21世纪国际科学教育的论证研究新进展①——基于CiteSpace可视化分析

董泽华

（华东师范大学，上海200062）

在科学领域，几乎所有的科学观点和科学发现都需要经历不断地论证或者争论的过程。科学教育作为培养学生科学素养最主要方式，更是需要关注证据是如何来解释观点的。论证作为科学教育的核心元素在近些年得到越来越多的关注。因此，开展对科学教育中的论证研究，提升学生的论证水平，发展学生科学素养，被普遍认为是科学教育的重要任务。本研究运用CiteSpaceV可视化科学计量软件，分析国际科学教育论证研究的核心文献，探究21世纪以来国际科学教育论证研究的发展概貌，以使国内科学教育研究者和实践者能够直观地了解国际科学教育论证研究的发展动态和热点主题，为我国科学教育的论证研究提供发展思路。

一、研究设计

（一）数据来源

本研究主要关注21世纪以来，国际科学教育论证研究的动态。Web of Science数据库是集合了自然科学和社会科学等多学科专业期刊的大型引文索引数据库，能够确保文献具有高学术性和高影响力，因此，本研究将Web of Science核心合集数据库作为文献搜索源。在文献数据收集方面，基于Web of Science核心合集数据库，以论证对应的英文“argumentation”或“argument”作为主题词（term），将文献时间范围界定为2000-2017年，文献类型为文章（article）。由于论证一词在诸多出版物都有探讨，本研究关注科学教育领域，所以按出版物名称检索了SSCI中具有国际影响力的六大科学教育杂志，分别为《International Journalof Science Education》（IJSE）、《Journal of Research in Science Teaching》（JRST）、《Research in Science Education》（RSE）、《Science Education》（SE）、《Journal of the Learning Sciences》（JLS）、《Science&Education》（S&E），以尽可能地全面而又有代表性地反映国际上有关科学教育论证研究的核心成果，最终共检索到472篇文献信息。

有关论证研究的文献在六大国际科学教育期刊的具体分布如图1所示。其中，论证研究在《International Journal of Science Education》期刊的发文量最多，共有158篇，在《Journal of the Learning Sciences》期刊中发文数最少，但也超过30篇。总体而言，以六大核心期刊为代表的国际科学教育期刊，基本涵盖了科学教育中论证研究的关键文献，能够确保文献分析的全面性和代表性。

图1 论证研究文献在六大科学教育期刊的分布

由图2可见（横坐标代表年份，纵坐标代表发文量），自21世纪以来，以六大科学教育期刊为代表的科学教育研究对论证的关注逐渐增多（2017年文献下载截止3月份，因此文献量较少），尽管中间有波动，但整体呈上升趋势，足见国际科学教育界对论证研究越来越重视。

图2 国际科学教育论证研究的时间分布

（二）数据处理

本研究对472条文献记录数据通过最新版本的CiteSpace V软件分别进行作者、科研机构、国家（地区）的共被引分析、文献共被引分析和关键词共现和突现分析。整个数据处理条件为：时间范围为2000-2017年，时间分区（years per slice）设定为1，共分18个时区；主题来源（Term Source）为题目（title）、摘要（abstract）、作者关键词（author keywords）、关键词扩展（keywords plus）；节点类型（node types）分别设 定 为 作 者（author）、机 构（institution）、国 家（country）、关键词（keyword）和被引文献（cited reference）；阈值赋值（threshold Interpolation）中c、cc、ccv值分别设定为2、3、15，即共现知识图谱中的关键词次数大于2，关键词共现次数大于3，关键词间相似系数大于0.15。通过这些来呈现国际科学论证研究核心作者、研究单位和地区、知识基础、热点领域和研究前沿。

二、结果分析

（一）核心作者分析

作者共被引分析能够呈现某一阶段某一领域内的高产作者和权威专家。［1］在CiteSpace V软件的“Node Types”中选定“Author”进行可视化分析后，共得到45个节点，27条连线（密度为0.0273）。

其中五位作者的论证研究发文量最高，是国际科学教育论证研究的核心作者，详见表1。

表1：国际科学教育论证研究核心作者

McNeill KL是美国波士顿学院教育学院副教授，研究兴趣主要关注科学教育、科学实践、论证和解释等。Sadler TD原就职于美国印第安纳大学教育学院，现为密苏里大学教育学院学习、课程与教学系教授，研究关注科学教育、社会科学议题、话语和论证。Sampson V原就职于美国佛罗里达州立大学教育学院中学教育系，现为德克萨斯大学教育学院课程与教学系副教授，研究专长为科学教育、科学论证和科学实践评价、科学水平发展等。Simon S是英国伦敦大学教育学院课程、教学与评价系教授。Hand B是美国爱荷华大学教育学院教学和学习系教授，研究领域为运用语言作为学习工具促进学生的科学理解。上述5位作者是论证研究的核心代表。

（二）核心研究机构和国家（地区）分析

在CiteSpaceV软件的Node Types中分别选定“institution”“country”进行可视化分析，得到不同科研机构和国家（地区）在论证研究方面的发文情况，进而了解不同国家（地区）和科研机构对科学教育论证研究的不同贡献程度。

1.科研机构发文量

在科研机构发文量方面，我们可以清楚地看到，论证研究发文量居于前十位的科研机构，都是美国高校，远远超过其他国家地区的科研机构（见表2）。

表2：排名前十科研机构发文量

2.国家（地区）发文量

在国家（地区）发文量方面，自2000年以来，以美国为首，开始对科学教育中的论证进行研究，基本呈现了“一国独大”的局面，欧洲以英国、瑞典等国家为代表，亚洲则是中国台湾地区（见表3）。

表3：排名前十国家（地区）论证研究发文量

（三）共被引文献分析：论证研究的知识基础

利用CiteSpace V软件，选择节点类型为被引文献（cited reference）进行分析。通过分析我们可以发现，共被引频次最高的是英国伦敦大学教育学院的Osborne J于2004年发表的“Enhancing the quality of argumentation in school science”论文。［2］该文在Web of Science被引频次达到360次，在所分析的472篇文献中共被引次数达到69次。Osborne J主要进行支持论证教学和学习的科学情境研究。研究采用实验组和对照组，其中实验组教师采用支持论证的教学模式，而对照组则不使用支持论证的教学模式。研究最后对两组学生的论证能力进行评估，发现实验组学生的论证质量得到显著提升。Osborne J的这篇科学论证研究的文献，在突出论证重要性的同时，运用课堂话语分析，将哲学领域的图尔敏（Toulmin）论证模式创造性地引入科学课堂，作为分析科学论证质量的工具，可以说为科学教育中的论证研究奠定了基础。

其次是以色列希伯来大学ZoharA在2002年发表的“Fostering students’know ledgeand argumentation skills through dilemmas in human genetics”。［3］该文主要探讨在学生面对人类遗传的两难困境（dilemmas）时，教师教授论证技能对学生产生的影响。研究者提到在实施支持论证教学前，只有16.2%的学生能够准确运用生物知识建构论证，接近90%的学生只能简单提出论点。整个研究采用实验组和对照组。实验组教师通过提供支持学生论证的教学之后，最终发现学生在生物知识和论证表现方面都有显著提升。实验组学生的生物知识测试得分显著高于对照组（没有进行论证教学），而且学生的论证质量也得到提升。

Erduran S等人的“TAPping into argumentation：Developments in the application of Toulmin’s argumentpattern for studying science discourse”文章共被引频次达到55次，其将图尔敏论证模式应用于对科学课堂论证话语的数量和质量进行分析。［4］研究者运用两种方法对课堂论证话语进行分析。方法一，使用图尔敏论证模式定量分析产生于教师和学生间的所有论点数量，并且定性分析不同课堂所产生论点的差异。方法二，关注学生团队合作中对反驳（rebuttals）的运用，将反驳的数量和质量作为评判学生论证质量的关键指标。整个研究运用定性和定量方法，将图尔敏论证模式应用于整节课时的完整分析，并创造性地提出改善课堂论证质量的思路。

以上述3篇文章为代表的论证研究，在揭示论证对于学生科学学习的重要影响的同时，为今后的科学教育领域的论证研究提供了知识基础。为了更全面地呈现科学教育论证研究的知识基础，本研究列出共被引频次位于前八（被引频次高于40次）的文献（详见表4）。这些都是国际科学教育论证研究的主要知识基础，以其为线索追踪施引文献，则可以发现国际科学教育论证领域的研究前沿。

表4：国际科学教育论证研究高被引文献

（四）关键词共现分析：论证研究的热点领域

运行CiteSpace V软件，选择“关键词（keyword）”作为节点类型进行分析，得到国际科学教育论证研究的关键词共现知识图谱（可视化图谱略）。同时，将关键词按词频高低进行统计汇总（见表5）。

表5：高频数和高中心性的关键词

续表5

根据关键词共现知图谱和表5所列的高频关键词，结合对二次检索的关键性文献进行分析发现，21世纪以来，国际科学教育论证研究主要形成了以下四大研究热点领域。

1.论证话语研究

论证作为一种话语表达的过程，在科学课堂中有两种表现形式，分别为书面论证和口头论证。因此，对于课堂论证研究基本都需要通过话语进行分析。论证话语研究主要由话语（discourse）、解释（explanation）、观点（view）、科学解释（scientific explanation）等高频关键词组成。Osborne J等人（2004）认为发展科学课堂论证需要转变课堂传统的“教师问、学生答”话语模式。在收集和分析诸多证据之后，他们认为科学课堂中促进学生之间的互动能够大大促进论证话语的产生。因此，在整个研究中，Osborne J根据图尔敏论证模式着重对科学课堂论证话语类型进行了划分，呈现了课堂不同类型的论证话语。［5］M cNeill KL和Pimentel DS（2009）［6］关注不同教师在教授“气候变化”（climate change）这一相同议题时，所呈现的不同课堂话语，统计了课堂中论证话语和非论证话语数量，分析产生不同数量论证话语的原因，最终发现教师运用开放性的问题、鼓励学生间的对话在支持论证中发挥关键作用。总而言之，在论证研究领域，都需要结合具体话语进行分析，论证话语研究既是论证研究的重要主题，也是进行其他研究的重要基础。

2.论证课程内容研究

论证课程内容研究，主要探讨适合论证的科学课程内容。这一主题的高频关键词包括社会性科学议题（socio scientific issue）、遗传（genetics）、思考（thinking）、两难困境（dilemma）、情境（context）、课程（curriculum）、物理（physics）等。从中我们可以清晰地发现，适合课堂进行论证的内容往往具有一定争议性，特别需要在一定的社会背景下进行分析。当前适合科学论证一般有两种课程内容：社会性科学 议 题（Socio scientific Issue，SSI）和 科 学 情 境（Scientific Context）。［7］例如人类遗传学发展对社会伦理所产生的影响、物理学的快速发展应用于武器制造、人类科技发展导致全球气候变暖等，这些都是社会性科学议题，都能将学生置于一种两难的困境，从而为学生进行论证提供重要的情境，触发学生的思考。Zohar A和Nemet（2002）［8］在研究时，将学生置于两难的背景下——父母双方都带有遗传病基因，该不该孕育下一代？通过这一两难课程情境让学生面对两难选择，当然答案并不是唯一的，以此来引发学生的论证以及促进学生对遗传学知识的学习。

3.论证教学模式研究

将论证应用于科学课堂教学则就形成了论证教学模式，此类研究的高频关键词有课堂（classroom）、判定（decisionmaking）、教师（teacher）、教 学（instruction）、建 构（construction）、探 究（inquiry）、脚手架（scaffold）等。论证教学一般都是在课堂层面开展，几乎所有探讨论证教学的文献都首先会交代图尔敏论证模式，足见其在论证教学模式中的重要地位。图尔敏认为一项完整的论证应该具备下列要素：资料（data）、根据（warrant）、主张（claim）、支持（backing）、反驳（rebuttal）。其中，资料、根据和主张是论证的核心部分，任何一个论证都必须具备这三个要素。

Simon S等人（2006）提出教师进行论证教学时，主要涉及到八个过程。（1）发表与倾听（talking and listening）：教师鼓励学生发表自己的看法，同时鼓励学生倾听他人的意见。（2）定义论点（know ing the meaning of argument）：教师举例说明，让学生了解论点的意义。（3）表达立场（positioning）：教师鼓励学生表达自己的立场，并重视学生的不同立场。（4）证据辩护（justifyingw ith evidence）：教师引导学生核实并提出证据，为自己的主张辩护，进而鼓励进一步的辩护。（5）建构论点（constructing arguments）：教师鼓励学生建立自己论点，并做展示或角色扮演。（6）评价论点（evaluating arguments）：教师鼓励学生评价论点，引导学生按照论点所使用的证据内容来评价论点的品质。（7）反驳辩论（counter-arguing/debating）：教师鼓励学生通过角色扮演的方法进行反驳与辩论。（8）自我反思（reflecting on argument process）：教师引导学生对自己的论证过程进行反思，以提升自我的论证品质。［9］在Simon S的论证教学研究中，教师的作用是为学生建构论证搭建脚手架，更多的是论证引导者的角色。

Sampson V等人（2011）提出了新的论证教学模式——论证式探究教学模式（The Argument-driven Inquiry Instructional Model，ADI），作为科学探究实验活动的教学参考模板，实施该教学模式主要有七个步骤。［10］（1）任务界定（identification of the task）：教师界定任务主题，吸引学生注意和兴趣。（2）数据形成（generation of data）：学生以小组合作的形式制定研究方法并进行实施来收集数据。（3）暂时性论点的产生（production of a tentative argument）：初步形成类似于结论、推测或解释的论点。（4）论证对话（argumentation session）：不同小组之间进行对话，分享各自论点，批判其他小组的论点。（5）形成书面调查报告（creation of a w ritten investigation report）：让学生意识到写作作为做科学的重要部分，引导学生如何表述科学以及在写作中学习科学。（6）对报告进行双盲审（double-blind peer review）：鼓励学生同伴运用标准对论证进行评价。（7）修改报告（revision of the report）：基于同伴评价对报告进行修正，不断完善整个论证报告。Sampson V等人将论证运用于探究课堂中，创造性地提出了论证式探究教学，为在科学探究课中实施论证教学提供全新的思路。

4.论证能力研究

在论证能力的研究方面，主要涉及到对学生论证水平的评价。此类研究的高频关键词有质量（quality）、论点（argument）、技能（skill）、素养（literacy）、科学素养（scientific literacy）、知识（know ledge）、内容知识（content know ledge）等 。Osborne J等人（2004）［11］主要从5个水平层次来评价论证质量，评价的标准主要是基于反驳的数量和质量。Osborne J等人认为反驳数量越多，反驳质量越高，则论证质量越高。具体水平划分为：水平1，包含主张以及相对立的主张；水平2，包含主张、资料、根据或支持，但没有反驳；水平3，包含主张和相对立主张、资料、根据或支持，偶尔有反驳；水平4，包含主张以及明确的反驳；水平5，包含主张，并有多个反驳来展示论证

Mason，L.和Sciric.F（2006）主要从论点的完整程度来界定学生论证技能的评分等级。［12］研究者通过全球变暖的社会性科学议题的教学实施，来研究学生论证技能，并按0-4分的计分形式来量化评价学生论证能力，具体评分如下：0分，没有提出任何论点；1分，提出不完整的论点；2分，提出恰当的论点，但理由并不完全正确；3分，提出更为恰当的论点，并有一个正确的理由；4分，提出最为恰当完整的论点，并能够提供两个及以上的正确理由。

Clark DB和Sampson，V（2008）则在在线学习环境（online environment）下研究论证品质，参考OsborneJ等人的论证质量量表，将反驳数量具体化，并且增加水平0，也就是无任何论点，构成六大水平的论证评价框架。［13］具体水平划分如下：水平5，涉及到多种反驳，其中至少一种反驳对支持某一论点的依据进行质疑；水平4，论证涉及多个反驳质疑论点，但没有一个反驳能质疑其依据；水平3，论证涉及多个有依据的论点或对立论点，但只有一个反驳质疑之；水平2：论证涉及的论点或对立论点有依据，但无反驳；水平1：论证涉及一个没有依据的简单论点（claim）或对立论点；水平0：无任何论点。

以上研究都是从论证本身的质量水平来评价学生论证能力，这在一定程度能够反映学生的科学知识掌握情况以及科学素养的发展情况。一方面，我们已经知道论证能力提升，首先需要对科学知识有较好的学习和理解；另一方面，论证能力是科学素养的重要组成部分，因此论证能力的高低，某种程度上体现了学生所具备的科学知识和科学素养的高低。

（五）关键词突现分析：论证研究的前沿演进

CiteSpace V软件开发者陈超美认为某个学科的研究前沿，可通过一组突现的研究概念和潜在研究概念来进行解释。［14］因此，在探讨国际科学教育论证研究的研究前沿时，可以将关键词作为突现词，结合具体文献，从而来描述国际科学教育论证研究的演进和未来发展趋势。同样运行CiteSpace V软件，利用突现词检测法（Burst Terms），节点类型设为“keyword”，并以“timezone”时区可视化分析国际科学教育论证研究的关键词演进变化（见图3），形成2000-2017年国际科学教育论证研究领域的高突现率关键词列表（见表6）。

从图3的突变词演进过程中可见，国际科学教育论证研究一直处在动态的变化过程中，论证一直居于核心研究位置。结合表6我们可以发现，几乎每一年的论证研究都会有新的突现词。在2000-2005年，随着对学生思考（thinking）的关注，科学教育领域对论证进行广泛研究，此时的研究前沿是在教学（instruction）中实施论证，以及为学生预设两难困境（dilemma），促进学生论证。早在1996年，Mason，L提到论证作为一种科学话语的形式，需要合适的教学（suitable instruction）、任务架构（structuring）和模型（modeling）建构。［15］这一阶段的论证研究，关注课堂教学层面教师和学生对话中的论证元素分析。2006-2010年，进一步推进论证教学，突现词有遗传学（genetic）、脚手架（scaffold）、框架（framework）、判 定（decision making）和 观 点（perspective）。研究普遍认为一些社会性科学议题是引发课堂论证最为有效的内容，例如生物遗传的推进所带来的社会伦理大讨论等。同时，除了内容要素之外，还需要为学生的论证搭建脚手架，引导学生进行论证。这一时期的研究主要聚焦于促进课堂论证的有效策略。2010年至今，突现词包括科学论证（scientific argumentation）、学校（school）。科学教育中的论证研究逐渐形成了具有学科特色的科学论证。在学校科学教育中普及论证教学，则是未来科学教育论证研究的前沿所在。如何将论证作为科学教育最为普遍和最为流行的理念，则是当下科学教育论证研究者正在着力关注的焦点。

表6：21世纪以来国际科学教育论证研究高突现率关键词

图3 21世纪以来国际科学教育论证研究突变词突现图谱

三、研究结论与讨论

本研究主要基于Web of Science数据库中472篇核心文献，对21世纪国际科学教育论证研究的研究主体、知识基础、研究热点和前沿演进进行了可视化分析。其中，对论证研究的探讨限定在六大国际核心科学教育期刊刊发的论文，考虑到国际科学教育领域还有诸多其他期刊，因此所选的论证文献并不能代表所有论证研究内容，但基本能够较有代表性地呈现国际科学教育论证研究的整体发展趋势。

毫无疑问，整个人类科学的发展，一直在“论证”中前行。培养未来具有科学素养的人才关键在于提高当前学生的论证能力和论证素养。国际科学教育在论证研究方面，已经形成了较为核心的研究团队和研究机构，也有较为成熟的研究理论和方法，形成了多个研究主题。目前，我国科学教育研究者较多地介绍国外论证研究进展，但也出现了不少实证研究，例如，基于论证理论设计全新的科学实验教学［16］、开展了学生论证能力水平的研究［17］［18］、促进学生物理论证能力发展的策略研究［19］、对教师论证话语的分析。然而，对照科学教育论证研究的国际发展趋势，无论是在研究内容的深度还是研究主题的新意方面，我国科学教育学者的论证研究还是与之存在较为明显的差距。

基于国际科学教育论证研究领域发展趋势的可视化分析，结合我国对科学教育论证研究的研究情况和本土需求，本研究对未来国内论证研究的进一步发展提出如下建议。首先，关注论证研究的热点领域。研究的热点领域往往意味着研究的核心问题，只有关注研究热点才能接近问题的本质。根据前面的分析，国际科学教育论证研究的热点领域主要是论证话语分析、论证课程内容探讨、论证教学模式研究和论证能力研究等。研究这些热点领域，关注我国科学课堂的论证情况，无疑对我国科学论证领域的研究和实践具有重要的借鉴作用。其次，学习已有论证研究的知识基础。研究的知识基础是进行研究创新的核心依据。我国科学教育研究者在进行论证研究时，首要条件就是掌握必备的论证研究知识，根据不同的问题导向，选择最为合适、最为关键的知识基础。在具备一定的论证研究知识基础上，研究者需要学会将已有的知识基础“为我所用”，熟练运用论证研究知识，推动论证研究的开展。最后，把握论证研究前沿。研究前沿往往代表着研究的最新进展以及发展方向，我国科学教育研究者在拥有一定研究基础之上，应该时刻把握论证研究的发展方向，唯有这样，才能因应时代，最为有效地开展论证研究，改善科学课堂论证实践，提升学生的论证能力。

总之，我国科学教育界在进行论证研究时，应该扎实地吸取国际科学教育论证研究的知识基础，结合我国科学教育实情和国际论证研究热点和前沿，运用适当的研究方法，有针对性地解决我国科学课堂中的相关论证问题。

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