引導學生參與科學實踐：解釋和論證

美國《K—12科學教育框架》（以下簡稱《框架》）確定了8種K—12年級課堂中的科學與工程實踐（practices）。這些實踐與核心概念、跨領域概念一起共同描述了國家規定的科學學習目標。與稍早的標準（AAAS1993，NRC 1996）相比，它有一個重要的進步，即這些實踐并沒有被作為獨立存在的學習目標，定義成學生應該了解的有關科學過程的內容。相反，科學實踐確定了科學活動中核心概念背后的推理過程、對這些核心概念的論述及其運用。

在《框架》中列出的實踐類型有：

·提出問題和明確需要解決的難題

·建立和使用模型

·設計和實施調查研究

·分析和解釋數據

·利用數學和計算思維

·建構解釋和設計解決方案

·基于證據進行論證

·獲取、評估和交流信息

本文中，我們分別研究關于解釋和論證的第6和第7種實踐類型。這兩項實踐相互依賴：那些嘗試建構解釋的學生，也必須參與到論證中。

《框架》詳細說明了探究在先前的標準中是如何被表述的，以此對于科學的建構意義（sensemaking）的方面進行強調（Bybee，2011）。有關“實踐”的觀點從把科學視為一系列過程轉變為同時強調社會交往和討論交流，這兩者是在課堂中構建科學知識時伴隨而來的。這一轉變所指向的科學實踐，需要我們認識到在建構科學知識時論證所起的作用，因為在設計調查活動、發展模型和構建解釋時所做的周到而深入的工作，需要對各種方案進行仔細地比較、評估，并達成一致。在本文中，我們首先分別定義了論證（argumentation）和解釋（explanation），然后再通過課堂案例探討它們之間的關系。

構建解釋

課堂上對于“你能解釋一下嗎？”這個問題會得到各種不同的回答。通過澄清某一想法（提供定義），確定一種因果機制（解釋為什么有些事情發生了），或者證明一種觀點（解釋為什么會相信這種觀點），教室里的學習共同體能夠進行“解釋”（Braaten和windschitl，2011）。《框架》中“解釋”被定義為“將科學理論與科學觀察結果或現象相聯系的描述”

（第3章），它強調科學中（課堂上或專業的）

“解釋”的一種核心形式是因果關系的解釋，能夠識別潛在的因果關系鏈。對這類解釋的評價可以基于它是否能夠前后一致地說明——或解釋一學生收集到的所有數據（第3章）。

“解釋”這種科學實踐超越了對指定過程的定義或描述，而是把一系列對需要解釋的現象的推理聯系起來。因此，與其簡單要求學生解釋細胞呼吸作用，我們不如讓他們解釋為什么人體呼出氣體中的含氧量比吸入氣體中的低。對這個的解釋不僅應該描述呼吸作用，而且還要產生一個符合證據的因果鏈，那些證據引向為什么需要氧氣的論斷。這樣的一個因果鏈可以詳細說明葡萄糖進入體內的位置，以及什么物質可以進出細胞，并得出結論：在細胞內一定發生同時需要葡萄糖和氧氣的化學反應，從而把能量轉換成一種可使用的形式（第9章）。

為明確“解釋”的目標，《框架》強調了“評估各種觀點以得到最好的解釋”這個過程，包括學生應該能夠做到：

·使用原始的或二手的科學證據和模型，支持或反駁對一種現象的解釋性說明。

·找出各種解釋性說明間的差異或弱點（他們自己的或是別人的解釋）。

因此，形成解釋性說明不僅僅包括構建，還包括比較和批判。嘗試構建新的解釋通常需要論證元素，以支持和質疑可能的解釋。事實上，為“解釋”搭建腳手架的有效課堂教學支持反映了這些論證元素，例如促進學生用證據和推理來支持他們的主張（McNeill和Krajcik，2012；Sutherland等，2006）。我們接下來將具體解析這個方面的科學實踐。

基于證據進行論證

基于證據進行論證的實踐強調了這樣一種認知，即科學知識是通過一種推理過程而建立的，“這種推理過程需要科學家提出一種關于世界的合理化說法。作為回應，其他科學家嘗試去找出這種說法的缺陷和局限”（NRC，2011）。當一種說法，可能是一種提出的解釋，受到懷疑或有爭議時，這種科學論證的過程就出現了（Osborne和Patterson，2011），因此就會激發參與者為他們自己的觀點辯護，同時質疑或挑戰其他的說法（Berland和Reiser，2009）。《框架》的第3章（NRC，2011）梳理分析了涉及支持和質疑知識論斷的幾個目標：

·構建科學論證，顯示數據是如何支持論斷的。

·在科學論證中找出可能的弱點，適合學生的知識水平，利用推理和證據進行討論。

·識別他們自己論證中的缺陷，根據批評意見進行修改和完善。

科學知識的建立結合了這些實踐，構造對自然現象的備選解釋，并對這些論斷進行論證。由于科學家們對于相同的觀察結果考慮了不同的可供選擇的解釋，他們討論確認不同解釋的缺陷并逐漸形成一致的描述（可能是從多個來源中抽取元素），得到最符合證據的解樣。這種相互依偎是實踐如何相互關聯的一個例子：作為對問題的回答，通過對調查數據進行分析得出解釋，并經過論證得到優化。

這些實踐由什么構成？

在《框架》中使用“‘實踐’取代諸如‘技能（skills）’這樣的術語，是為了強調參與科學探究需要同時協調好知識與技能”（NRC 2011，第3章）。Bybee（2011）強調這種把探究拓展到實踐的觀點是為了學習有關“實驗、數據和證據、社交對話、模型和工具”等方面的知識和技能，以及為了使用這些參與到“評價知識論斷、進行實證調查研究和形成解釋”的活動中。這些“實踐”包括在科學領域從事構建知識的工作，以及理解當我們從事這些工作時為什么要構建、測試、評價和完善知識。這涉及到讓學生參與并反思實踐，以形成對科學共同體是如何構建知識的認識。這在詳細闡述了學生應該能夠解釋他們如何和為什么參與論證的附加目標中得以明確：

·認識到科學論證的主要特征是論斷、數據和原因，以及在實例中辨別這些要素。

·解釋一個特定科學概念的發展過程中所存在的爭論的性質，描述概念發展初期的辯論，并指出為什么某一特定理論能在爭論過程中勝出。

·說明當今科學界是如何對知識的論斷進行判斷的，并能清晰指出同行評議的優點與局限性，以及關鍵調查研究需要獨立重復進行的必要性。

要形成對科學知識構建的這些理解需要接受這些與實踐有關的目標。如果我們希望學生了解科學界是通過構建解釋和論證而形成知識的話，那么他們必須親自應用這些實踐去處理他們發現的問題。另外，學生的參與必須是有意義的，這樣學生可以通過爭論去解決他們解釋中不一致的部分，而不是因為他們的老師要求他們這樣做（Berland和Reiser，2009）。

我們通過4個課堂教學實例具體說明“有意義地參與到解釋和論證中”這一觀點。

案例1——對預測的論證加強解釋

在第1個案例中（Hammer和van Zee，2006），我們看到學生被鼓勵去捍衛他們的預測，建構關于為什么不同形狀的物體以不同速率落向地面（核心概念PS2.A和PS2.B）的因果解釋。在調查活動的第一天，一年級學生和他們的教師努力去解釋當他們從高處丟下一張紙和一本書時發生了什么。他們得出結論：書首先落地是因為它有“更多的力量（strength）”（學生們對于重量的描述）。這次討論同時引出了與重力和空氣阻力相關的概念。第二天，全班同學預測如果在高處丟下一本書和一張揉皺的紙后會發生什么。Brianna預測道：“它們將會同時落地，因為它們都有相同的力量。”這種想法與其他學生關于揉皺的紙比最初的紙“更重”的意見一致。當教師提出重量如何改變的問題時，Rachel補充了Brianna的觀點，“這張紙……原來，嗯，確實很輕，但現在它可能已經與這本書有一樣火的力量，因為整張紙，嗯，都被揉得團在一起了。”

停頓了一會兒，Brianna說道：“如果把它捏成球形，它也不會重，紙的大小是相同的。”Brianna對自己的解釋進行了質疑，這促使全班同學重新考慮他們對紙被揉皺后重量增加的假設。很多學生說他們同意揉皺后的紙將不會改變它的重量。Diamond接著說：

“第一次，紙像這樣（平的），然后它被揉成了一個球。”換句話說，紙張改變了形狀。Diamond補充說被揉皺的紙張沒有像展平的紙那樣飄落到地面。正如Brianna所說的那樣：“它只是下落，就像那本書一樣。”雖然在討論中還有梳理分析形狀和重量等重要的事情要做，但這個案例已展示了如何通過解釋事件發生的原因啟發學生調查和質疑他們對于紙張和紙張形狀與它掉落地面快慢關系的初始假設。

案例2——協調相互矛盾的解釋

在第2個案例中，學生們就像案例1一樣形成解釋來捍衛他們的預測，但同時還將協調他們之間的分歧，幫助他們形成更加科學、準確的理解。在這個案例中，一個由5年級和6年級學生組成的混合班級研究地球構造板塊是如何移動和相互作用的（核心概念ESS2.B，6—8）。在這個研究之前，學生討論地幔對流運動，并構建特定板塊邊界的模型：三分之一的學生模擬會聚邊界，三分之一學生關注于離散邊界，另外三分之一學生研究轉換邊界。在第3天，學生們根據這3種構造板塊邊界類型形成小組，探索一個出現的問題：隨著所有板塊的運用，地球是保持著相同的大小，還是變大或者變小了？

在一個有4個學生的小組中，兩個學生認為地球會保持相同大小，另外2位則認為它會變大。Pint爭辯說恐龍化石“證明”了地球不斷變大，因為它們是地層不斷變厚的證據。

Pint：你得不斷地挖（才能找到恐龍骨骼化石）。這樣就意味著地球已經在逐漸變大，因為你必須挖掘得很深才能找到骨骼化石……（1）

Olive：是的，我們看了電影《侏羅紀公園》，我想是這樣的。

（2）

額外插入的關于恐龍化石的討論和教師的中斷干預

Fern：我理解你是怎么看待恐龍骨骼化石的。但那些覆蓋恐龍骨骼化石的是會聚地殼層。不過，不是所有的會聚地殼層都會形成山巒。一些板塊就是相遇[做手勢，地殼板塊相遇且保持平坦]。因此恐龍骨骼化石在一個板塊中，然后板塊移動，與另一板塊相遇會聚并重疊。

（18）

插入會聚邊界是否總能形成山巒的討論

Fern：因此，比如說一些泥土移動到這里，但還有些并沒有移動到那兒。那里可能還留有一些泥土。所以它仍然是平衡的，因為移動到這里的泥土來自那里。所以這個世界是相同的，它并沒有增長，因為巖漿可以流進來，但它們也會分流出去或者崩潰。

（24）

學生們選擇了自己的代用名

這段對話展示出當學生們有目的地參與實踐時，論證和解釋之間的關系。這種情況發生在學生們積極地聆聽并回應他人發言的時候。例如，在第2行Olive把她自己的經歷和Pint的觀點結合起來。Fern，在第18行，同樣地提到了她的隊友關于他們所形成的解釋的想法：“我理解你是怎么看待恐龍骨骼化石的……”（第18行）。然后Fern形象化地用語言對Pint的理解進行重新表述——恐龍骨骼化石證明地殼板塊是層疊的——把談話引入她自己的理解上（更加科學和準確），地球“仍然是相同的”（相同大小）。Fern陳述到：“比如說一些泥土移動到這兒，但還有些泥土沒有移動到那里……所以它仍是平衡的，因為移動到這里的泥土來自那里。”（第24行）。

學生談話的自發性——他們不是看著一張工作單或是明顯地在考慮老師的期望——表明這些互動是有意義的。學生們積極參與到解決問題的過程中——在建構一種關于板塊運動是否以及如何影響地球的形狀和大小的解釋。不那么有意義的活動是容易想象的——給學生提供一張要求尋找證據的工作單：“這就是說我們需要尋找證據支持我們的觀點。”或者，學生可以獨自努力回答問題，而沒有多少交流，或者要求老師告訴他們問題的答案。然而在這里，學生正參與到看起來有目的的知識建構的互動中。

這種互動同時提供了解釋和論證這兩種實踐的證據。學生努力去建構一種地殼板塊運動如何影響地球大小和形狀的解釋。例如，在第24行，Fern提供了一種關于地殼板塊如何能在不改變地球整體大小的情況下運動的解釋。學生們一起推斷這是如何發生的，并對Pint關于恐龍骨骼化石“被埋”的觀察結果進行了解釋。當他們參與到《框架》的前兩個論證性目標的初期形式時——證明他們自己的想法（第1和第24行）和挑戰不同的觀點（如Fern挑戰Pint的觀點），討論的辯論性質就顯而易見了。

案例3——從多種解釋中建立共識

在第3個案例中，5年級學生利用他們的想法去辯護、理解和達成共識。學生研究凝結（Kenyon，Schwarz和Hug，2008）并利用關于狀態變化的圖解模型去描繪水是如何出現在一個冷的易拉罐上的。這個單元的教學目標是建立粒子模型的最初形式（核心概念PS1.A 3—5），其中氣體狀態下水以粒子形式存在，這能夠解釋凝結過程中水從哪里來和蒸發過程中又到哪里去。在這個討論的前一天，學生們分組評價彼此的模型。這里他們已經基于小組各成員的模型達成共識，形成了一個小組一致的凝結現象模型（在這堂課中，教師擴展了PS1.A 3—5的學習目標，同時引入了動能的概念，核心概念PS3.A 6—8，作為解釋的一部分）。

Amy：大家等等！我們為什么認為會出現凝結現象？誰能說說嗎？（1）

Amy：是的，但是為什么你認為它會在那兒？因為空氣中有水嗎？

（2）

Jenny：因為，是因為溫度……（3）

Amy：寒冷（coldness）正在帶走空氣中的動能……（4）

Ivan：寒冷不是一個實物詞！

（5）

Amy：好吧，所有人都同意動能被從空氣中帶走，并使它凝結成了一種液體嗎？

Ivan：當然！

Amy：我們記下：當氣體失去動能（KE），它將變成液體；當液體失去動能，它將變成固體。或者我們可以這樣記錄：氣體減去動能等于液體。液體減去動能等于……（8）

Ivan：那么我們接下來要干什么？

（9）

Amy：解釋！（10）

Mary：凝結總是發生在比空氣冷的表面。

（11）

Jenny：好的！

（12）

Ivan：當水蒸氣失去動能（KE）并變成液體時，凝結發生。

（13）

Amy/Jenny：這正是我們所說的！

（14）

Ivan：我知道！

（15）

Matthew：我們不能說凝結總是在發生！

（16）

Lori：……總是發生在冷的表面！

（17）

Matthew：如果你在一個沒有任何濕氣的地方，將會發生什么？

（18）

Jenny：史密斯先生說過把溫暖的罐子放在一個加濕器前，什么也不會發生。

（19）

Matthew：好的。

（20）

這場試圖填補空缺的談話，涉及了一些重要的闡明完整解釋的重述技能。“空氣中的水分”“溫度”和稍后的“動能”的出現是這個機制中的重要步驟。3次對于他們已經想出的內容進行明確闡述的嘗試（第8、11、13行）導致了Ivan的總結，提到了水蒸氣失去動能，和變成液體。Matthew提出最后一個關注向題（第16、18行），澄清凝結發生的條件。作為回應，Lori（第17行，表面必須比空氣冷）和Jenny（第19行，空氣中必須有足夠的水分）添加了重要的附加條件。因此，Matthew提出的問題也通過修正Ivan提出的解釋而產生一個新的綜合體而得到解決，這些都反映在小組表述清晰的模型中（見圖1）。

案例4——評論導致清晰的解釋

最后一個案例展示了評論是如何促使學生完善和澄清他們的解釋的。在這個案例中，一組8年級學生進行了一項種群變化的調查（核心概念 LS4.B）。學生們分享他們對加拉帕戈斯地雀種群數量隨時間而變化的原因的分析。學生們發現在某一次干旱期，大多數鳥類死亡，他們試圖解釋為什么一些鳥死亡而其他鳥卻能幸存的原因。

（Tabak和Reiser 2008）

N先生：因此，我已經知道Ina思考的方向了。有誰能換一種說法？你們說的“種群適應”是什么意思？Ina，現在輪到你了，你可以請別人發言，當然你也可以繼續闡述你的觀點（1）

[Ina請Joe發言]（2）

Joe：嗯，就像是喙的長度這樣。為什么那么多鳥類有著更大的喙，是因為，擁有更大的喙的鳥生存了下來，它們交配，有了自己的后代，這些后代有著一樣的特征——更大的喙。這就是為什么它們大多數的后代和成鳥有著更大的喙而不是中等或者小的喙，因為這個特征幫助它們在干旱時期生存了下來。[Joe請Jeff發言]（3）

Jeff：種群適應的原因是為了生存。如果它們不適應，那么將會死亡，它們的種群也將會消失，所以……是吧？Kelly！

（4）

Kelly：嗯，我想正是因為短喙的鳥類的死亡，有著長喙的鳥類才能夠繁殖后代，它們的后代也擁有較長的喙，因此它們生存下來，這個特征才得以長久地延續。Ina，你認為呢？

（5）

Ina：嗯，我不這么認為。因為我們的這張圖顯示從1975年的濕季到1978年的旱季，過渡得非常迅速。期間不只是那些短喙的鳥死亡。在1978年，即使是最長喙的鳥也與種群中中等長度喙的鳥類數量基本持平，是這樣的吧？N先生！

（6）

N先生？那么你是說并不總是短喙的鳥全都會死亡了？

（7）

Ina：是的。

（8）

N先生：好吧。這對飛蛾也適用嗎？是不是白樺尺蛾全都死了嗎？[學生在之前已經解釋過為什么一些變種的白樺尺蛾生存下來渡過了19世紀后期的污染。]

大多數學生：不。（9）

N先生：只是，即使是飛蛾，它就像是幾率發生了一些變化，對嗎？

（10）

大多數學生：是的。

（11）

教師：好的，我想我明白了你們正在爭論的內容了。

（12）

這一段情節分享了之前片段的一些重要方面。與案例2一樣，有提出的解釋性描述和產生的評論。一個解決方案被提了出來（在這個案例中，由教師引入了一個先前解釋的特性）。這使得進行評論時，保證了所提出解釋的核心內容（提出，一種性狀的優勢更像是“幾率變化”，而不是“每一個”缺失這種性狀的鳥類或飛蛾總是會死亡）。盡管這個先前解釋的引用并沒使得學生們清晰表達出能解決這一評論的共識，但全班都同意教9幣所提出的關于Ina所關注的情況（第6行）的改變方案，同時也設法保留了Joe（第3行）和Kelly（第5行）所提出的因果鏈的核心部分。在這個簡短的實錄中，學生們形成了一個反映自然選擇中一些最為重要的步驟的邏輯鏈：一種先前存在的性狀變異（喙的長度）一改變的環境條件（干旱）一生存差異（短喙的鳥類死亡）一性狀的遺傳（傳遞了許多）。（描述中缺失的是對為什么長喙的鳥類更容易生存下來的解釋）總結

通過這4個案例，我們可以看到學生對他們的解釋進行爭論的過程，能夠加強那些解釋，并幫助構建出一致同意的解釋。我們在案例1和3中看到了這個現象，其中支持、辯護和共識的建立，使得解釋更加詳盡和精確；在案例2和4中，這個論證使得解釋能夠更好地處理可能的矛盾。通過這種方式，解釋在《框架》所列出的幾個維度都得到了提高，完善因果關系的描述（填補空缺），以及清晰表達和提高它們與證據的符合度。

另外，在每個案例中，學生參與到有意義的科學實踐方式中——他們努力去理解科學現象，而不是去復制書本或者其他權威所傳播的知識。這些案例都說明了學生參與到了科學實踐當中，而不是科學過程或技能當中。總之，這些案例都說明“論證”這項科學實踐在把解釋帶入K—12年級科學課堂中所起作用的重要性。

這些案例及其相關研究表明課堂環境可能會支持對這種科學實踐的積極參與。作為教育工作者，我們必須創設情境，使學生能夠展示出“解釋”和“論證”這兩類實踐是他們在建構知識的活動中能夠合理使用的方式（Berland和Hammer，2012）。這需要關注想法產生的原因，而不是僅僅關注一個特定概念的準確性（Sutherland等，2006）。需要創造出一種寬松的氛圍，使學生在形成更為完整的解釋的過程中不怕犯錯。還需要向學生提出豐富的、具有多種合理答案的問題，這樣學生才能夠進行討論和協調各種答案，最終形成一致的解釋。