學者們對科學論證的內涵與外延展開分析,韓葵葵(2017)等人結合科學論證所包含的要素,認為科學論證是“學生以科學知識為中介,根據收集到的數據資料提出主張和進行推理,反思自己和別人論點的不足以提出反論點,同時反駁他人的質疑和批判為自己辯護的綜合思維”;[4]王后雄(2016)等人認為科學論證是論證在自然科學領域的運用,其內涵是“利用證據建立科學的理由以支持科學主張”;[5]馬亞鵬(2018)援引相關研究,從概念的外延出發,提出科學論證包括個體內論證和個體間論證,其中個體內論證即科學家通過對科學事實(觀察、實驗和測量的結果)進行科學推理、基于證據建立科學理論(主張)的過程,個體間論證則是科學共同體內部通過爭論、反駁、辯護等方式對科學理論展開辯駁以說服對方接受自己主張的過程.[6]需要說明的是,盡管課程標準未對科學論證作明確的界定,但在課程目標中提出了“學生使用科學證據的意識和評估科學證據的能力、運用證據對研究問題進行描述、解釋和預測的能力”的要求,[7]可知其將科學論證主要理解為基于證據得出結論形成解釋.

綜上,我們認為,科學論證是論證的下位概念,和科學論證處于同級水平的還有法律論證、政策論證等,因而科學論證具有一般論證的特征與要素,即包含論題、論點、論據和論證方式等要素.其次,科學論證是在自然科學范圍內使用論證行為的,旨在建立科學理論以及為科學理論辯護.

3 基于科學論證的物理教學研究

3.1 科學論證在課程標準與教材中的體現

馬亞鵬(2019)以我國1949年至今頒布的高中物理課程標準(教學大綱)為例,對體現科學論證的內容進行了梳理,指出科學論證在我國課程標準中經歷了從隱性到顯性的歷史演進,科學論證主要但又不僅限于體現在科學探究中,基于科學論證的物理教學研究與實踐是提高學生科學論證能力的必經之路.[8]馬亞鵬(2020)還以人教版物理教材必修1為例,對高中物理新教材中科學論證內容的呈現方式進行研究,提出教材在多途徑體現科學論證內容的同時在呈現方式上還存在簡單化、單一化和未能顯性化等特點.[9]吳昱等人(2020)基于科學論證所涉及的證據、主張和它們之間的推理關系3個要素對高中物理教材中具有科學論證性質的典型學習內容進行了分析,并提出教師教學中按照科學論證的要素分析是比較好的教學設計思路.[10]

3.2 基于科學論證的物理教學模型

在基于科學論證的物理教學模型研究方面,學者們譯介了國外主流的教學模型,主要有新版ADI模型,SNP模型、PCRR模型、圖爾敏論證模型、SWH模型等,并在此基礎上進行了案例研發.丁珂、錢長炎(2019)以模型建構和科學論證的培養為出發點,提出可將SNP模式引入物理教學.兩位研究者認為,物理學科本身有著各式各樣的模型與建模資源,且物理學家們的辯論在物理學發展過程中有著不可忽視的作用.故兩人基于SNP模型對“庫侖定律”一課進行設計并實踐,認為該模式對學生模型建構和科學論證等素養的培養在一定程度上起到了作用.[11]周偉波(2019)基于Sampson模型,以“盧瑟福α粒子散射實驗”為例開展科學論證活動,并依據該模型提出了相應的科學論證質量的評價標準,且對該模型的影響因素進行分析,促使學生自主發展其物理核心素養.[12]汪明(2020)基于圖爾敏模型,梳理出物理概念、規律、學習中進行科學論證研究的必要性及價值意義;[13]陳仁旭(2021)等人根據PCRR模型有利于發展學生對于核心概念與規律的深度理解、培養學生科學論證能力等特點,在物理概念教學中探尋運用PCRR模式設計科學論證教學的可行路徑;[14]陳澤(2021)等人構建了將SNP模式應用于科學論證能力培養的教學流程,但也指出,該模型更適用于基礎較好、有較強溝通交流能力、對物理興趣濃厚的學生,對學生和教師的要求較高.[15]

3.3 基于科學論證的物理教學策略

2017年以前,國內學者對科學論證的研究集中在科學教育領域,提出了不少可資借鑒的科學教學策略.如,潘瑤珍(2011)總結了比較典型的5種教學策略,分別是“提問表”策略、“主張表”策略、“兩難情境”策略、“角色扮演”策略和“競爭理論”策略等;[16]杜愛慧(2012)則認為科學教學中運用科學論證應偏重用理論來解釋現象以及為理論搜集證據支持,提出了加強表征、組織辯論、安排角色扮演、運用競爭理論、創設兩難情境等科學論證教學策略.[17]

2017年以后,國內學者結合科學論證的要素及其過程,逐漸對基于科學論證的物理教學策略展開研究.如,馬朝華(2018)指出在教學中采用設計論證實踐活動、創設寬松開放的論證環境、加強反駁推理環節、明示論證思路等教學策略.這些教學策略具有讓學生經歷論證過程、促進論證活動開展、從思維深度促進科學論證能力發展、加強學生對科學論證的認識等優點;[18]惠旭光(2020)結合自己的課堂教學,從科學論證的5個進階水平出發,從“找到證據”“說出證據”“反駁證據”“重尋證據”和“評價證據”5個角度來闡述如何培養學生的科學論證能力;[19]王長江等人(2021)對李曉艷教師提出的批判性思維教學策略——“慢·論證·醒來”賦予新的含義,以促進學生科學論證能力的發展.“慢”既強調教學是一種慢的藝術,又強調慢下結論、敢于質疑.“論證”強調理解主題問題、澄清概念意義,分析論證結構、審查理由質量,評價推理關系、挖掘隱含假設,綜合組織論證、考查替代論證.“醒來”是在產生替代結論后,產生新的體悟、認識、精神心理的愉悅.[20]

綜上所述,基于科學論證的物理教學策略較為豐富,但不同策略適用于不同的課堂教學目標與情境,教師在教學中還應根據需求恰當選擇并使用這些策略.

3.4 基于科學論證的物理教學設計

為更好地將科學論證融入中學物理教學,促進學生物理核心素養的發展,學者們展開了基于科學論證的物理教學設計研究.弭樂、郭玉英(2018)構建了概念學習進階和科學論證整合的教學理論框架,其包括科學概念、科學論證和整合發展,設計并實施了相關教學設計,并驗證了該框架的有效性;[21]馬亞鵬、伏雅潔(2019)使用科學論證取向的教學策略對高中歐姆定律的教學設計進行了重構和優化,解決了原來教學目標不清、教學過程中證據鏈條不清等問題;[22]徐丹丹(2020)等人從“提出科學主張”“證據收集”“開展科學推理”3個方面出發,對“超重和失重產生的條件”進行探究,以期學生提高其科學推理能力;[23]顧夢婷(2021)等人以圖爾敏模型為范式,設計了基于科學論證的“電磁感應”主題教學設計,該教學設計有助于促進概念進階、有助于學生對科學本質的理解以及培養學生的科學思維;[24]孫曉兵、邵澤義(2022)對教學錄像中的“聲音在氣體、液體、和固體中傳播”科學論證環節進行了反思和改進,使該教學設計的論證邏輯更加完備,實現發展學生科學思維的教學目標.[25]

除此之外,部分學者還基于科學論證進行了物理習題設計.劉偉(2021)基于新課標,對科學論證取向的高考試題進行了分析,并提出了應對這些習題的教學措施,例如開展合作論證學習、捕捉反駁時機等.[26]同時,劉偉對科學論證習題的設計進行了思考,包括這類習題應具備的3個特征、設計框架、3條基本途徑以及3條設計思想,在統計分析了必修1的論證習題后,利用所提出的3條途徑進行了教學實踐.[27]梁旭(2021)則是對近10年的高考物理有關科學論證的試題進行了分析,并總結了這類習題的特點,進一步給出了培養學生科學論證素養的建議.[28]

3.5 基于科學論證的物理教學實證研究

一方面,學者們構建了科學論證能力表現框架以及設計了相關評價工具.陳穎、郭玉英(2017)鑒于新課標剛提出之時國內缺乏對于科學論證能力表現的評價研究,構建了涵蓋3個水平層級和5個要素的評價框架,實證檢驗后得出該框架是可靠且有效的.[29]緊接著,張春麗、陳穎(2018)利用問卷調查來了解高中物理教師對科學論證以及科學論證教學等相關問題的認識.該調查顯示物理教師在培養科學論證能力的理論和實踐層面仍有不足.[30]鄭穎(2019)等人基于SOLO理論將物理科學論證能力水平劃分為5個水平,開發并優化了測試工具,以實測證明可以將其作為課堂教學中學生科學論證能力形成情況的診斷工具,同時根據實測結果對以培養科學論證能力為主的教學提出了建議.[31]劉曉坤、胡象嶺(2020)在已有研究的基礎上,設計了包含3個水平、4個維度的評價框架以及評價工具.其實測結果體現出所設評價工具是科學的、有效的,也顯示出來學生科學論證能力在各維度所處水平;[32]馮雪媚、張殷認為現有研究多是從任務解決者的角度來構建能力框架,故他們采取從任務本身出發的方法,將“證據”和“推理”作為物理科學論證能力的關鍵變量,根據任務的復雜性構建了相關框架,該框架將物理科學論證能力劃分為9個水平.[33]

另一方面,部分學者還對適用于科學論證教學的組織形式開展實證調查.王莉、廖元錫(2020)將同伴互助學習和科學論證相結合,其認為：同伴互助學習為科學論證提供了組織方式,科學論證為同伴互助學習提供了具體的互助任務. 兩人在學生中進行了同伴互助學習論證訓練活動,結論是該訓練能夠完善學生論證框架、促進學生多角度思考問題,證明同伴互助論證學習是一種有利于科學論證教學的組織形式.[34]

4 啟示與展望

4.1 重視科學論證能夠提高物理教學質量

科學論證融入物理教學為物理教育的發展帶來了新的活力,體現了對物理學科實踐方式的回歸,強調學生在真實的情境中學習物理,讓學生在參與科學實踐的過程中理解科學本質,培養科學精神,是物理教育新的發展方向.基于科學論證的物理教學突出基于證據的論證,有助于深入理解物理知識,培養學生的科學論證能力、科學寫作與交流能力以及批判性思維能力,有利于核心素養目標的落實.科學論證教學關注學生頭腦里的概念結構,關注學生對概念的深度理解,關注證據和推理,要求學生充分收集證據運用科學推理得出結論,當結論遇到反駁時,能夠搜集新的論據或改變論證方式為結論進行辯護.正是在這個過程中,實現上述培養目標.

4.2 將科學論證與我國物理教學傳統結合

誠然,我國物理教學傳統中沒有明確提出科學論證,但并不意味著我國物理教學中沒有科學論證的因素.從物理教學實踐的角度,優秀教師在實施課堂教學時通過多種方式創設情境,注重知識形成的過程,基于物理現象、事實和實驗等證據進行推理論證,使得學生知識的形成與內化建立在堅實的事實經驗與邏輯推理的基礎之上.這樣的教學,隱性地運用了科學論證的結構要素,潛在地培養了學生的科學論證能力.因此,我們需要積極汲取傳統教學實踐中的合理因素.另一方面,要考慮教學的適切性,不宜直接將國外的教學模型簡單移植到當下的課堂教學之中,而要做好本土化轉換以著力避免“水土不服”的現象.

4.3 科學論證教學要采取顯性的方式進行

應當看到,傳統物理教學中的科學論證是以隱性的方式滲透在教學過程之中的,隱性滲透的方式存在教學目標不明確,教學內容不確定和教學效果不顯著等弊病.因此,在基于科學論證的物理教學實踐中,要采取顯性教育的思路,明確給學生講解科學論證的含義、要素,教會學生識別證據有效性和可靠性的方法以及基于證據推理的方法,并開展真實的論證活動.同時,在科學論證的過程中,也要克服單一證據得出普遍結論的做法,盡可能地促進學生之間形成合作、辯論、交流、研討的學習氛圍.

4.4 開展科學論證驅動的科學探究教學

科學探究教學對“知識講授+習題演練”的教學方式轉變起到了積極的促進作用,但其操作的機械化、流程化現象也備受詬病,開展科學論證驅動的科學探究教學能夠促進科學探究和科學論證有效統一,對提高學生的科學探究能力大有裨益,尤其是基于證據的推理得出結論,撰寫科學探究報告,探究小組之間相互評議報告等,有助于學生熟悉科學的運作方式,更好地理解科學.新版ADI教學模型是科學論證教學領域極具生命力的教學實踐模型之一,可以將探究與論證相融合,需要在實踐中進一步探索.

4.5 科學論證教學需要運用教育科研方法

目前,對基于科學論證的物理教學研究仍慣于使用理論分析與實踐案例的研究范式,實證研究還較為欠缺.從物理教育研究的特點及其方法論的角度,一方面要借助邏輯學、科學史、科學社會學等多學科知識豐富科學論證的內在特征、基本模式與典型科學史案例,并關注諸如核泄漏事件、全球變暖等社會熱點,拓展科學論證教學的廣度與深度,讓論證思維及其科學精神價值得以充分發揮.另方面,無論采取何種教學模型、教學策略,評判其有效性的標準應立足于學生科學論證能力的提高.這就必然要求采用實證研究.而這實證研究,除了面向學生的能力測試外,課堂論證話語分析、論證實踐的表現性測評等研究也極具實踐意義.