科學論證視野下的科學教育教學設計模型建構

任寧生+鄧小麗

摘要：科學論證近年來在國際上受到了廣泛的重視。從論證與科學論證的定義和要素出發，分析科學論證與科學知識增長的關系，并據此設計科學論證取向的教學設計模型，以期幫助一線教師設計教學提高學生的論證能力進而提高學生對科學本質的理解。

關鍵詞：科學論證；科學本質；模型建構；科學教育

文章編號：1005–6629（2016）4–0014–05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

縱觀科學發展的歷史，科學是通過科學家個人或科學共同體內的論證過程實現的，這也是科學革命的基本特征[1]。如果能夠將科學論證貫徹在教學中，可以幫助學生理解科學的本質，國外的課程改革都已經關注到了這點，例如美國在下一代科學標準[Next Generation Science Standards（NGSS Lead States 2013）]里也已經將論證練習作為培養科學家活動的中心環節。在英國國家科學課程（National Science Curriculum）已經明確提出了學生需要知道更深層次的科學知識的意義：科學觀點是怎么提出的，修改的，評價的，這些都是通過論證環節得出的。所以，論證取向的教學應該會得到越來越多的重視。在此背景下，本文意圖建構教學設計模型，幫助一線教師在此模型基礎上完成科學論證取向的科學學科教學設計。在建構模型之前，首先需要搞清楚科學論證。

1 從論證到科學論證

傳統邏輯將論證（argumentation）理解為一種“前提-結論”式的命題序列，認為其為一種語句、命題或陳述的集合或序列（a set/consequence/ group of sentences/propositions/statements），并展現為一種前提（premise）和結論（conclusion）的結構[2]，前提被看做是為結論的真提供了支持或理由[3]。這表明論證是有一個嚴格的結構的，在這個結構中，最少存在前提和結論兩個關鍵要素。在這個要素中，前提作為結論的理由，需要有事實作為依據才具有可信度，所以，論證的要素又可分為事實、理由及結論。

從詞源學的角度分析，在《現代漢語詞典》中，“論”的解釋是分析和說明事理[4]。由此可見，“論”主要強調對事物的分析，從而說明事理。“證”的解釋是用人物、事實來證明[5]。從這個定義可以看出“證”首先需要有事實，其次根據事實進行證明。將兩個字整合后，論證首先是一個分析判定的過程，這個過程還需要有事實作為分析的基礎，其次，分析判定還需要有目的，即為證明道理。連接事實和事理的則為整個論證中至關重要的證明過程，論證總包含“按道理”的方面——擺事實講道理，即使拿出了事實，還需要證明過程才可以構成完整的論證[6]。所以，論證過程需有三個關鍵要素，分別為事實和事理，以及連接事實和事理的證明過程。

綜上所述，無論從西方的邏輯學出發，還是從論證的詞源學角度出發，分析得出論證都是由事實、事理（或結論）以及連接事實與事理（或結論）的理由三個要素組成。首先，事實指的是事情的真實情況，其中，“真實”意味著是客觀世界中完全沒有經過加工的事實，這些事實仍然有很多，并不是所有的事實都能用來解釋事理（或結論），能夠用來支持觀點的那部分事實或數據（即證據）才能用作論證的基礎。其次，事理作為論證的目的，指的是事物的道理，是在論證中經過推理后的結果，也是論證的目的。表示結果和目的的詞語不止“事理”一個，所以可以使用類似的詞來代替“事理”，其表達的意義是一樣的。

韋氏詞典（merriam-webster）中認為論證（argumentation）是建立理由和得出結論的過程[7]。根據此定義可知論證是一個過程，而這個過程包括了兩個部分，第一個部分是建立理由的過程（the process of forming reasons）；第二部分是得出結論（the process of drawing conclusions）的過程。在第一部分中，建立理由的過程實際上也需要使用事實作為基礎，只有尋找到能夠用于解釋的事實才能建立起理由。第二部分得出結論的過程，這個過程需要用一個陳述句表達之前推理的目的（或結果）。該定義與上述對論證的分析是不謀而合的。

除了詞典的定義之外，學者從不同角度對論證的定義也都包含著三個關鍵要素，而且大多也是使用了證據、觀點和推理作為要素的描述。例如比爾格（Billig）認為“論證”同時具有個人性和社會性的意義。個人性的意義是指經過嚴密思考的合乎邏輯的論述，即研究者經過權衡、評估、選擇各種不同理由之后而推論出自己的觀點，再利用實證的證據或是其他來源的資源來支持自己的論點。社會性意義是指在對某一問題持相反觀點的人之間的爭辯與討論，也就是說服別人的過程[8]。希斯蒙都（S. Sismondo）認為論證含有論爭的成分，是在證據的基礎上，說服同行或者其他人的一種活動。上述對論證的定義中都強調了依據證據通過推理證明觀點的過程[9]。

論證分為很多類別，例如法律論證、數學論證、科學論證、政策論證等[10]，科學論證作為論證的一個類別，應該具有上述的三個要素。同時，科學論證發生在科學的進程中，因而，必定體現科學的性質。科學論證首先仍然是一個分析的過程，而這個過程分為兩步，第一步是尋找證據的過程，這一步實際上就是尋找分析推理的基礎，在科學中，能用于推理的事實（即證據）可以作為論證的基礎；第二步是使用證據分析推理得到觀點的過程，這一步實際上是實現論證的目的，在科學中，論證的目的是為了驗證科學家的觀點（或者理論、假說或者想法）。所以筆者根據上述分析，認為科學論證是試圖在證據的基礎上，為了說服自己或同伴，使用推理證明一些模棱兩可的不確定結論的過程。其中的關鍵要素可以總結為：證據、觀點和推理。

2 科學論證與科學知識增長

根據上述對科學論證的分析，科學論證中的觀點不是確定的最終的真理，而是可以推翻的。正是這種結論的不確定性，說明結論可能是正確的，也可能是不正確的。所以推理過程并不僅僅只有證明結論這一種過程，還有反駁結論的過程。這個反駁的過程在科學知識的增長中是非常重要的，科學發展的整個過程都存在論證過程，其中反駁結論的過程則促進了科學知識的增長。endprint

在科學發展中，任何科學觀點的轉變都不是一蹴而就的，隨著科學技術和科學方法的進步，客觀世界的證據不斷被豐富，原先的觀點漸漸不能解釋新的證據，這時反常就出現了，當這種反常積壓到一定程度時，原先觀點所引導的范式就會崩潰，科學家會根據證據歸納或推理出新的觀點，從而引發范式轉變[11]，使用這個新的觀點指導新的研究范式。但是在沒有達到轉變的臨界值前，發現的新證據多是用于反駁原先觀點，即證據用于證偽。而當反常證據積累到一定程度后，科學家認識到原先觀點已經不能解釋證據時，則在新的證據基礎上，提出新的觀點以適應新的證據，即證據用于證明。所以整個科學知識的增長其實是在范式轉變中不停地發展的，而這個范式轉變是在不斷的論證過程中引發的。綜上所述，筆者將科學知識的增長過程用圖1表示。

在科學上，當一種解說自然界如何運作的觀點（或者理論、假說、想法）提出后，為了證明這種觀點（或者理論、假說、想法）是否合理，科學家們必須尋找證據來支持這種觀點（或者理論、假說、想法）。當證據支持這種想法時，被稱為正推論；當證據不支持這種想法時，被稱為駁論。在圖1中，每一個三角形表示關于一個觀點的正推論過程。隨著科學技術的發展，科學家對自然世界的認識越來越深刻，證偽該觀點的新證據也不斷出現，于是科學家們將否定原先的觀點，而建立新的能夠更好解說自然運作的新觀點，如此，新技術不斷更新，新證據不斷出現，舊觀點不斷被推翻，新觀點不斷出現。這就是科學的歷史進程，也是科學知識積累的過程。

3 科學論證取向的教學設計模型構建

“科學知識增長過程簡圖”，即圖1能夠很好地反映出科學知識的增長過程。它所呈現的兩個部分，即三角形內的論證過程和整個科學發展過程中的論證循環過程能夠幫助學生很好地理解科學本質。據此，筆者將該圖作為構建科學論證取向的教學設計模型的基礎。

首先，在三角形內的論證過程中，教學主要圍繞三個要素展開，即證據，推理和觀點。在這三個要素中，觀點的形成主要有兩種方式，一種是根據客觀經驗歸納出來的猜想，一種是在整體把握了證據的基礎上，對證據加以分析推理才能形成，這都需要學生具有較強的邏輯思維能力。在教學開始之前，學生的邏輯分析能力還較難形成觀點，所以在教學中可以直接呈現出觀點，主要培養學生的證據意識和推理能力。為了證明觀點的正確性，需要證據和推理。在證據方面，由于一方面，學生沒有充分的時間尋找與教學內容相關的證據，另一方面，學生尋找的相關數據不一定能夠很好地切合教學需要，所以較為妥當的方法就是將眾多可能用到的證據給學生，讓學生從中尋找即可。在推理方面，學生可運用自己的理解，構建證據與觀點之間的聯系。整個論證過程可概括為支持觀點的推理建立在證據的基礎之上[12]。

其次，從整個科學發展的角度看，教學過程應該從推理入手，將每一個小的論證過程串聯成整體的循環過程。論證中的推理過程可分為兩類，一類是證明過程，一類是反駁過程。證明即是在證據的基礎上證明（或提出）新觀點的過程，而反駁過程即是根據新證據對原先觀點的反駁，科學知識正是在這種反駁與證明中不斷發展的。

據此，可以將該教學流程設計成下圖所示的模型。

根據上述模型，科學論證取向的教學過程主要分為四個部分。第一為尋找相關證據。即要求學生從科學史的小故事中提煉出與各自觀點有關系的證據，成為有效證據。在上課之前，可以給學生提供與教學內容相關的科學小故事，例如質量守恒定律教學中，呈現俄國化學家羅蒙諾索夫以及之后拉瓦錫燃燒錫金屬并稱重的小故事，讓學生事先閱讀小故事，對教學觀點有個初步的認識的同時，讓學生在故事中尋找出與之相關的證據。

第二部分為使用推理，解釋證據，即使用上一步提煉出的有效證據來解釋觀點，自己構建證據與觀點之間的聯系。在教學中，可以將學生根據教學中可能出現的不同觀點進行分組。例如原子結構的教學，可以根據其發展過程中出現的主要觀點進行分組，分為道爾頓的實心球模型，葡萄干面包模型及盧瑟福的行星模型。在分組的情況下，學生可以小組討論，將上一步從故事中提取出的證據與教學中的觀點構建起聯系，用證據解釋觀點。在上一部分中，學生只是對證據和觀點有一個初步的認識，而這一步需要學生在理解的基礎上對證據加以解釋，學生對教學知識的理解會更進一步。

第三部分為辨認出哪些是用來正推理，以支持觀點，哪些被用來做駁論，來反駁觀點。即將上一步的推理過程分為證明各自觀點及反駁之前觀點兩個類型。在教學中，教師可以讓學生在原先的解釋話語基礎上，將推理的過程分為證明過程和反駁過程。例如在燃燒與滅火教學中，可以根據拉瓦錫做的氧化汞的實驗，通過定量測定反應前后容器質量變化，發現反應前后質量沒有發生變化的事實，分析得到實驗中金屬汞是與氧氣化合得到了“煅灰”（即氧化汞），即金屬+氧=煅灰（氧化物），但是原先燃素說認為的是：金屬加熱變紅，產生明亮的火焰，這是因為燃素跑掉了，剩下的殘渣叫做煅灰，即金屬-燃素=煅灰。這就推翻了燃素說。之后拉瓦錫又做了磷燃燒、硫燃燒等實驗，發現反應前后的質量沒有太大變化，根據這些實驗結果歸納分析，提出了他自己的燃燒學說[13]。這個過程中推翻燃素說即為反駁過程，而提出自己的燃燒學說的那些推理過程即為證明過程。這一步的目的就是讓學生將上一步的推理過程分為正推理和反駁過程，讓學生能夠有意識地認識到證據的不同推理過程。

第四部分把握整體論證，理解科學發展，即將科學觀點的發展聯系起來，而這個聯系就是通過上一步的區分正推理和駁論中用于反駁觀點的推理來實現的。在教學中，為了進一步讓學生理解科學觀點的發展過程，可以讓學生在上述證據和推理的基礎上，對觀點進行整合。例如某科學家通過×××證據證明了（提出了）×××觀點，其他科學家通過×××證據反駁了這個觀點，又根據新的證據經過推理提出了（證明了）×××新的觀點。endprint

4 科學論證取向的教學設計意義與啟示

依據上述模型設計的教學，可以幫助學生提高論證能力，并進而理解科學本質，細化來看，可以培養學生的科學思維，理解科學發展的過程，使學生在科學活動的實踐中感知科學文化。

4.1 教學設計模型可以培養學生的科學思維

學者對科學思維的界定有所區別，庫恩（Kuhn）認為科學思維是理論和證據的協調，其中包括清晰闡明一種理論的能力、理解用來支持或者反駁觀點的證據的能力，以及在不同證據中選擇合適證據解釋觀點的能力。認為這些技能集合是“定義科學思維的最中心、最本質與最普遍的技能”[14]。上述的概念界定，也強調了科學思維是基于大量客觀證據，加上科學家的合理推論得到觀點的過程，而這個過程正是與論證的概念不謀而合的。

為了培養學生上述的科學思維，胡衛平認為科學思維主要遵循著提出問題、搜尋事實、捕獲信息、立論解釋的程序[15]。庫恩（Kuhn）認為科學思維有兩個階段，分別是研究和推論階段。在研究階段，科學共同體或個人設計實驗收集數據，用以支持某個立論；在推論階段，科學共同體或個人將得到的數據或實驗結果解釋為支持或拒絕立論的證據，并在必要時，提出新的觀點[16]。綜合上述對科學思維的步驟描述，筆者發現，學者認為的科學思維的過程都是與論證的關鍵要素緊密相連的。例如在胡衛平老師的步驟中，提出問題即為論證要素中的觀點，搜尋事實，捕獲信息則強調了要素中的證據意識，而最后的理論解釋則為論證中的推理能力。而在庫恩的解釋中，研究階段則為收集證據的階段，而推論階段實際上則是推理的階段，推理得到的觀點則與論證中的觀點這個要素類似。

綜上所述，本文基于論證三要素及科學發展歷程的教學設計模型與上述培養科學思維強調的步驟是不謀而合的，所以可以培養學生的科學思維能力。

4.2 教學設計模型可以促進學生對科學知識發展的理解

科學本質中非常重要的一個部分就是對科學知識的理解。科學知識本身可以從7個方面進行理解：（1）科學知識并不是一成不變的，而是試探性的知識，可以根據新證據進行修改；（2）科學知識是經驗基礎的，這說明任何科學發現都是來自于或部分來自于科學家對自然界的觀察；（3）科學知識是主觀的，科學知識是有理論依據的，需要個人或者科學家團隊對現象的解釋；（4）科學知識需要科學家的介入，即需要科學家對于現象的解釋；（5）科學知識必須是在一定文化背景下的社會性的知識，絕不是孤立的知識，科學的發展是受到社會文化的影響的；（6）科學知識必須區分現象和推論的關系；（7）必須區分和理解科學理論和科學定律的關系[17]。

這7個方面其實也體現在了上述模型中，隨著時間推移和科學的發展，科學知識都是以經驗或證據為基礎的，但是科學家要經過推理，從而不斷反駁原先的科學知識，進而支持新的科學知識，這也正體現了科學知識的不確定性，并不是一成不變的，而整個論證過程都需要在科學共同體內通過論證完成，體現了其社會性。這些都體現了上述對科學知識的認識，所以筆者認為，科學論證取向的教學設計可以促進學生對科學本質的理解。

4.3 教學設計模型幫助學生在科學活動實踐中感知科學文化的行為準則、思維方式、科學方法

科學文化是一個很抽象的概念，其內涵眾說紛紜。其中李醒民教授從詞義分析出發，認為科學文化是科學人（man of science）在科學活動中的生活形式和生活態度。科學文化以科學為載體，蘊含著科學的稟賦和稟性，體現了科學以及科學共同體的精神氣質，是科學的文化標格和標志[18]。從這個概念上分析，不難發現其實科學文化就是科學共同體在科學活動中的生活狀態[19]。在這種狀態下，集中體現了行為準則、思維方式、科學方法等。

科學論證的教學可以幫助學生在科學活動的實踐中感知科學家的這些文化。在論證中，學生之間需要形成科學共同體，在教師的指導下，對客觀證據加以討論，抉擇出最適合的證據支持自己的觀點。這個過程恰好也是科學家在科學活動中的探究過程，所以如果教師加以引導，學生不僅可以在自主探究的過程中學習到論證過程中包含的科學知識，而且可以在閱讀最初故事文本中體驗科學家的行為及行為準則（例如科學共同體內通過論證形成的判斷和評價觀點的準則，如對證據的客觀性原則[20]）、思維方式[21]（例如基于大量證據基礎運用推理解釋和證明觀點的思維模式及批判性思維）與科學方法（例如使用不同的推理方式解釋觀點）等。

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