“基于证据的论证”在科技博物馆教育活动开发中的实践研究①

李 燕 陈晓君 鲍贤清②

一、 基于证据的论证及其意义

(一) 什么是“基于证据的论证”

2013年，美国新科学教育标准发布，该标准强调了科学学习应以学科核心概念为主线，实现科学与工程的实践、跨学科概念和学科核心概念三者之间的紧密整合。学科核心概念是各门学科中非常重要的关键性概念，它们能为理解或研究更复杂的概念和解决问题提供工具与支持。跨学科概念是指那些能应用于所有科学与工程领域的通用概念[1]。“科学与工程的实践”作为其中的一个维度，是实现教学目标的途径，也是将三个维度紧紧缠绕在一起的方式。

常见的科学与工程实践通常被分为8类，分别是：1.提出科学问题，定义工程学问题；2.发展和使用模型；3.计划和实施调查；4.分析解读数据；5.使用数学和计算思维；6.解释科学，设计工程解决方案；7.参与基于证据的论证；8.获取评价交流信息[2]。

“基于证据的论证”指对于新理论和现象的解释、对技术问题的新解决办法或是对数据的新解读，科学家和工程师理应使用推理和论证使他们的结论有意义。而这些推理和论证都是基于假定的演绎，对现有模式的一般性总结归纳，或者对最好的可能解释的推断[3]。总的来说，“基于证据的论证”中的“证据”无论在科学还是工程范畴，更偏向于实证，即来源于自然观察、实验数据、实验结果。在本文中，“证据”主要聚焦在博物馆环境中，学生通过观察展品、展板文字等得到一手或二手证据。而笔者主要从“论证”这一角度出发，从更微观的层面探讨科技博物馆教育活动开发中的教学设计。

(二) 基于证据的论证的教育意义

1. 促进学生对科学概念的理解与建构

论证既是一种实践形式，也是一种表达形式，是对观察到、收集到的证据的表达。有研究者指出，对知识的讨论，包括解释和论证，是表达概念理解的有效途径[4]。

博物馆有其独有的学习模型，该模型涉及物理情境和社会情境。在经过设计的博物馆内，学习可以被场馆设计激发，也可以发生在与展品的交互中，甚至可以发生在与同行人的交谈中。这也是非正式学习的一个特点，采取论证的实践，能够促进学习者交谈的发生，从而提高学习者的博物馆学习效果。学习科学是一个建构知识的过程，在论证的一次次推进迭代中，学习者能够自我发展内化科学概念，加深对科学知识的理解。

2. 促进学生对实践方法和过程的认识

论证作为科学探究的一种重要实践方式，需要论证者不断从证据出发分析并得出结论，这也是一种探究过程。1996年版的美国科学课程标准提出“提倡学生进行探究”[5]；而2013版则采用了“科学和工程的实践”，是对探究二字的改进，但从本质来说，基于证据的论证也是探究。学生获取证据、分析证据、得出论证结果的过程是一个完整的探究过程。

论证作为科学探究的一种重要实践方式，不只是基于逻辑实证主义的科学探究、以证据为基础的认识活动，论证者还应该关注构建科学主张时的理论依据以及在构建社会特征时运用大量辩证策略和言语行为。科学探究也不是固定程式的，面对灵活多样且有争议的科学问题，学习活动需要倡导基于证据和理由的多样化主张之间的争辩，从而体现科学发现的社会建构特征和人在科学研究过程中的主体地位。科学探究更不是结果定向的，论证主张多样化，个体进行不同主张的构建和相互争辩，论证参与者便可在科学研究的过程中扩大思维空间和认知角度，参与主张的争辩，体会科学论证的过程属性[6]。

论证作为评价科学解释、科学结论或工程设计是否合理的方法之一，将“科学和工程的实践”中的“计划和实施调查”“发展和使用模型”“分析解读数据”“使用数学和计算思维”“解释科学，设计工程解决方案”这几种实践互相串联。论证作为中间纽带，通过这几种实践将真实可见的世界与虚拟的方法论世界紧紧联系在一起，促进学生理解方法掌握实践[2]。

3. 促进学生科学素养的提高

2016年，美国国家科学院将科学素养定义为：“不仅是科学知识的基本常识，更包括对科学过程和实践的理解，对科学和科学家工作的熟悉程度，对科学产品的衡量和评价能力，以及对科学价值进行公民决策的能力。”[3]库恩(Kuhn)将论证定义为提出观点，以证据支持观点，评估观点或科学产品并改进的过程[7]，这与科学素养提倡的经历科学过程，参与科学实践的要求不谋而合。如果能将科学论证应用于非正式学习的科学教育，能有效提升学习者的科学素养，也体现了以实证为核心的科学认识论、方法论和价值观。

二、 基于证据的论证教学设计

(一) 国内外论证式教学策略应用于课堂中的研究

图尔敏(Toulmin)为论证设计出结构化的模型，其中共涉及到资料、理由、反例、限制、主张多个元素，并将他们按照一定的结构用箭头来表示。最基本的论证结构如图1所示。

图1 TAP论证模式[8]

林钰芳在其论文中参考图尔敏的论证模式和靳知勤等人的论证细格脚手架，以“破除流言”为教学主题让学生进行自我论证，发现学生的论证能力得到提高，批判思考意识由于时间关系并无改进[9,10]。除了TAP论证教学模式外，还有研究者维克多等将论证整合到学生探究过程中，形成了有七个教学环节的论证探究式教学(ADI)，分别是教师确认任务、产生数据、短暂论证、论证分享会、撰写报告、论文评审、修改论文。参照该教学模式，研究者设置了十五个教学活动并进行实证研究，得出采用论证式探究教学的学生能更好利用证据解释自然现象，且显示出更积极的科学态度[11]。而有研究者以论证为核心，建立了科学课堂中的论证模型(见图2)，该模型由6个阶段构成循环的体系围绕构成，每个阶段都在学生参与论证的实践中有独特的目的[12]。教师可以使用多轮循环来加深学生对科学核心思想的理解，直到学生对知识的理解满意为止。

图2 科学课堂论证模型

而研究者乔治(George Z.)则从概念转变的角度运用论证教学策略来创建模型(见图3)，主要是通过论证创造认知冲突，从教师和学生的角度来建立科学观念，并从比较两者科学概念和教学过程中学生的元认知来评估教学效果。

图3 将论证用于概念转变的教学模型[13]

从这两个教学模型来看，在科学课堂上运用论证，须有先前知识也就是学生原有论点的展示，最重要的环节就是学生自己的探究。这种探究可能是学生将自己获得的新信息和原有观点对照，也可能是新观点和教师观点的冲突，再通过论证获得修正的科学观念。最后的环节则是将新获得的科学观念进行展示或者运用。而作为论证发起点的教学环节，则可以是提出逻辑问题[14],让学生进行资料搜集并加以论证的教学过程，如有可能还可以进行辩论；或者让学生进行自我论证，解释科学现象或破除谣言，如林钰芳在其论文中就以综艺节目《流言追追追》中的问题“可乐除铁锈？”为核心问题，探究醋酸对于氧化铁之影响[10]。

(二) 将论证应用于博物馆教学活动的教学流程

参考论证应用于课堂中的教学模型及相关研究，笔者提出将论证应用于科技博物馆教育活动的教学流程。该流程一共有6个环节(见图4)。

图4 论证加入科技博物馆教育活动的教学流程

1. 展示问题情境，提出/形成问题。即确定一个要研究的问题，此环节在博物馆或课堂内进行皆可。问题的形成可以是教师提出，也可以是由学生来发现。教师可利用馆内的模型、标本、视频、图文介绍等资料引发学生思考，引出研究问题；也可以在课堂内用多媒体资料来提出科学问题或者以解释科学现象的形式提出问题；在日常的学习中，也可将生活中发现的问题进行提取和明确，转化为研究问题。

2. 科学调查，实验探究，搜集证据。即根据确定的研究问题，寻找支持论点的证据。在博物馆内，实物展品模型、展板文字及交互视频中的文字、数字、影像等都是事实论证，包括从展品、模型标签内容中提炼出的地区、年份、数量等。学生将观察到的证据采用笔记、海报等形式记录下来。如果条件允许，学生还可以采用实验数据的测量、编制实验手册等方式收集证据。学生在博物馆的科学调查中，真实地观察接触展品以寻找论证所用的证据，可以大大的加深对论据的理解。此外，对于科学或工程中需要的探究，也可根据需要回校或在馆内进行实验，探究得出证据。

3. 初步论证，得出主张。通过科学调查，学生收集到很多信息，在初步论证的环节，学生需要做到：(1)区分证据和理由；(2)构建有证据支撑的论证。教师可以引导学生采用图尔敏的TAP论证模式，并将其转译成更易于理解的“因为__________,__________,所以。”为了方便学生理解，可在学生学习单上将整个论证的部分标为“结论”，学生只需将对应的证据和理由填在划线处即可。但在此之前，学生要弄清楚这三者的区别。在区分三者的环节中，需要学生辨别证据、理由的真伪。假如没有为学生提供像TAP这样的脚手架，也可以采用多个问题的形式提醒学生建立有证据的论点，比如先提出问题：对于…… 你是怎么认为的？接着提出问题：为什么你这样认为的？(你是如何得出这个结论的？)第一个问题先让学生得出结论，第二个问题再让学生回溯相关理由和证据。(3)在初步论证的阶段，学生的论证结果正确与否并不重要，更重要的是学生能将证据、理由以及结论三者区分开来并构建出基于证据和理由的论证，形成解释。

4. 分享观点，多人/集体论证。活动的这个阶段可以在博物馆中，也可在课堂中进行。在这一阶段，需要阐明论点，摆出论据，常用的方法有：(1)设计制作海报，这种方法既是记录调查过程又是呈现观点的一种方式，将论证思维可视化。(2)举例法，即在学生论证自己观点时，通过摆出事实、例子来支持论点，注意在举例时让学生举出基于观察的事实，与所说明的问题内容一致，不能似是而非；所举例子要尽量典型、有影响力和有代表性，以增强说明的效果。要通俗易懂，深入浅出，让人感觉到有可信度，更能说明事物的特征。(3)辩论，这是论证式教学中常见的一种教学策略。辩论作为分享观点的一种呈现方式，不仅在科学课堂中使用，在博物馆内同样适用。在收集证据完成论证得出结论之后，教师可以组织学生进行辩论。辩论除了可以考察学生语言组织能力之外，更能反映学生的逻辑能力——可依据学生举出的论据是否充分有力进行判断。(4)设置对立观点，当学生难以找到对立的辩论观点或双方不存在对立情况时可使用。教师们需要抓住学生在分享观点中的不同论点，设置对立观点，让学生辩论；当学生们论点统一时，教师可故意就其论点设置对立观点，引起学生与教师的辩论。(5)回答教师/同学的问题，这也是一种分享观点的形式。如果学生难以构建论点，可以使用以下句式“我的论点是______因为______ (证据、理由)。”来引导学生的思考。教师也可通过询问的方式引导学生。如在探究人体呼吸系统结构时，教师可提问：能解释一下你的模型如何工作吗？请向我展示你的模型中支持论点的证据；你能解释为什么把吸管连接到气球吗？你的模型使用什么证据来解释肺与胸部之间的关系[12]?在这个环节，学生可以就他人提出的质疑及建议进行记录、整理归纳，为修改完善做准备。

不管是制作海报、辩论还是设置对立观点，目的都是让学生找出他人论证中的问题，提出质疑并进行讨论。论证中出现的问题可能是没有正确的证据、理由，从而无法得出正确的结论；也可能有证据和理由错误，结论却正确的情况，学生需要对其证据和理由进行反复推敲。而证据和理由正确，但是结论却出现错误的情况更考验学生的论证能力，学生之间可能需要通过举例等其他方式来说明。

5. 收集反馈，重新验证，修正主张。在发现自己论证中出现的问题后，针对他人提出的质疑进行论证的修改。主要方法是通过列出论点及设计的优点及劣势，局限性的评估和分析进行客观的评价，要舍弃一些原有的论证要素，增添或替换新的论证要素，最终达到修改结论的目的。对于科学问题就是改进论点及论据；而对于工程学就是改进原先的设计。工程学中所使用的标准往往与科学不同。例如，工程师可能会使用成本效益分析，风险分析，美学吸引力或市场接受预测等方面来进行分析方案，通过将几种设计方案进行对照比较，进行迭代性的基于证据的论证，使工程设计不断完善，找出最佳的解决方案[2]。在达成最终方案和设计之前，还需要测试原型，考虑成本、美学设计、经济、科学性等方面是否符合设计的预期。测试原型可以使学生找到存在的问题，对设计方案不断改进。

6. 形成最终论证。在这个阶段，教师给学生一些提示或指导，如果对论证的结论还有其他的观点，也可再进行一轮分享论证、收集反馈修改结论的过程，直到学生形成最终论证。

本文所构建的论证加入科技博物馆教育活动的教学流程后，与前述教学模式有以下不同之处。

首先，以学习单为基础的博物馆学习过程没有过多的教师参与，学生论证较为自由，更愿意表达自己的想法。康小为认为：开展课堂科学辩论需要转换师生角色，不应出现教师完全掌控话语权，决定发言人和发言起止时间，整个讨论未见学生间的互动，观念分歧被忽略，讨论成了宣告正确答案前的“过程”[15]。同时，黎琼在其论文中提出：在开展论证的教学活动时应保证交谈情境，教师需要为学生创设一个具有浓厚氛围、平等对话平台和安全有效性的辨证情境，促使学生论证的产生和推进[16]。因此，博物馆这个环境能在更大范围内促进学生的相互论证，加深论证过程中对实际证据的理解。

其次，在科技博物馆的调查过程中，学生可以充分利用博物馆的资源，如博物馆的实物标本，这是学生获得的一手论据。还有博物馆内的展板文字，通过阅读专业人士对展品的解读来获得二手论据。这些数据和资料，都需要学生仔细观察、主动探究来获得，而不是将论证过程需要的数据和资料通通放在学生面前，只需要把数据资料主张填写到相应位置即可。在这个过程中，学生需要对获得的数据和资料加以筛选辨别，这在本质上也是一种论证。

第三，此流程更多地鼓励同伴之间进行论证辩驳，此特征在下文的活动案例分析中有所提及。如同伴之间确实无冲突的论证，即资料和数据、理由、主张全部相同，再由教师提出不同的论证过程。学生之间出现的辩驳都是在论证过程中不断发展的，并且可以借助其他工具将历次论证过程记录下来，从而掌握学生对科学概念的理解变化。

这6个过程环环相扣，相互渗透。在博物馆教育活动的设计中，可根据自身场馆需求，因地制宜地选择性使用以上各个过程，积极调动学生的参与度，充分利用博物馆的资源优势，让学生在科学与工程的实践中体会基于证据的论证实践。

三、 基于证据的论证教学设计及实施

(一) 基于证据的论证教学活动设计

下文将主要对教育活动案例中的学习单和论证过程中的对话来进行质性分析，研究学生在此活动过程中是否达到了既定的教学目标。“论证”这一实践方式贯穿于此博物馆教育活动开发的全程[17]，活动将按照上述模型进行，并将活动划分为参观前、入馆参观以及参观后的三个阶段进行设计。

在教学内容的设计中，选取了上海市小学自然教材中的“昆虫外形”“蝴蝶与飞蛾的辨别”知识点，以“小小昆虫学家”为主线进行串联。所选知识点为本单元重点知识，且昆虫和蝴蝶的辨别是教学难点。针对这一教学内容，本活动选取上海昆虫博物馆为活动场地。该博物馆以昆虫为主题，共两层，第一层为昆虫的历史、分类与相关标本，第二层为常见昆虫介绍及相应标本，馆内实验室和设备可以满足活动需要。本次教育活动目标如下。

• 知识与技能：通过观察昆虫博物馆内展品，熟悉昆虫的形态结构并能判断常见昆虫种类。了解蝴蝶与蛾的区别，并判定标本的类别。

• 过程与方法：学会运用论证的方法来判断昆虫种类。

• 情感态度与价值观：培养“基于证据的论证”科学探究精神，激发学生学习昆虫知识的兴趣。

在参观博物馆前引入课题，完成教学流程中的“展示问题情境”。在到馆参观时以学习单为脚手架，引导学生参观学习。学生需要观察馆内展品，并依据学习单中的指引进行相应操作：如对昆虫标本的观察描绘、填写列表寻找蝴蝶与蛾的区别等。由学生自己分析，自我论证得出结论。参观后的活动内容主要是以多种方式鼓励学生多人论证，修改论证以及在教师的引导下最终得到相对正确的论证，完成后两个教学环节。

(二) 教学活动实施

多数学生在参观前并未接触过论证教学模式，因此为他们讲授并指导他们练习TAP论证模式非常重要。学生使用专为课堂论证设计的学习单进行论证练习。首先要分清论证的各个要素，随后按照TAP模式将这些要素填入合适的位置，并最终得出结论。具体的活动实施过程参见表1。

表1 采用论证教学策略的博物馆教育活动设计

在入馆参观教学阶段，学生依据馆内学习单开展科学调查。学习单首先向学生提出问题：图片中的生物是蝴蝶还是蛾？学生在博物馆内进行证据搜集，如观察馆内展品标本、绘制标本、列表比较，随后完成自我论证和填写学习单。在这两个环节中，学生虽处于自我论证的阶段，但由于参观是以小组合作方式进行，小组成员之间也产生了论证过程。

参观结束后，教师将学生在博物馆中使用的学习单回收。可以发现：对于学习单上的第一个问题“图中生物是否是昆虫？”学生均能正确回答：是昆虫。而对另一核心问题“图中生物是蝶还是蛾？”则答案不一致。教师根据论证过程尽可能地将学生按照四种类别进行异质分组，以激发学生的质疑行为。这四个类别是：图中生物不是昆虫，图中生物是蝴蝶，图中生物是蛾，未完成作答。

分组完成后，教师介绍小组论证规则以保证论证有序进行，并发给每组一张大海报纸。小组每位学生将自己的论证过程及结论写在海报纸的四个角上。学生可以先就自己的论证进行阐述，后由小组同伴提出质疑的方式完成小组论证。组员逐个进行，最终得出统一的结论并写在海报中央。至此，学生完成了从个人自我论证到小组多人论证的环节。下一环节由教师请各小组上台分享论证，教师就其中的核心问题引导学生进行全班的多人论证，随后讲解其中的科学知识并回顾整个教育活动的内容，形成最终论点。以上论证均由学生依据搜集到的证据进行。学生能够通过观察图片信息得到论证的证据，并将之前馆内习得知识作为论证结构中的资料进行论证，得出结论。在小组论证过程中，也有学生就论证中的证据提出质疑，如：图中生物的触角到底是什么形状，这就需要教师提供的资料尽量准确。

以参加本活动的某学生小组为例，四名组员中有两名认为图中生物是蝴蝶，而另外两名则认为图中生物是蛾。这都是他们在博物馆中观察蝴蝶与蛾，总结二者区别之后得出的结论。他们的判定理由包括：二者的口器、翅膀大小、触角形状和活动时间。这些理由也与他们在学习单中填写的蝴蝶与蛾区别表格中的内容一致。他们试图运用在博物馆内获得的二手证据进行论证。下面摘录部分小组论证对话。

生1：蝴蝶(的触角)是从粗到细，蛾是从细到粗，所以是蛾。(从触角判定)

生2：你看这边(指翅膀)肯定是蛾。

生1：对啊，肯定是蛾，蝴蝶有长这个样子的吗？

生2：蝴蝶的身体是瘦的。(从身子大小提出质疑)

生3：那它是蛾啊，那我要改了。(学生改变想法)

生1：因为蝴蝶有虹吸式口器，它有，所以它是蝴蝶。(从口器判定)

生2：这个我承认。

生1：因为它的翅膀小，蝴蝶的翅膀是大的，所以是蛾。(通过翅膀大小判断)

生3：因为蝴蝶的翅膀是大的，触角是棒状的，在白天活动，蛾的话，翅膀小，在夜间活动，所以是蛾。(通过翅膀大小，触角形状，活动时间多方面判断)

生1：蛾没有虹吸式口器。

生3：蛾有虹吸式口器，应该是蛾呀。

生1：蛾没有虹吸式口器。(由口器引发的讨论)

生2：那有些有呢？

生3：我感觉应该是(蛾)。

生1：那你怎么看出来它在夜间活动呢？(提出疑问)

生3：昆虫博物馆上面写它在夜间活动呀(在昆虫博物馆中得到的信息)

生1：这道题是夜间还是白天啊？(从题目中找寻证据)

由这部分对话可以看出，学生能使用馆内获得的二手资料进行论证。如其中学生从博物馆说明牌上直接获得信息：蛾在夜间活动；而“蝴蝶的翅膀大，触角是棒状的”等信息也是他们在馆内观察蝶蛾标本获得的一手资料，以及阅读展板获得的二手资料，并据此进行多人论证。

此小组得出的统一结论是：图中生物是蝴蝶，判定理由是作息时间。首先，这组学生不管是个人论证还是小组论证，都能够使用TAP的论证模式。其次，他们论证中出现的资料大多有依据，得出的结论也是由证据得来。值得注意的是，学生在小组论证中为了表明图中场景是白天，在图中画了太阳表示，同时用文字指出了翅膀大的特点。这样的论证结果显示：学生在论证的最终阶段将生活习性作为区分蝴蝶与蛾的重要标准，而舍弃了触角形状这一判断标准。虽然这个小组得出的最终结果有误，但能看出学生想法在论证过程中的转变。美中不足的是：这组学生均只采用一条证据来进行论证，而未综合多个证据进行判定。

总而言之，从学生的论证图示以及相应对话可知，将“基于证据的论证”用于科技博物馆的教学流程可以引导学生运用论证来进行科学学习，并使他们的科学知识有所提升，说明此教学流程是有效的。

四、 研究总结及展望

(一) 研究总结

本文结合“基于证据的论证”和课堂教学中的论证模型，构建了“基于证据的论证”用于科技博物馆的教学流程。以此流程为基础，本文设计并实践了在昆虫博物馆开展以昆虫知识为学习内容的博物馆教育活动。研究发现，学生在这个学习过程中科学知识有所提升，并且能够运用论证来进行科学学习，由此说明此流程的有效性。

(二) 研究展望

本研究构建出的教学流程，只是以一个教育活动为例进行验证。在教学内容上，主要选取了“是蝴蝶还是蛾”这个核心论证问题，但论证式教学策略是否能扩展到其他教学内容？是否对其他非正式学习场景有效？还需进一步论证，这也是后续研究首先考虑的方向。

本文所构建的教学流程及相应的博物馆教育活动均侧重“论证”这个微观过程；而对于“证据”，即前文所提到的实验数据、实验结果这些广义的科学实践涉及较少。希望后续的研究能够更侧重“基于科学与工程实践”的论证，使研究更加完善。