美国科学教育中科学论证教学的困境、策略与启示*

刘辰艳 张颖之

（1.太原师范学院生物科学与技术学院，山西晋中，030619；2.首都师范大学教师教育学院，北京，100048）

科学是建立在逻辑和推理的基础之上进行探索和解释自然现象从而创建知识的活动，科学知识的发展和应用影响着国家的前途命运和人民的生活福祉。科学论证是科学事业的关键，科学家以问题为中心，基于证据地反思、审视和质疑以创造知识，推进世界的发展。能够利用科学知识和原理进行科学论证，评价各种信息作出科学和生活相关问题的理性决策是当今科技时代公民有效生存的关键。尊重事实和证据，有实证意识，能够运用科学思维认识事物和解决问题，是我国基于核心素养课程改革的重要目标。培养能够利用科学论证基于证据进行决策的人才也是美国科学教育的重要目标，美国多年来积累的科学论证教学经验能够为我国科学论证教学的发展提供借鉴。

一、美国科学教育中科学论证教学的困境

1.教师不了解科学论证

美国科学教育相关研究表明科学论证教学的开展对于美国的科学教师依然是很困难的。刘世玉和罗里格（Roehrig，G）在为期三年的教师专业发展项目中探索了14 位美国科学教师在全球气候变暖社会性科学议题背景下的科学论证能力，研究结果表明科学教师的科学论证表现并不好，基于证据评价观点对于教师来说非常困难的，教师对科学论证的理解影响教师的科学论证表现[1]。同样，麦克尼尔（Mcneill，K L）等人通过问卷和访谈的方式收集数据调查了42 位美国教师影响其开展科学论证教学的因素，研究结果表明教师对科学论证的理解对科学论证教学的影响最大，教师并不了解科学论证是什么以及科学论证的重要性[2]。教师了解科学论证是什么是开展科学论证教学的前提。

2.教师缺乏科学论证教学的专业知识

教师，即使是推广科学论证的专家教师的科学论证能力也较低，卡什辛格（Katsh-singer，R）利用问卷测评了53 位来自美国各州的科学论证专家教师的科学论证学科教学知识，研究结果表明虽然大部分的科学论证专家教师认为论证对于学生是有益处的，但是他们科学论证相关的知识水平较低，特别是对科学论证中证据、推理和批判的认识不够[3]。麦克尼尔（Mcneill，K L）等人邀请70 位中小学教师参与了影响科学论证学科教学知识的专业发展课程，研究数据表明教师很难将科学论证整合到课堂实践中，对证据和推理的理解有限，教师需要更多的资源和工具来帮助他们进行科学论证教学[4]。奈特巴兹利（Knight-Bardsley，A）等人分析了参与科学论证专业发展课程之后5 位中小学教师科学论证课堂的变化，研究表明科学教育者需要清晰地界定教师进行科学论证需要的知识，并且明确系统地向教师传递这些知识才能更好地推进科学论证教学的发展[5]。

3.日常教学与科学论证教学存在时间矛盾

王建兰（Wang J）和巴克（Buck，G A）在追踪物理教师的科学论证课堂时，教师表示课堂时间紧张是教师不愿意进行科学论证教学的主要原因。教师本身有日常的教学任务，开展科学论证教学占用的时间会影响教学任务的完成[6]。一方面，科学论证教学对于教师来说是新的领域，教师需要花费大量的时间进行探索、设计和实施，给原有的教学带来影响；另一方面，由于教师不了解科学论证是什么，也缺乏科学论证教学的专业知识来支持教学实践，教师需要投入大量的时间和精力来钻研科学论证教学。因此，教师需要了解科学论证是什么，认同科学论证的价值，掌握科学论证教学专业知识，才能真正地将科学论证融入日常教学，促进日常教学的高效发展和教师论证教学能力的发展。

二、美国科学教育中科学论证教学的发展策略

1.将科学论证纳入国家科学课程标准

自1996 年美国国家研究理事会（National Research Council，简称NRC）颁布史上第一份全国性的科学教育标准以来，强调以科学探究为中心，提高学生科学素养的理念成为全球科学教育的关注点。2011 年，美国国家研究理事会（NRC）发布了阐释美国新课标修订指导思想的核心内容框架《K-12 科学教育的框架：实践、跨学科概念与核心概念》，以下简称《K-12 框架》。《K-12 框架》强调以科学与工程实践、跨学科概念和学科核心概念为主线的三维框架来概括学生所有要学习的内容[7]。《K-12 框架》提出了科学实践的八大维度，维度七是参与基于证据的论证，明确强调了论证这一基本科学实践在科学教育中的重要地位。基于证据的论证指的是：在科学中论证是识别推理过程的优点和缺点以及发现自然现象最佳解释所必不可少的。科学家必须为他们的解释辩护，根据可靠的数据基础来寻找证据，根据他人提供的证据和意见来检验他们自己的理解，并与同行合作，寻找对正在调查的现象的最佳解释。

2013 年，美国成就公司（Achieve，Inc.）发布了最终的美国《新一代科学教育标准》（The Next Generation Science Standards，简称NGSS），这个课程标准呈现了美国K-2 至K-12 各个年级基于证据论证的具体目标，主要强调学生要构建和优化论证、接受批判和反论证以及学会审视和评价论证[8]。自科学论证成为美国科学课程的重要目标以来，美国的政府、学校和科学教育研究者不断推进科学论证教学的发展，积累了很多实践经验。

2.关注科学论证教学模式的创新与发展

为了促进美国教师科学论证教学的有效发展，研究者结合课堂实践提出了不同的科学论证教学模式。美国科学教育者桑普森（Sampson，V）提出的科学论证探究式教学模式（Argument-Driven Inquiry，简称ADI 论证教学模式）是国内外应用最广泛的科学论证教学模式，主要包括确定任务、收集数据、产生暂定性的论证、论证互动阶段、完成调查报告、双盲同行审议、修正过程以及反思性讨论等过程[9]。

2013 年，桑普森（Sampson V）又关注了生物学中的科学论证教学，基于ADI 论证教学模式提出了产生论证和评价论证两种教学模式。两种论证教学模式的第一个步骤即确定任务有区别：产生论证是问题直接给予学生，学生寻找答案进行论证；评价论证是给予学生问题的同时也给予学生可能的答案，让学生选择自己支持的答案进行论证。这两种模式更加明确了提出任务的类型供教师选择[10]。

2015 年，库贾夫斯基（Kujawski，D）也基于ADI 教学模式提出了科学论证教学模式（Present，Critique，Reflect，Refine，简称 PCRR 教学模式），这个教学模式包括呈现论证过程、批判和审阅论证过程、反思论证过程以及提炼学习收获，更加鼓励教师在课堂中强调学生的批判和反思[11]。美国科学论证教师模式的发展趋势是步骤不断细化以及更加突出论证的批判反思过程。

3.关注科学论证能力评价标准的开发与应用

信效度良好的科学论证能力评价标准是监测科学论证教学效果非常重要的工具。美国学者埃尔杜兰（Erduran S）开发了论证质量五级标准，从论证结构的角度区分不同的评价等级，包括主张、主张和理由、有理由的主张和反驳等标准，反驳属于比较高的科学论证能力等级[12]。2013 年，基于论证质量的五级标准，桑普森（Sampson V）在研究中提出了更加详细的论证能力标准，关注主张的正确性，证据是否进行了分析、解释和辩护，也提出能够明确基于证据质疑不同解释属于较高的论证能力等级[13]。科学论证能力评价标准不断向更多层级发展，2016 年，奥斯本（Osborne J F）发展了学生参与论证推理的学习能力进阶水平，从构建和批判的角度开发了0～2 级共13 个等级的科学论证进阶水平，批判属于更高的科学论证能力等级[14]。美国科学论证能力标准的发展不断从关注论证的构成转向关注论证构成各个内容的质量（主张的正确性或证据的科学性）和反思批判等思维意识。

4.关注科学论证教学专业发展活动的实施

教师需要专业的课程培训以提升科学论证教学能力和积累科学论证教学经验。美国学者麦克尼尔（Mcneill，K L）开发了科学论证学科教学知识的专业发展课程，让教师了解科学论证教学策略相关知识以及学生对科学论证的理解，专业发展课程不仅介绍了如何将科学论证融入课堂教学、如何评价学生的科学论证能力，还给予教师进行科学论证教学的实践机会，帮助教师进行科学论证教学设计以及对教学效果进行评价[15]。施姆维尔（Shemwell J T）在研究中设计了教师的科学论证专业发展活动，活动包括调查教师对科学论证概念的观点、收集教师对学生论证能力水平评价的情况以及分析教师在教学活动中使用科学论证概念的情况[16]。两位美国科学教育者设计的专业发展活动都历时4个月之久，可见教师科学论证教学能力的培养需要长期的培训和发展。

三、美国科学论证教学的发展对我国科学论证教学的启示

教师是将科学论证融入课堂的关键，教师如果没有进行科学论证教学的意识，学生更没有机会参与到科学论证的学习中。为了把党的教育方针科学地细化为具体的人才培养目标，教育部启动了“立德树人”工程。2013 年5 月，林崇德教授团队接受教育部关于研究中国学生发展核心素养的任务，历经3 年多时间，核心素养研究课题组于2016 年召开了中国学生发展核心素养研究成果新闻发布会，全面公布了包括三大领域六种素养十八个要点的中国学生发展核心素养，其中科学精神的理性思维维度强调尊重事实和证据，有实证意识，能够运用科学的思维认识事物和解决问题[17]。科学论证教学是培养学生科学思维的有效方式，我国基于核心素养的理科课程标准也强调了科学论证。如何开展科学论证教学培养学生的科学思维，落实高中理科课程学科核心素养也是我国科学教育亟待解决的问题。

1.教师开展论证教学需要深入了解科学论证

教师要从科学知识的建立过程了解科学论证。科学论证是科学家推进科学知识发展的基本实践，科学教师所教的每一个科学知识都是科学家通过科学论证得到的。科学论证是科学家工作的基本方式，科学的特点是通过客观的论证和批判产生关于自然界的知识，当新的理论或者方法出现时，科学家将科学论证作为一个手段来为新的思想辩护，同时其他的同行科学家会进行争辩和审议找出弱点和局限性。通过科学论证检验的新思想会获得科学团体的认可，作为新的知识出现，当更新的证据出现时，科学家又会重新进行科学论证，如此循环，逐渐靠近对客观世界的真实描述。科学家依靠科学论证获得科学知识，但是在科学教育中科学教师往往传递的是静态的科学知识，告诉学生科学知识是什么，很少引导学生了解为什么，很少阐释科学知识是如何通过科学论证来构建的。

2.教师进行有效论证教学需要专业的科学论证教学知识

教师需要全面和系统的科学论证专业教学知识来支持科学论证教学实践。结合美国科学论证相关研究可知，科学论证教学模式的发展需要更加细化的步骤，更加丰富的内容以及要突出学生反思和批判意识的培养；科学论证能力评价标准的开发需要更多层次的等级，要关注学生论证的结构以及关注学生论证的质量，比如主张的正确性以及证据的科学性；科学论证的专业发展需要更加全面的科学论证专业知识体系和持续时间比较长的专业发展培训。

科学论证教学模式、教学策略、评价工具等相关研究的发展都能为科学论证专业发展提供理论和实践支撑。我国的教师教育相关研究者可以基于国内外科学论证教学专业知识相关研究开发科学论证教学专业发展课程，让教师了解科学论证如何教，科学论证教学效果如何评价，科学论证教学案例如何设计以提升科学教师的科学论证教学专业知识。教师需要周期较长的专业培训来发展科学论证教学能力。

3.教师需要认识到科学知识的传递是科学论证教学的重要途径

很多教师认为科学论证教学的开展需要专门的时间，这使得日常教学的完成存在压力。教师只要深入了解科学论证是什么，就能认识到科学论证是科学知识建立的方式，日常科学概念的讲解就能实现科学论证教学和科学思维的培养。教师可以选择适合的科学概念，创设科学论证教学情境和学生一起构建科学概念。如图1 所示，在传统的教学中，科学教师一般传递的是静态的科学知识，学生学到是什么，而不知道为什么，不知道为什么就不会应用，而学生需要实际参与科学实践的机会。在科学论证教学情境中，教师讲解科学知识的构建过程，不仅传递科学知识，更将基于证据作出决策的科学思维传递给学生。学生在学习科学内容知识时提出自己的主张，并利用科学证据支持主张，还可以在与同学的对话与辩论中验证和修正主张，体验评价和批判的过程，科学论证教学使学生的思维和推理变得清晰可见。教师认识到科学教育中科学知识的传递是培养学生基于证据作出决策的途径能够增加教师进行科学论证教学的意愿。

图1 科学论证教学与传统教学

就科学概念的教学而言，教材中呈现科学史故事较多的概念，很好地体现了科学知识建立的科学论证过程，比如光合作用的概念，科学家做实验基于证据证明、支持和推翻前人的结论，最终发现光合作用的机理。教师可以利用科学史故事开展科学论证教学，让学生体会科学家基于证据作出决策的过程，既能够完成日常教学任务又能够进行科学论证教学，解决时间矛盾。科学论证教学能力的培养不是一朝一夕就能实现的，教师可以先从一个概念、一节课程开始进行课程实践，点滴积累，实现从未知到掌握的转变，这也是教师自我专业成长的好机会。科学论证教学经验的不断积累有助于吸引教师加入科学论证教学实践和发展队伍，将科学论证教学成功融入日常教学，在课堂中有效落实学生科学思维学科核心素养的培养。