科學教育的革命：論證教學的興起*

謝 群 梁 戈 程燕平

（浙江師范大學教師教育學院 浙江金華 321004）

科學精神是學生核心素養之一，主要是指“學生在學習、理解、運用科學知識和技能等方面所形成的價值標準、思維方式和行為表現”［1］。其內涵包括理性思維、批判質疑、勇于探究等。科學精神是科學實踐活動的核心，是科學的根本所在。

但長期以來，科學教育一直囿于過于注重知識傳遞而未能有效培養學生科學精神的困境［2］。科學精神培養的缺失與學生核心素養的頂層設計之要求，在學校科學教育中形成了一道不可逾越的鴻溝。因此，如何培養科學精神就成為當下科學教育的一個重要議題。

1 圖爾敏論證模型與科學論證教學的緣起

源自古希臘哲學的論證研究，由于過于注重對論證理論分析和內在邏輯的追求，使其很難為公眾所理解和接受。直至20世紀中葉，英國科學哲學家圖爾敏（Toulmin，S.E.）的開創性工作才使這一情況得以突破。1958年，圖爾敏在其《論證的使用》一書中重新構建了論證模型。該模型的構建是通過分析不同情境中的論證實踐，例如，法律范圍中的論證和科學實踐中的論證等為基礎。圖爾敏認為，論證是“場依賴”的，不同情境中的論證往往有著不同的特點，但他又指出不同情境中的論證又應該具有一些共同的特點，即論證是在一定的情境下，為了說服他人而進行的“辯”和“解”過程，論證是為了辯護而進行的，這是論證的核心所在，也是論證的實踐價值。以此為基礎，圖爾敏構建了以主張（claim）、資料（data）、正當理由（warrant）、支援（backing）、限定詞（qualifier）和反駁（rebuttal）等6 個相互關聯要素為基礎的新的論證模型（圖1）［3］。

圖1 圖爾敏（1958）的論證模型

該論證模型主張通過資料的推論證明其觀點的合理性。資料通常是對某種事實的陳述，它來自個人的經驗和常識、文獻資料的閱讀和引用、對現象的觀察，以及實驗的操作記錄和數據的搜集等。通過對資料的篩選和處理可形成證據，支撐主張的合理性。正當理由是從資料推論到主張時的推論依據，是對資料和主張之間關系的進一步解釋；其作用在于表明從資料到主張的跳躍是合法的。支援主要是一些更具普遍性的原則或原理，它為正當理由提供一些額外的支持，并使其更具合法性。限定詞是指從資料到主張的適應范圍，在其限定條件下主張才能成立。最后一個要素是反駁，它通過事實或陳述與限定詞相連，這個事實或陳述指出了某一論證中的主張或資料間的矛盾，或是改進或修飾了這個論證。由于論證發生在持不同觀點的2 個人之間，所以，反駁并不是對自己的論證主張和資料及其之間的邏輯進行駁斥，而是針對他人所持的不同的主張而提出的。反駁的主要作用是指出對方論證中從資料到主張跳躍的不合理或不合邏輯性，以此駁斥對方的主張和論點，甚至可推翻對方的整個論證。

相比于形式邏輯，圖爾敏的論證模型更好地對應了科學論證的過程和基本結構［4］。支援明確指出了建立特定推理的最終基礎（即表示方法）；正當理由是規范并允許從資料跳到特定主張的實用規則（推理技術）；反駁為實踐和正當理由中可能發生的特例留下了空間；限定詞使主張在陳述中更為科學和嚴謹。

圖爾敏認為，科學并非簡單地發現自然界中的新事實或規律，而是提供一些看待和理解物質世界的新方法。科學的基本目的不再是以傳統的方法追求客觀的知識，而是基于相關的理論判別和理解人們早已熟悉的許多現象，即“用新的方法來認識舊的現象”［3］。科學的發現也不僅是揭示一些新的、未知的事實，而是展示了用新的或不同的方式解釋人們早已知道的世界。在這些科學實踐過程中，扮演最重要角色的是科學的“陳述方式”即科學論證。更為重要的是，科學論證與科學的理性思維高度相關。科學家就是通過科學思考和論證構建科學知識的。因此，論證是科學思維的外在言語表達形式。在社會化語言表達下的科學論證，蘊含著發言者事先進行的科學理性思考，包括對證據的評估、對結論的構建，以及對不同意見的反駁等過程。

任何一種工作方式都有自己特定的方法，也有其特定的表達方式，科學也不例外。圖爾敏的論證模型不僅可幫助人們認識科學論證，同時它也是科學教育研究者評估學生論證的重要工具。以該模型為基礎，研究者能清晰地記錄和分析科學課堂中學生論證的數量和質量，解構論證的組成并剖析辯論交鋒發生在何處，使教育者和研究者了解學生是如何評估和利用不同的證據，如何進行推論及形成結論和主張的。這對科學教育者了解和認識課堂中的科學論證和科學思維過程有著重大的現實意義。

2 何謂論證？

對“論證”一詞及論證行為的記載最早可追溯到古希臘蘇格拉底時代。古希臘人認為“智慧”隱藏在日常生活中，他們對問題答案的尋求往往是持有不同觀點的論辯雙方在激烈的言語論證中呈現出來。依據《現代牛津哲學辭典》的定義：“論證是在慎重的思考下，對結論設計的一個支撐過程。它包括了內在的思考過程，也包含一系列基于思考的陳述、推理等的結論表達，邏輯是研究論證形式是否有效的關鍵所在”［5］。哲學家范·艾莫倫和古德諾森［6］認為，作為一種社會化的智力活動，論證包括對結論的確認和對不同觀點的反駁，而這些行為的目的都是為了獲得聽者的贊同或認可。美國科學教育學家克拉克和桑普森［7］則認為，論證的過程往往需要提供有效的、能被他人接受的想法，而這個想法的基礎就是理性、邏輯和證明。

綜上所述，可發現論證的共性特點，即論證是一個包含外在社會化言語和內在智力思考的過程。此過程需要通過多角度對繁雜的數據、資料和可能的解決辦法進行審慎和理性的評估以構建結論。因此，論證是一種慎思明辨的過程，是建立在理性、批評基礎之上的求知。同時，論證是一個提升學生思考或對科學知識進行支持、批判、評估進而提出一些新想法的過程。在科學實踐中論證是基于邏輯和理性的對話，這種對話的基礎是結論和證據之間的聯結。這里的結論并不僅是一個觀點或想法，而是需要對研究的問題提供一個充分的、基于證據的聯結或解釋。而判斷論證是否有效的主要標準是論證中的聯結是否建立在足夠理性和嚴密的邏輯基礎之上。如果聯結不合理或論證不充分，結論將會被其他的論證觀點所批判和反駁。

從另一個方面看，科學發展的歷史就是一部科學論證的歷史。在科學發展的歷程中，每一次的進步都是因為新、舊觀點的沖突或是出現了不同的聲音而引發的。解決科學爭論的最常用的方法就是論證。通過新、舊觀點之間相互論證碰撞，持不同論證觀點的科學家不僅要關注論證構建中的理性和邏輯，同時還要基于理性和邏輯的分析及證據的支持，以反駁或批判不同的觀點。正是因為有了足夠強有力的論證，才會有科學觀點被不斷修正、更新，愈加接近客觀事實。論證的理性、邏輯和批判成就了科學家的求知之路，也實現了科學知識的不斷積累和發展。

所以，論證作為科學實踐活動的核心，其關注的重點并不是科學家對實驗的操作，而是關注知識形成過程中的科學理性和批判性的獨立思考，以及科學知識構建的基礎是否存在足夠的理性和可接受；而這也正是理性、批判、求知的科學精神之所在。

3 何為論證教學？

論證是不會在科學課堂中自發出現的。因為在科學課堂中傳統的師生之間的對話方式往往是教師提問（initiate question）、學生回答（response）、教師評估（evaluate）的IRE 模式［8］。在IRE 模式的科學課堂里，教師以提問控制著課堂言語的發展和走勢。雖然教師提問的初衷是為了吸引學生的注意力并促使學生的思考，但在實際的操作中，提問往往以有人能回答出正確的答案即結束。換言之，這樣的對話也可能是一個機械式的尋找正確答案的過程。學生是否進行了思考，是否有真正的學習發生，學生的前概念是否被改變等重要的問題都未被關注。此外，在IRE 環節中，教師的提問類型大多是封閉式的，且問題的答案是標準的甚或唯一的。在回答這類問題的時候，學生主要是通過檢索頭腦中已有的知識進行回答，基本上沒有經歷科學的理性思維和批判過程，科學實踐中最為重要的論證過程自然也就沒有發生。

更為重要的是，與傳統的科學課堂不同，在論證的課堂中教師不再是科學課堂中知識的權威，而是學生學習和論證的支持者。他們創造機會讓學生進行論證，并為其論證過程提供必要的支持和幫助。以論證為核心的課堂對話，使教學目的由尋找正確的回答轉向推動學生思考并組織論證，在論證過程中發展學生的科學認知和培養學生的科學精神。學生有機會參與論證，并在理性的基礎上清晰的表達自己的科學觀點，同時也要對不同的意見進行合理的反駁，最后師生達成一致的意見或構建自己的觀點。在這樣的課堂中，教師關注的焦點是如何鼓勵學生進行理性思考及學生的參與程度，教學的目標不僅是提高學生對科學知識的理解，更上升成為提高科學的理性思維能力和構建學生的論證能力。通過論證課堂，學生經歷了科學的理性、批評和求知的過程，也在這過程中體會到理性和批判對于科學知識形成的意義和價值。

4 論證教學的實施

依據論證的哲學內涵和科學論證的特點，論證教學實施的策略可分為以下幾類：

1）創設論證的環境——不同的觀點和必要的資料。

第1，持有不同的觀點。論證的發生往往是因為論辯雙方持有不同的觀點，當不同的觀點出現在科學課堂中時，學生也就被帶入了論證的情境中。但此時，推動學生參與論證的一個重要影響因素是學生對將要論證的話題有一定認知基礎，即學生對論證的議題不陌生，有話可說。因此，一些涉及社會性的科學議題是比較好的選擇，例如，轉基因食品、環境保護、糧食短缺等議題。因為一方面這些議題目前尚未形成定論，學術界內、外都有各種不同的聲音和觀點；另一方面，這些議題與學生的日常生活有一定的相關性或受到媒體的高度關注，因此，學生對這些議題或多或少有一些自己的見解，這就使論證的進行成為可能。

第2，提供必要資料。值得注意的是，選擇社會科學議題可讓學生對該議題有話可說，但并不意味著選擇了這類議題學生就能成功地進行論證或是進行了較高水平的論證。因為，對于社會科學議題，學生雖有或多或少的認識，但這種認識往往是膚淺零散的。如果教師給出議題后就放任學生自由論證，就會造成學生之間的論證往往是淺層次的并浮于表面。這樣無論是對于論證的進行還是對于學生學習該議題相關的內容都是無益的。因此，在論證進行之前必須向學生提供有利于開展論證的核心資料。通過呈現豐富的資料，拓寬學生的視野，加深他們對這一議題的認識，使他們對該議題的了解更為深入和全面，以便于為隨后的深度論證打下基礎。

第3，評估正當理由。對于多數首次接觸論證教學的學生而言，他們往往不知道什么是論證，也不知道如何進行。所以教師首先要在教授論證的初期，考慮引導學生認識論證并嘗試評估論證中的資料和構建其觀點的正當理由。具體過程包括：介紹論證的含義、解釋論證的結構、如何基于科學的理性思維對已有的資料進行篩選。其次，教師要幫助學生在論證前理解完整的論證要有真實、可靠和多個維度論據的重要性，并協助學生對不同的論證進行分析和反駁。最后，教師可創造條件讓學生演練相應的內容，將科學論證設為學習目標，開展以直接教授科學思維和科學論證為主要特征的論證教學，往往能取得比傳統課堂更好的教學效果。

2）與科學探究整合——由資料推理主張。探究是科學家工作的主要方式，科學探究的核心是論證［9］。科學探究的過程并非是直線式發展的，即所研究的問題不一定都能順利找到一個最佳的答案，或搜集的數據證據都能直接指向結論。所以，探究的任何一個環節都需要研究者不斷地思考、斟酌、修正、批判和論證。而當下的探究教學往往被簡化成為探究的若干個步驟，學生以完成探究的這些步驟為主要目的，或以設計實驗方案的實施步驟為主要的探究內容。而這樣的探究教學一方面脫離了探究的核心——論證，另一方面也難以達到提升學生理性思維和培養科學精神的目的［10］。

例如，探究“酵母是不是活的”［11］，在論證教學開始前，教師介紹了日常生活中所見的酵母，以及驗證酵母是不是活的所需要的科學原理：新陳代謝和繁殖，并以此為基礎開展了2 個探究實驗：酵母新陳代謝產生二氧化碳和酵母在培養皿中的繁殖。第1 個問題來自教師：酵母能否消耗糖產生氣體？之后教師請學生作出預測并提問：你的預測是什么？你作出此預測的理由是什么？隨后的探究實驗包含了若干步驟，教師將這些步驟都已印在了工作單上，學生只需要對實驗現象進行觀察和記錄。在完成實驗之后，教師建議學生將自己觀察的結果與小組同學討論，并提問學生：你如何解釋你所記錄的結果？你的結果與預期吻合嗎？做面包的時候如果不加酵母，這個面團往往又硬又扁，如果加了酵母，面團可變得大而蓬松，你能否解釋酵母在這過程中的作用？

第2 個探究活動的思路與第1 個基本一致，學生不需要討論具體的實驗操作步驟，只需要觀察和記錄培養皿中酵母菌落的變化情況。在2 個探究活動結束之后，教師引導學生展開推理討論：基于搜集的資料，你主張這些棕色顆粒是否有生命的？你為什么認為本研究的結論或主張是正確的？基于已有的論證數據和資料能否得出完全不同的結論？如何證明你的推論陳述是能支持你的結論？教師始終將解釋和論證貫穿于探究活動的各個環節，并引導學生慎重地由資料推理結論。避免學生的探究流于形式，并通過論證和解釋推動學生通過論證進行慎重思考和推論，同時體會慎思明辨對于結論構建的意義。

3）形成完整論證——基于已有的論證模型的策略組合。以某一論證模型為框架設計論證表格，教師指導學生分步驟填寫表格的各項內容是引導學生論證的又一種策略。其特點是當學生完成論證框架的各個部分時，就出現了一個完整的論證。而且在使用該類型策略的時候，教師并非只需要提供一個論證的模型，然后任由學生自由發揮，而是對學生的論證過程進行充分的準備和引導，帶領學生完成論證的目標。

學者克里斯蒂·勤和奧斯本在《在冰受熱變成水蒸氣的過程中溫度的變化》一課中將學生論證設為了教學目標之一。他們事先設計了一份以圖爾敏的論證模型為藍圖的論證單，其中包括：你的觀點、你的證據／理由、相反的觀點、反駁等要素要求學生完成。在課前，教師先讓學生學習如何構建論證和如何提問，并就溫度變化過程給出了A、B 2 種不同的變化曲線圖供學生選擇。之后教師展示了關于冰熔化的一系列證據，例如：“冰受熱會熔化成水”“冰的熔點是0℃，沸點是100℃”等，要求學生判斷：這些證據是支持曲線A 還是曲線B？還是二者都能支持？再引導學生用這些證據判斷其對于曲線A、B 的選擇是否合理。在此過程中，教師要求學生不斷地進行自我質疑和提問。例如，“有沒有特殊情況？”“看見了什么模型或趨勢？”“如何解釋這一現象？”“有什么證據支持自己的觀點？”這些問題的設置旨在引導學生進行觀察、分析、預期、解釋、判斷并對數據評估，引導學生充分體驗論證過程。隨后，教師再對學生進行分組，確保每一小組都有持不同意見的學生。每組都有一名組長，負責鼓勵小組成員在討論過程中積極發言。教師給每個小組發了一張空白紙，記錄討論過程中的問題。最后，請學生完成論證單上的內容，得出結論進而完成高質量的論證［12］。

在這一論證過程中，克里斯蒂·琴通過設計A、B 2 種曲線制造了不同的觀點和主張。引發學生討論、提問、批判和質疑，并以小組討論的形式帶動了小組內的合作和互相論證、說服和反駁的進行。由此可見，論證教學的完成往往是多種教學策略整合的過程。正如一個完整的論證往往需要多個證據、多個支持和多個反駁的整合。只有有機整合，在合宜的策略下學生才能進行高質量的論證，而高質量的科學論證源于科學教師在指導學生論證的實踐中不斷地探討和思考。

在真實的科學探究中，科學結論的得出往往需要在證據、已有的知識體系和新出現的想法之間激蕩，新的結論展示的是對客觀世界的另一種可能的解釋，它需要通過論證對抗不同的證據和舊的觀點，才能被更多的人接受。論證展現了科學是如何描述客觀世界的，也同時告訴人們科學是如何與其他事物發生聯系的，科學為什么是重要的，以及科學對世界的獨特解讀是如何發展的。隨著研究的深入，在未來的教學活動中，論證在科學教育中的價值將得到更廣泛的認可。它并非是對當下科學探究課堂的否定，而是對科學探究教學的發展和深化，是探究活動從形式教學走向科學實證的必由之路。