国内基于科学论证的物理教学研究述评

马亚鹏 杨 琼

(1. 银川市第九中学,宁夏 银川 750011; 2. 怀化武陵中学 湖南 怀化 418000)

自《普通高中物理课程标准(2017年版)》将科学论证(Scientific Argumentation)作为科学思维的要素纳入物理学科核心素养体系始,科学论证及其教学研究遂成显学,引发物理教育研究者的持续关注,发表了诸多有价值的研究成果.本文对基于科学论证的物理教学研究现状与特点展开评述,以期对科学论证教学的深入开展提供有益的启示.

1 相关文献的统计分析

1.1 研究趋势分析

通过“中国知网”数据库高级检索功能,以“科学论证”和“物理”为主题,共检索出2017—2022年内发表文献467篇,其中学位论文157篇,每年发文量统计见图1.由图1可知,对科学论证的研究随着新课程的实施俱增,尤其是从2020年度起,连续3年的发文量都超过了120篇,课程标准的导向作用显著.

图1 基于科学论证的物理教学研究发文量统计(2017—2022)

1.2 重点文献及主题分析

通过文本阅读,进一步遴选出基于科学论证的物理教学研究的重点文献43篇,作为研究对象进行分析,旨在更为深入地展现这一领域的主要观点和研究趋势.对重点文献的研究主题进行统计分析可知,主要有科学论证在课程标准和教材中的体现、基于科学论证的物理教学策略、基于科学论证的物理教学模型、基于科学论证的物理教学设计、基于科学论证的物理教学实证研究等方面,见表1.

表1 不同研究主题的文献篇数及所占比例

由表1可知,国内学者对基于科学论证的物理教学各领域都有所涉猎,这表明,科学论证在物理教学研究中已成显学,尤其是在相应的教学策略及教学模型方面,做了丰富的探索,对学生科学论证能力的测试等相关实证研究也已陆续展开.

2 对科学论证的内涵的研究

2.1 何为论证?

论证(Argumentation)一词在中文和英文的语境中意义基本相同,《现代汉语词典》中“论证”一词的释义有三：[1]① 逻辑学指引用论据来证明论题的真实性的论述过程,是由论据推出论题时所使用的推理形式;② 论述并证明;③ 立论的根据.英语中的Argumentation在《韦氏词典》(Webster’sDictionary)的含义是 “形成理由和得出结论并将其应用于讨论的行为或过程”(the act or process of forming reasons and of drawing conclusions and applying them to a case in discussion).[2]可见,无论在汉语还是英语中,论证都指一个过程,包含形成理由和得出结论两个部分,而形成理由需要一定的事实作为基础,因而一个论证应至少包含事实、理由和结论3个要素.英文中的定义尤为强调将这一过程用于讨论以证明结论的可靠性.

逻辑学对论证做了非常丰富的讨论,认为论证是“运用真实的或者至少是可以接受的理由,去论证某个论断的真实性或虚假性的思维过程及其语言表述形式”.[3]从结构上看,一个论证包含论题、论点、论据、论证方式等要素,其具体含义见表2.

表2 论证的要素

在上述4个要素中,论题可以是论证要讨论的话题,也可以是论证者要加以证明的观点,即论点.论点可以是描述性的,也可以是指示性的,论点既是论证的前提,也是论证过程需要得出的结论.论据可以是一般性原理,也可以是事实性断言、统计数据等.论证方式可以是演绎的、也可以是归纳的,还可能是谬误的.要建构一个可靠的论证,必须要满足两个条件：一是前提真实;二是推理过程合乎逻辑,或者推理形式是有效的.需要说明的是,“一个较为复杂的论证的各个论据(前提)与论点(结论)构成的整个支持关系,构成一个论证链条或者网状结构”.[3]因而,在识别论证时,要考虑整个论证的结构.

2.2 何为科学论证?

学者们对科学论证的内涵与外延展开分析,韩葵葵(2017)等人结合科学论证所包含的要素,认为科学论证是“学生以科学知识为中介,根据收集到的数据资料提出主张和进行推理,反思自己和别人论点的不足以提出反论点,同时反驳他人的质疑和批判为自己辩护的综合思维”;[4]王后雄(2016)等人认为科学论证是论证在自然科学领域的运用,其内涵是“利用证据建立科学的理由以支持科学主张”;[5]马亚鹏(2018)援引相关研究,从概念的外延出发,提出科学论证包括个体内论证和个体间论证,其中个体内论证即科学家通过对科学事实(观察、实验和测量的结果)进行科学推理、基于证据建立科学理论(主张)的过程,个体间论证则是科学共同体内部通过争论、反驳、辩护等方式对科学理论展开辩驳以说服对方接受自己主张的过程.[6]需要说明的是,尽管课程标准未对科学论证作明确的界定,但在课程目标中提出了“学生使用科学证据的意识和评估科学证据的能力、运用证据对研究问题进行描述、解释和预测的能力”的要求,[7]可知其将科学论证主要理解为基于证据得出结论形成解释.

综上,我们认为,科学论证是论证的下位概念,和科学论证处于同级水平的还有法律论证、政策论证等,因而科学论证具有一般论证的特征与要素,即包含论题、论点、论据和论证方式等要素.其次,科学论证是在自然科学范围内使用论证行为的,旨在建立科学理论以及为科学理论辩护.

3 基于科学论证的物理教学研究

3.1 科学论证在课程标准与教材中的体现

马亚鹏(2019)以我国1949年至今颁布的高中物理课程标准(教学大纲)为例,对体现科学论证的内容进行了梳理,指出科学论证在我国课程标准中经历了从隐性到显性的历史演进,科学论证主要但又不仅限于体现在科学探究中,基于科学论证的物理教学研究与实践是提高学生科学论证能力的必经之路.[8]马亚鹏(2020)还以人教版物理教材必修1为例,对高中物理新教材中科学论证内容的呈现方式进行研究,提出教材在多途径体现科学论证内容的同时在呈现方式上还存在简单化、单一化和未能显性化等特点.[9]吴昱等人(2020)基于科学论证所涉及的证据、主张和它们之间的推理关系3个要素对高中物理教材中具有科学论证性质的典型学习内容进行了分析,并提出教师教学中按照科学论证的要素分析是比较好的教学设计思路.[10]

3.2 基于科学论证的物理教学模型

在基于科学论证的物理教学模型研究方面,学者们译介了国外主流的教学模型,主要有新版ADI模型,SNP模型、PCRR模型、图尔敏论证模型、SWH模型等,并在此基础上进行了案例研发.丁珂、钱长炎(2019)以模型建构和科学论证的培养为出发点,提出可将SNP模式引入物理教学.两位研究者认为,物理学科本身有着各式各样的模型与建模资源,且物理学家们的辩论在物理学发展过程中有着不可忽视的作用.故两人基于SNP模型对“库仑定律”一课进行设计并实践,认为该模式对学生模型建构和科学论证等素养的培养在一定程度上起到了作用.[11]周伟波(2019)基于Sampson模型,以“卢瑟福α粒子散射实验”为例开展科学论证活动,并依据该模型提出了相应的科学论证质量的评价标准,且对该模型的影响因素进行分析,促使学生自主发展其物理核心素养.[12]汪明(2020)基于图尔敏模型,梳理出物理概念、规律、学习中进行科学论证研究的必要性及价值意义;[13]陈仁旭(2021)等人根据PCRR模型有利于发展学生对于核心概念与规律的深度理解、培养学生科学论证能力等特点,在物理概念教学中探寻运用PCRR模式设计科学论证教学的可行路径;[14]陈泽(2021)等人构建了将SNP模式应用于科学论证能力培养的教学流程,但也指出,该模型更适用于基础较好、有较强沟通交流能力、对物理兴趣浓厚的学生,对学生和教师的要求较高.[15]

3.3 基于科学论证的物理教学策略

2017年以前,国内学者对科学论证的研究集中在科学教育领域,提出了不少可资借鉴的科学教学策略.如,潘瑶珍(2011)总结了比较典型的5种教学策略,分别是“提问表”策略、“主张表”策略、“两难情境”策略、“角色扮演”策略和“竞争理论”策略等;[16]杜爱慧(2012)则认为科学教学中运用科学论证应偏重用理论来解释现象以及为理论搜集证据支持,提出了加强表征、组织辩论、安排角色扮演、运用竞争理论、创设两难情境等科学论证教学策略.[17]

2017年以后,国内学者结合科学论证的要素及其过程,逐渐对基于科学论证的物理教学策略展开研究.如,马朝华(2018)指出在教学中采用设计论证实践活动、创设宽松开放的论证环境、加强反驳推理环节、明示论证思路等教学策略.这些教学策略具有让学生经历论证过程、促进论证活动开展、从思维深度促进科学论证能力发展、加强学生对科学论证的认识等优点;[18]惠旭光(2020)结合自己的课堂教学,从科学论证的5个进阶水平出发,从“找到证据”“说出证据”“反驳证据”“重寻证据”和“评价证据”5个角度来阐述如何培养学生的科学论证能力;[19]王长江等人(2021)对李晓艳教师提出的批判性思维教学策略——“慢·论证·醒来”赋予新的含义,以促进学生科学论证能力的发展.“慢”既强调教学是一种慢的艺术,又强调慢下结论、敢于质疑.“论证”强调理解主题问题、澄清概念意义,分析论证结构、审查理由质量,评价推理关系、挖掘隐含假设,综合组织论证、考查替代论证.“醒来”是在产生替代结论后,产生新的体悟、认识、精神心理的愉悦.[20]

综上所述,基于科学论证的物理教学策略较为丰富,但不同策略适用于不同的课堂教学目标与情境,教师在教学中还应根据需求恰当选择并使用这些策略.

3.4 基于科学论证的物理教学设计

为更好地将科学论证融入中学物理教学,促进学生物理核心素养的发展,学者们展开了基于科学论证的物理教学设计研究.弭乐、郭玉英(2018)构建了概念学习进阶和科学论证整合的教学理论框架,其包括科学概念、科学论证和整合发展,设计并实施了相关教学设计,并验证了该框架的有效性;[21]马亚鹏、伏雅洁(2019)使用科学论证取向的教学策略对高中欧姆定律的教学设计进行了重构和优化,解决了原来教学目标不清、教学过程中证据链条不清等问题;[22]徐丹丹(2020)等人从“提出科学主张”“证据收集”“开展科学推理”3个方面出发,对“超重和失重产生的条件”进行探究,以期学生提高其科学推理能力;[23]顾梦婷(2021)等人以图尔敏模型为范式,设计了基于科学论证的“电磁感应”主题教学设计,该教学设计有助于促进概念进阶、有助于学生对科学本质的理解以及培养学生的科学思维;[24]孙晓兵、邵泽义(2022)对教学录像中的“声音在气体、液体、和固体中传播”科学论证环节进行了反思和改进,使该教学设计的论证逻辑更加完备,实现发展学生科学思维的教学目标.[25]

除此之外,部分学者还基于科学论证进行了物理习题设计.刘伟(2021)基于新课标,对科学论证取向的高考试题进行了分析,并提出了应对这些习题的教学措施,例如开展合作论证学习、捕捉反驳时机等.[26]同时,刘伟对科学论证习题的设计进行了思考,包括这类习题应具备的3个特征、设计框架、3条基本途径以及3条设计思想,在统计分析了必修1的论证习题后,利用所提出的3条途径进行了教学实践.[27]梁旭(2021)则是对近10年的高考物理有关科学论证的试题进行了分析,并总结了这类习题的特点,进一步给出了培养学生科学论证素养的建议.[28]

3.5 基于科学论证的物理教学实证研究

一方面,学者们构建了科学论证能力表现框架以及设计了相关评价工具.陈颖、郭玉英(2017)鉴于新课标刚提出之时国内缺乏对于科学论证能力表现的评价研究,构建了涵盖3个水平层级和5个要素的评价框架,实证检验后得出该框架是可靠且有效的.[29]紧接着,张春丽、陈颖(2018)利用问卷调查来了解高中物理教师对科学论证以及科学论证教学等相关问题的认识.该调查显示物理教师在培养科学论证能力的理论和实践层面仍有不足.[30]郑颖(2019)等人基于SOLO理论将物理科学论证能力水平划分为5个水平,开发并优化了测试工具,以实测证明可以将其作为课堂教学中学生科学论证能力形成情况的诊断工具,同时根据实测结果对以培养科学论证能力为主的教学提出了建议.[31]刘晓坤、胡象岭(2020)在已有研究的基础上,设计了包含3个水平、4个维度的评价框架以及评价工具.其实测结果体现出所设评价工具是科学的、有效的,也显示出来学生科学论证能力在各维度所处水平;[32]冯雪媚、张殷认为现有研究多是从任务解决者的角度来构建能力框架,故他们采取从任务本身出发的方法,将“证据”和“推理”作为物理科学论证能力的关键变量,根据任务的复杂性构建了相关框架,该框架将物理科学论证能力划分为9个水平.[33]

另一方面,部分学者还对适用于科学论证教学的组织形式开展实证调查.王莉、廖元锡(2020)将同伴互助学习和科学论证相结合,其认为：同伴互助学习为科学论证提供了组织方式,科学论证为同伴互助学习提供了具体的互助任务. 两人在学生中进行了同伴互助学习论证训练活动,结论是该训练能够完善学生论证框架、促进学生多角度思考问题,证明同伴互助论证学习是一种有利于科学论证教学的组织形式.[34]

4 启示与展望

4.1 重视科学论证能够提高物理教学质量

科学论证融入物理教学为物理教育的发展带来了新的活力,体现了对物理学科实践方式的回归,强调学生在真实的情境中学习物理,让学生在参与科学实践的过程中理解科学本质,培养科学精神,是物理教育新的发展方向.基于科学论证的物理教学突出基于证据的论证,有助于深入理解物理知识,培养学生的科学论证能力、科学写作与交流能力以及批判性思维能力,有利于核心素养目标的落实.科学论证教学关注学生头脑里的概念结构,关注学生对概念的深度理解,关注证据和推理,要求学生充分收集证据运用科学推理得出结论,当结论遇到反驳时,能够搜集新的论据或改变论证方式为结论进行辩护.正是在这个过程中,实现上述培养目标.

4.2 将科学论证与我国物理教学传统结合

诚然,我国物理教学传统中没有明确提出科学论证,但并不意味着我国物理教学中没有科学论证的因素.从物理教学实践的角度,优秀教师在实施课堂教学时通过多种方式创设情境,注重知识形成的过程,基于物理现象、事实和实验等证据进行推理论证,使得学生知识的形成与内化建立在坚实的事实经验与逻辑推理的基础之上.这样的教学,隐性地运用了科学论证的结构要素,潜在地培养了学生的科学论证能力.因此,我们需要积极汲取传统教学实践中的合理因素.另一方面,要考虑教学的适切性,不宜直接将国外的教学模型简单移植到当下的课堂教学之中,而要做好本土化转换以着力避免“水土不服”的现象.

4.3 科学论证教学要采取显性的方式进行

应当看到,传统物理教学中的科学论证是以隐性的方式渗透在教学过程之中的,隐性渗透的方式存在教学目标不明确,教学内容不确定和教学效果不显著等弊病.因此,在基于科学论证的物理教学实践中,要采取显性教育的思路,明确给学生讲解科学论证的含义、要素,教会学生识别证据有效性和可靠性的方法以及基于证据推理的方法,并开展真实的论证活动.同时,在科学论证的过程中,也要克服单一证据得出普遍结论的做法,尽可能地促进学生之间形成合作、辩论、交流、研讨的学习氛围.

4.4 开展科学论证驱动的科学探究教学

科学探究教学对“知识讲授+习题演练”的教学方式转变起到了积极的促进作用,但其操作的机械化、流程化现象也备受诟病,开展科学论证驱动的科学探究教学能够促进科学探究和科学论证有效统一,对提高学生的科学探究能力大有裨益,尤其是基于证据的推理得出结论,撰写科学探究报告,探究小组之间相互评议报告等,有助于学生熟悉科学的运作方式,更好地理解科学.新版ADI教学模型是科学论证教学领域极具生命力的教学实践模型之一,可以将探究与论证相融合,需要在实践中进一步探索.

4.5 科学论证教学需要运用教育科研方法

目前,对基于科学论证的物理教学研究仍惯于使用理论分析与实践案例的研究范式,实证研究还较为欠缺.从物理教育研究的特点及其方法论的角度,一方面要借助逻辑学、科学史、科学社会学等多学科知识丰富科学论证的内在特征、基本模式与典型科学史案例,并关注诸如核泄漏事件、全球变暖等社会热点,拓展科学论证教学的广度与深度,让论证思维及其科学精神价值得以充分发挥.另方面,无论采取何种教学模型、教学策略,评判其有效性的标准应立足于学生科学论证能力的提高.这就必然要求采用实证研究.而这实证研究,除了面向学生的能力测试外,课堂论证话语分析、论证实践的表现性测评等研究也极具实践意义.