中美初中生物教科书中的科学论证要素比较研究

方欣 刘紫薇 尚媛媛 管彤彤 王念 林雅晨 王晶莹

摘   要：科学论证是科学思维的核心实践，对学生科学素养的提升具有关键作用。生物教科书作为学生学习和教师教学的重要媒介，其科学论证的体现与否对学生论证能力的培养意义重大。本研究通过构建科学论证的初中生物教科书分析框架，比较中美两国初中生物教科书在科学论证的基础、科学论证的条件、科学论证的过程和科学论证的核心这四个要素间的差异，从内容水平、呈现形式和表征方式三方面为我国后续的科学教材开发提供参考。

关键词：科学论证；比较研究；初中生物教科书；内容分析

中图分类号：G633.91         文献标志码：A         DOI： 10.3969/j.issn.1672-3937.2023.10.04

国际教育领域十分重视科学论证的教学，注重培养学生的科学论证能力。国际学生评估项目（Program for International Student Assessment，PISA）2015 科学素养测评框架明确指出具备科学素养的公民应具备三种核心能力，其中包括“科学地解释数据和证据”。[1]国际数学与科学趋势研究（Trends in International Mathematics and Science Study，TIMSS）科学框架也将“证据中提出论点”作为学生需要参与的五种基本科学探究实践之一。[2]教科书是课程的重要组成，反映科学学习的目标，能够帮助科学教师将课程意图转化为课堂实践。[3]当前，大多数科学教师都是依据教科书进行课程内容的设计。[4]因此，教科书对教学内容的选择和编排起着关键作用，对学生科学知识的学习和科学素养的发展极具影响力。

本研究聚焦中美初中阶段的生物教科书，旨在发现两国生物教科书中科学论证呈现的特点，为我国科学教材的编写提供参考。

一、论证与科学论证的内涵

图尔敏（Toulmin）最先提出论证是个人通过证据和理论来支持解释与论点。[5]图尔敏的论证模式将论证分为数据（data）、主张（claim）、保证（warrant）、支撑（backing）、反驳条件（rebuttal）和限定（qualifier）六要素。[6]然而，近年来对论证的研究已成为一项更加实证性和科学性的研究。图尔敏的论证与实际中的论证情况并不一致。埃梅伦（Eemeren）和格鲁滕多斯特（Grootendorst）指出，图尔敏的论证没有考虑参与论证的双方，更侧重于说服同伴，只涵盖支持者，而没有反对者。[7]因此根据主客体不同，论证可以分成两方面。在個体方面，论证是个体的论证过程，通过证据和理由建构自己的主张。在群体方面，论证是完善他人主张的过程，个体通过反驳来提出异议，并且进行辩护。目前，科学论证被定义为试图根据理由建立或验证一个主张[8]，或者作为一个过程，以一种反映科学界价值观的方式提出，支持、评估和完善群体或个人的主张[9]。

二、研究资料和方法

本研究选取中美两国初中阶段的生物教科书进行分析。其中，中国教科书选择A版初中生物学教科书，包含七年级上册、七年级下册、八年级上册和八年级下册，共计四本书。美国教科书选取霍顿米扶林哈考特集团（Houghton Mifflin Harcourt）出版的《科学融合》（Science Fusion）。此套教科书包含GK～G8共九级，其中GK～G5对应我国学前和小学教育阶段，G6～G8对应我国初中教育阶段。G6对应的是生命科学模块，G7对应的是地球与空间科学模块，G8对应的是物质科学模块。本研究选取G6的四册教科书具体分析，分别是A册《细胞与遗传》（Cells and Heredity）、B册《生物多样性》（The Diversity of Living Things）、C册《人体》（The Human Body）和D册《生态与环境》（Ecology and the Environment）。

通过整理国内外研究人员对科学论证的评价研究，本研究采用内容分析法，建立对生物教科书中科学论证要素的分析框架，以此评价中美初中阶段生物教科书中科学论证的各要素，再对各要素出现的频率进行量化统计，同时将收集的数据进行编码分类，从定量的角度比较各教科书的科学论证水平。

三、评价框架

本研究采用纵向和横向交叉的分析框架。纵向科学论证指标采取基于结构要素、辩护逻辑和内容的评价标准，将科学论证划分为概念、规则、证据、主张、推理、因果、论点和论辩8个指标评价。基于邹祎在物理教科书运用的科学论证分析框架[10]，将概念、规则纳为科学论证的基础，将证据和主张纳为科学论证的条件，将推理和因果纳入科学论证的过程，将论点和论辩纳入科学论证的核心，形成如表 1所示的科学论证评价指标。

确定科学论证评价指标后，结合中美两国初中阶段教科书的特点，从内容水平、呈现形式和表征方式这三维度对科学论证各指标进行横向比较。内容水平运用1～5级量化评价，呈现形式和表征方式依据是与否，用1和0评价。同时，数据处理过程中，各一级维度统计的数据分别处理。例如，内容水平的四个二级维度，分别除以相同的数，等比例缩至1～5级量化水平，进行后续的作图分析。呈现形式和表征方式的二级维度的数据也依次运用此方法进行处理。

四、研究结果

（一）科学论证的基础

整体上看，中美两国初中阶段的生物教科书都是概念的复杂性比规则的有效性内容水平更高，呈现形式和表征方式更为丰富。美国初中阶段的生物教科书（以下简称美国教科书）中概念的复杂性内容水平更高，呈现形式多样，表征方式也更为丰富；中国初中阶段的生物教科书（以下简称中国教科书）中规则的有效性内容水平与美国教材相似，但表征方式较为丰富，呈现形式更为多样。

关于内容水平，中美初中阶段的生物教科书在描述范围、组织方式和科学观念处皆是概念的复杂性高于规则的有效性，其中，美国教科书中概念的复杂性高于中国教科书概念的复杂性；在探究水平上，中国教科书概念复杂性略低于中国教科书规则的有效性；美国教科书概念的复杂性仍然是最高的。两国的教科书在规则的有效性上差距不大；在组织方式和探究水平上，美国教科书中规则的有效性高于中国教科书中规则的有效性。

关于呈现形式，两国教科书都是概念的复杂性比规则的有效性丰富。在内容讲述上，四者水平一致，其余维度中，概念的復杂性远高于规则的有效性。在例题习题和探究拓展上，美国教科书中概念的复杂性较高；在专题阅读上，则中国教科书较高。美国教科书中规则有效性在例题习题处与中国教科书中规则的有效性水平一致；在探究拓展上略低。

关于表征方式，美国教科书概念的复杂性在概念规律、真实案例和动手操作上均是最高；在动脑探究上，美国教科书中概念的复杂性与中国教科书中概念的复杂性和中国教科书中规则的有效性水平一致，美国教科书中规则的有效性未涉及该维度。中国教科书中概念的复杂性在概念规律上低于美国规则的有效性；在真实案例和动手操作上均高于中美教科书中规则的有效性。中国教科书中规则的有效性在概念规律和动手操作上低于美国教科书中规则的有效性，在真实案例上则较高。

（二）科学论证的条件

整体上看，中国教科书证据的复杂性与美国教科书中证据的复杂性和主张的有效性内容水平相近，中国教科书中主张的有效性内容水平最低。两国教科书科学论证的条件呈现形式都丰富多样，证据的复杂性都多在内容讲述和专题阅读上，但中国教科书中证据的复杂性还多在探究拓展上。两国教科书中主张的有效性更多集中在内容讲述上，中国教科书中主张的有效性还多在探究拓展上。两国教科书中的表征方式也有较大差异。中国教科书中证据的复杂性多集中在真实案例和动手操作上，美国则集中在真实案例上。中国教科书中主张的有效性多集中在概念规律、真实案例和动手操作处，美国教科书中主张的有效性是在动手操作处较少，在动脑探究处较多。

关于内容水平，中国教科书证据的复杂性在描述范围上与美国教科书中证据的复杂性水平接近，中国教科书中主张的有效性在描述范围上也与美国教科书中主张的有效性水平接近，其中证据的复杂性均高于主张的有效性。在组织方式上，中国教科书中证据的复杂性与美国教科书中主张的有效性水平接近，中国教科书中主张的有效性在描述范围上也与美国教科书中证据的复杂性水平接近，中国教科书中证据的复杂性和美国教科书中主张的有效性均高于中国教科书中主张的有效性和美国教科书中证据的复杂性。在科学观念上，美国教科书证据的复杂性和主张的有效性均略高于中国教科书。在探究水平上，中国教科书证据的复杂性和美国教科书主张的有效性水平接近，均高于中国教科书主张的有效性和美国教科书证据的复杂性，其中美国教科书证据的复杂性略高于中国教科书证据的主张性。

关于呈现形式，四者在内容讲述上，水平接近，均比在其他维度水平要高。在专题阅读上，中国教科书和美国教科书证据的复杂性均高于两国教科书主张的有效性，其中美国教科书证据的复杂性最高。在例题习题上，美国教科书主张的有效性水平最高，而证据的复杂性水平最低。在动脑探究上，中国教科书证据的复杂性和主张的有效性均高于美国教科书。

关于表征方式，两国教科书主张的有效性均高于两国教科书证据的复杂性，其中美国教科书主张的有效性更高。真实案例处正好相反，两国教科书证据的复杂性都高于主张的有效性。在动手操作上，中国教科书证据的复杂性和主张的有效性均高于美国教科书。在动脑探究上，中国教科书证据的复杂性和主张的有效性水平接近，均高于美国教科书证据的复杂性，均低于美国教科书主张的有效性。

（三）科学论证的过程

整体上看，两国教科书推理的复杂性内容水平均高于两国教科书因果的有效性。呈现形式上，中国教科书推理的复杂性均匀分布在专题阅读、例题习题和探究拓展上；美国教科书推理的复杂性更集中在内容讲述和例题习题上。因果的有效性更多都集中在例题习题上。在表征方式上，两国教科书因果的有效性都较为集中在概念规律和真实案例上。中国教科书推理的复杂性也集中在概念规律和真实案例上，动手操作和动脑探究均匀分布。美国教科书推理的复杂性更集中在概念规律、真实案例和动脑探究上，动手操作则涉及较少。

关于内容水平，两国教科书推理的复杂性在描述范围和科学观念上均高于两国教科书的因果的有效性。在组织方式上，四者水平接近。探究水平上，美国教科书推理的复杂性和因果的有效性均高于中国教科书推理的复杂性和因果的有效性。

关于呈现形式，四者在内容讲述处水平接近，中国教科书推理的复杂性略高。在专题阅读和探究拓展上，中国教科书推理的复杂性水平高于中国教科书因果的有效性和美国教科书推理的复杂性，美国教科书因果的有效性未涉及专题阅读。在例题习题上，美国教科书推理的复杂性高于中国教科书；中国教科书未涉及因果的有效性，美国教科书因果的有效性水平也较低。

关于表征方式，中国教科书推理的复杂性和因果的有效性与美国教科书因果的有效性水平接近，均低于美国教科书推理的复杂性。在真实案例、动手操作和动脑探究上，两国教科书推理的复杂性均高于因果的有效性。在动脑探究上，美国教科书推理的复杂性高于中国；真实案例和动手操作是中国教科书略高。在动手操作上，两国教科书因果的有效性水平一致；在真实案例和动脑探究上美国教科书较高。

（四）科学论证的核心

整体上看，两国教科书论点的复杂性和论辩的有效性在描述范围和组织方式和科学观念上水平接近，但中国教科书论点的复杂性探究水平较低。两国教科书均是论辩的有效性呈现形式更为多样，论点的复杂性多集中在内容讲述上。表征方式上也是论辩的有效性更为丰富，论点的复杂性多集中于概念规律上。

关于内容水平，两国教科书论辩的有效性在描述范围和探究水平上均高于两国教科书论点的复杂性；其中在描述范围上，两国教科书论点的复杂性水平接近，两国论辩的有效性水平也接近；在探究水平上，美国教科书论点的复杂性和论辩的有效性均比中国教科书高。在组织方式和科学观念上，中国教科书论辩的有效性与美国教科书论点的复杂性和论辩的有效性水平接近，但都均低于中国教科书论点的复杂性。

关于呈现形式，四者在内容讲述处水平接近，中国教科书论辩的有效性略高。在专题阅读上，中国教科书论点的复杂性和论辩的有效性与美国教科书论辩的有效性水平接近，中國教科书论辩的有效性水平略高。在例题习题上，美国教科书论辩的有效性最高，其次是中国教科书论辩的有效性、美国教科书论点的复杂性。在探究拓展上，两国教科书论辩的有效性和美国教科书论点的复杂性水平接近，均高于中国教科书论点的复杂性。

关于表征方式，美国教科书论点的复杂性和论辩的有效性高于中国教科书论点的复杂性和论辩的有效性。真实案例、动手操作和动脑探究处均是两国教科书论辩的有效性更高，其中真实案例和动手操作方面中国教科书论辩的有效性略高，动脑探究处两国教科书水平一致。真实案例和动手操作处美国教科书论点的复杂性略高。

五、研究结论

综上，中美教科书的科学论证各要素各有差异。根据数据分析结果，分别从中美教科书科学论证各指标的内容水平、呈现形式和表征方式三个维度比较科学论证各要素呈现情况。

（一）内容水平的特点

在内容水平上，两国教科书都是在科学论证的基础和科学论证的条件处内容水平较高，这可能是因为生物学科富含大量的概念关系，且与自然和社会生活联系紧密。另外，与我国教科书相比，美国教科书各指标之间的差异较小。同时，两国教科书科学论证的过程和科学论证的核心内容水平较低也表明论证过程的辩护逻辑单一，辩护性不强，以论述性为主。

整体上看，美国教科书对科学论证的内容水平高于中国。美国教科书在组织方式上颇有特色：当重复概念再次出现时，教科书中会对其用类似的表达再次进行解释，帮助学生迁移。例如，A册在细胞的分裂中提到减数分裂；当B册植物的繁殖中提到植物通过减数分裂产生孢子时，教材会明确重复描述“减数分裂是细胞分裂的过程，每个子细胞接收母细胞一半的染色体”。此外，在科学观念上，美国教科书会灵活运用各种思维图示表达科学观念，中国教科书对思维图示的运用偏少，类型也较为单一。美国教科书的探究水平比中国教科书略高。美国教科书善用提问，正文中常用问句式标题将内容逻辑分类，突出目标导向。中国教科书虽然设有大量探究活动，但探究活动中的探究步骤都以文字呈现，学生只需填空般写出假设和得出结论，论证的内容水平并不鲜明。

（二）呈现形式的特点

两国教科书大多集中在内容讲述处，其中概念的复杂性还会多分布在专题阅读和例题习题处，证据的复杂性多分布在专题阅读中。这表明两国教科书都注重概念和证据。这也与内容水平的趋势一致。

总体上看，中国教科书呈现形式比美国丰富。这可能是因为中国教科书栏目设置得比美国的类型多，每节内容会设有“资料分析”“探究”“实验”“观察与思考”等。但这也随之带来弊端，栏目太多表示呈现的内容繁琐，中国教科书相比美国教科书表达的更多，内容呈现的文字更多。美国教科书若在专题阅读中提供了概念和证据，就不会在正文继续赘述，使正文浏览起来更加短小精悍。反之中国教科书文字量占据的篇幅较大，需要学生耐心阅读。

此外，两国教科书中均设有专门的探究栏目，但差距较大。中国教科书的探究栏目占据篇幅较大，但主要体现的是证据的复杂性，论证的内容主要在探究栏目后的正文中。美国教科书的探究拓展更多以提问的形式展现，专题阅读和内容讲述处均有，且涉及科学论证各要素。

（三）表征方式的特点

两国教科书的表征方式差距较小，大部分指标多以概念规律和真实案例体现，动脑探究都较少，其中论点的复杂性均在真实案例上较少。两国教科书概念的复杂性在动手操作上体现较多，具体体现为中国教科书开设动手活动帮助学生理解概念，美国教科书让学生自己填写思维图示串联概念。两国教科书推理的复杂性和论辩的有效性相比其他要素在动脑探究上体现更多，但还是更多以概念规律和真实案例阐述。中国教科书科学论证的条件在动手操作上表征较多，与实验栏目的呈现形式一致。

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Comparative Study of the Elements of Scientific Argumentation in Chinese

and American Junior High School Biology Textbooks

FANG Xin1   LIU Ziwei2   SHANG Yuanyuan2   GUAN Tongtong2   WANG Nian3   LIN Yachen4   WANG Jingying2

（1. Wanci Primary School，Hefei Normal Primary School Education Group，Hefei 230022，China;

2. Faculty of Education， Beijing Normal University，Beijing 100032，China;

3. No. 2 Middle School Affiliated to Inner Mongolia Normal University，Hohhot 010040，China；

4. College of Chemistry， Central China Normal University，Wuhan 430079，China）

Abstract： Scientific argumentation promotes students scientific literacy and is widely valued by national and international researchers. As an important bridge for students learning and teachers teaching， textbooks rarely pay attention to the evaluation of scientific argumentation. By clarifying the standards for scientific argumentation， students can develop their capacity for scientific argumentation. For this reason， by constructing a framework for analyzing scientific argumentation， this study compares the differences between junior high school biology textbooks in China and the United States. The comparison was evaluated in four dimensions， including the foundation of scientific argumentation， the conditions of scientific argumentation， the process of scientific argumentation， and the core of scientific argumentation. These results constitute direct evidence for future science textbook revisions in China.

Keywords： Scientific argumentation; Comparative study; Junior high school biology textbooks; Content analysis

编辑 王亭亭   校对 朱婷婷