高中物理科學論證能力的內涵及其認知表現層次

鄭 穎 梁 平 張軍朋

(華南師范大學物理與電信工程學院,廣東 廣州 510006)

自20世紀90年代以來,科學論證得到了國際科學教育研究者的廣泛關注,使得“作為論證的科學”(science as argument)成為詮釋科學思維的一種重要觀念.[1][2]正在修訂的高中物理課程標準將科學論證納入了學科體系,使之成為物理核心素養中科學思維的一個重要構成要素;標準認為科學論證是物理課程中的重要內容和學習方式,也是物理教學中的重要教學目標,要求學生具備科學論證的意識和能力.美國國家研究委員會于2013年發布的《新一代科學教育標準》(Next Generation Science Standards,NGSS)也明確將“基于證據的論證”列為K-12科學教育中的8種實踐之一.通過課標比較可以看出,絕大多數國家的課程標準都對學生的科學論證能力提出了要求,[3]因而對學生科學論證能力發展狀態的精準評價與診斷就顯得尤為重要,其認知表現層次的劃分也就成為其重要的研究路徑.基于此,本研究提出了研究的核心目標,即基于物理學科背景,深化對高中物理教育中科學論證的認識,并依托相關理論研究,對物理科學論證能力的認知表現進行劃分.

1 物理科學論證能力的概念界定

1.1 “能力”概念辨析和本研究中的界定

能力的概念較復雜,本身可能包含多種意思,需要明確區分對能力的各種理解.一般認為,能力是一種心理特征,是順利實現某種活動的心理條件.彭聃齡指出,能力不僅包含一個人現在已經達到的成就水平,而且包含了一個人具有的潛力.[4]張春興區分了和能力相關的幾個概念.能力包含兩種意義,“所能為者”和“可能為者”.“所能為者”指的是到目前為止個人在實際作業上所表現出來的能力.張春興指出:“此種由實際行為表現出來的具體能力”,系屬學習或訓練之后學習或訓練效果之顯現,在心理學中稱之為‘成就’.”“可能為者”指的是個人尚未接受某種訓練之前,在相關行為上所展現的一種潛能.這種潛能在心理學上被稱為“性向”.性向又分為普通性向和特殊性向兩類.普通性向指一般性潛在能力;特殊性向指在某些特殊方面的潛在能力,例如音樂、繪畫等.普通性向也被稱為普通能力或一般能力,一般能力也就是一般所指的智力.[5]本研究“物理科學論證能力”中的“能力”屬于“成就”的范疇,即“所能為者”.

1.2 科學論證的內涵和結構要素

關于論證的定義,國外具有代表性的是Toulmin關于論證的界定,他認為論證是一種社會性的、追求合作認知的認識論活動,在論證過程中參與者利用證據和理論來支持解釋與論點,并借助相互審視、批判和反思的過程來促進同伴的理解.而且,他基于法律論證的典型范例,認為符合規則的論證應該包括6類具有不同功能的結構要素,即主張(claim)、資料(data)、正當理由(warrant)、支援(backing)、限定(qualifiers)、反證(rebuttal),且這些結構要素之間應滿足一定的關系.[6]而科學論證指的是圍繞自然科學內容而開展的論證,目前國外廣泛采用的是由R A Duschl,J Osborne(2002),[7]D B Clark,V Sampson(2008),[8]McNeill(2011)[9]等人定義的科學論證的定義,即科學論證是面向未確定的科學問題,通過社會性協作過程,為各自的觀點提供支持,并批駁相異的觀點,以解決問題并獲取知識的活動.國內對科學論證的界定的主要代表有:鄧陽、王后雄(2016)認為科學論證是個(團)體在面對未知問題時,基于證據和理由建構主張,利用反駁、勸說等形式向他人辯護自己的主張的合理性實踐.[10]韓葵葵、胡衛平(2008)認為科學論證(scientific argumentation)是指學生以科學知識為中介,根據收集到的數據資料提出主張和進行推理(argument),反思自己和別人論點的不足以提出反論點(counter argument),同時反駁他人的質疑和批判為自己辯護(rebuttal)的綜合思維.[11]綜上所述,科學論證目前雖然有多種定義,但對其內涵的認識已基本達成一致.科學論證包括觀點、與觀點相關的證據以及聯系觀點和證據的推理.科學論證的結構要素如圖1所示.

圖1 科學論證的結構要素

可以看出,科學論證是基于推理進行論證,其具有外顯的結構模式,因此,在對科學論證能力的認知表現層次進行劃分時必須考慮學生所呈現論證結構要素的完整.而對學生物理科學論證能力的認知表現層次則需結合具體的物理知識和物理問題情境,可以基于對學生解決物理問題時的外在表現的描述和分析,進而對學生的物理科學論證能力做出合理推斷.基于此,在本研究中觀點是指基于對物理問題情境的描述與分析而做出的判斷;證據是指支持觀點的物理知識,包括物理模型與規律等;推理過程是指聯系觀點和證據的因果關系鏈,包括演繹推理和歸納推理等;反駁是指運用物理知識對相異觀點進行質疑和批判,其過程也是推理的形式.

1.3 物理科學論證能力及其心理構造圖

本研究依托上述理論,提出物理科學論證能力的定義.物理科學論證能力是指學生能基于對物理問題情境的描述和分析,依據現有證據,進行合理推理,支持正確觀點或反駁相異觀點所必須的、穩定的心理特征.

由于所要劃分的認知表現層次旨在描述學生物理科學論證能力的發展水平,所以學生的認知活動必須僅由物理科學論證能力的心理構造所主導,并且最后劃分的層級結構應與物理科學論證能力的心理構造的層級結構相一致.于是,為了能夠相對準確地劃分物理科學論證能力的認知表現層次,首先需要確定學生物理科學論證能力的心理構造.

本研究在界定物理科學論證能力的基礎上,同時參考課程標準文件,構建了物理科學論證能力的心理構造圖(心理構造圖是對所確定的單維心理構造不同層級水平的描述),如圖2所示.

圖2 物理科學論證能力的心理構造圖

圖2是根據物理科學論證能力在不同層級上的典型特征對心理構造進行刻畫,總共有5個層級,最低層級反映學生能區別觀點和證據,最高層級則對應學生能考慮證據的可靠性,合理使用證據,中間則由3個過渡層次順次相連,依次是學生能使用簡單和直接的證據表達自己的觀點、學生能恰當使用證據表達自己的觀點及學生能恰當使用證據證明物理結論.

2 物理科學論證能力的認知表現層次

物理科學論證能力作為一種內隱的心理特質,需要通過外顯的行為來進行診斷和評估,即可以基于對學生解決物理問題時的外在表現的描述和分析,進而對學生的科學論證能力水平作出合理推斷.因此,為了能夠更加系統和明確地對物理科學論證能力的層級進行描述,本研究通過物理科學論證能力的心理構造與SOLO分類理論相結合的方式來具體劃分物理科學論證能力的認知表現層次.

2.1 SOLO分類理論簡介

SOLO分類理論起源于皮亞杰的發展階段理論,其英文全稱是Structure of the Observed Learning Outcome,可譯為“可觀察的學習成果結構”.SOLO分類理論在繼承皮亞杰的學說的基礎上,解決了認知發展階段理論所遇到的兩個矛盾: (1) “異變”現象的普遍存在,階段概念的可行性受到質疑,用發展階段理論難以解釋上述現象; (2) 皮亞杰理論難以應用到具體的學科教學中去.[12]SOLO分類理論的創始人彼格斯(Biggs)認為,一個人的總體認知結構是一個純理論性的概念,是不可檢測的,他稱之為假設的認知結構(hypothetical cognitive structure,HCS);而一個人回答某個問題時所表現出來的思維結構卻是可以檢測的,他稱之為“可觀察的學習成果結構”(structure of the observed learning outcome,SOLO).[13]

SOLO分類理論有幾個基本假設.第一,彼格斯認為,作為考試評價,重要的不是學習行為而是學習結果,是學生解答問題時表現出來的可以觀察到的認識反應水平.找出學生表現出來的可以觀察到的認識反應水平的結構,就可以據以對學生的表現進行分類.第二,彼格斯認為決定學生的認知反應水平的因素是功能反應方式以及在某種功能方式下的反應結構的復雜性.反應的功能方式由學生在反應過程中所利用元素(如語句、符號等)的性質、水平與操作的類型所確定.第三,彼格斯在大量的事實調查基礎上假設:不論是兒童還是成年人,當他們在學習新的知識時,認知的發展是有階段的;不同的認知發展階段之間,存在著認知水平上質的躍遷,不可能以簡單的量的積累來實現不同階段之間的躍遷.通過對認知發展的功能方式的分析,彼格斯提出,可以從能力(capacity)、思維操作(relating operation)、一致性與收斂(consistency and closure)、應答結構(structure)4個方面區分學生的回答水平,具體歸納出學生思維水平的5個層次,如表1所示.[14]

表1 SOLO認知層級結構描述

續表

其中,前結構水平、單點結構水平、多點結構水平主要表征學生學習的數量特征,此時學生的學習還處于知識的積累層面,而關聯結構水平和抽象擴展結構水平則側重表達學生學習的結構特征,也就是達到了定性評價的層次,學生已能將知識進行整合、應用和有效擴展.這5種水平代表了學生對知識的掌握程度,根據學生在解決問題時的回答,可以判斷出學生的認知屬于哪一種水平,從而掌握學生的學習結果和進程.

2.2 物理科學論證能力認知表現水平劃分

SOLO分類理論的層級結構與構成物理科學論證能力的心理構造的層級結構完全一致,同為5個層級,每個層級水平間存在著某種對應關系,即前結構水平對應“能區別觀點和證據”;單點結構水平對應“能使用簡單和直接的證據表達自己的觀點”;多點結構水平對應“能恰當使用證據表達自己的觀點”;關聯結構水平對應“能恰當使用證據證明物理結論”;抽象擴展結構水平對應“能考慮證據的可靠性,合理使用證據”.故本研究以“整合”的思想將兩者進行有機的聯系與組合,使其能夠完整地描述學生的科學論證能力水平.物理科學論證能力水平描述如表2所示.

表2 物理科學論證能力的認知水平層次及具體表現

續表

3 結語

物理科學論證能力是學生通過物理學習內化的一種心理特質,此特質決定了學生面對關于科學論證的物理問題時的行為表現.物理科學論證能力認知表現層次的劃分則細致地解構了學生相應的能力表現水平,為測查和分析學生的此類行為表現提供了系統且可操作的實證研究路徑.

參考文獻：

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3 郭玉英. 中學理科課程標準國際比較與研究[M]. 北京:北京師范大學出版社,2014.

4 彭聃齡.普通心理學[M]. 北京:北京師范大學出版社,2004:340.

5 張春興.現代心理學[M]. 上海:上海人民出版社,2009:346.

6 S Toulmin. The uses of argument. Cambridge: Cambridge University Press,1958.

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8 D B Clark,V Sampson.Assessing dialogic argumentation in online environments to relate structure,grounds,and conceptual quality[J].Journal of Research in Science Teaching,2008,45(3):293-321.

9 L M Katherine.Elementary students’ views of explanation, argumentation, and evidence, and their abilities to construct arguments over the school year[J].Journal of Research in Science Teaching,2011,48(7):793-823.

10 鄧陽,王后雄.中學生書面科學論證能力發展水平研究[J]. 課程·教材·教法,2016,36(03):114-121.

11 韓葵葵,胡衛平.科學實踐活動中合作論證教學模式研究[J]. 現代中小學教育,2017,33(09):62-66.

12 吳有昌,高凌飚.SOLO分類法在教學評價中的應用[J].華南師范大學學報(社會科學版),2008,(03):95-99，160.

13 約翰·B.彼格斯,凱文·F.科利斯著.學習質量評價:SOLO分類理論(可觀察的學習成果結構)[M].高凌飚,張洪巖.北京:人民教育出版社,2010.

14 羅伯特·J.馬扎諾,約翰·S.肯德爾.教育目標的新分類學[M].高凌飚,吳有昌,蘇峻譯.北京:教育科學出版社,2012,12.