國內科學論證研究內容的綜述與展望

摘 要：科學論證作為物理學科核心素養中科學思維的重要要素之一，受到物理教育工作者的廣泛關注。本文深入剖析知網數據庫中有關科學論證的高被引文獻，并系統梳理科學論證的概念研究、教學策略和實踐以及測量評價。基于當前研究現狀，給出了思考與展望。

關鍵詞：科學論證；研究綜述；中學物理

科學論證是指通過系統性的研究和邏輯推理來證明科學觀點或假設的過程。隨著美國《新一代科學教育標準》的頒布，科學論證逐漸成為國際科學教育的重點研究內容。^［1］《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）明確指出，科學論證是物理學科核心素養中科學思維的重要要素之一，是需要學生通過物理學習而逐步形成的關鍵能力。《課程標準》頒布以來，國內研究者對科學論證的教學研究愈發關注。本文基于知網數據庫，梳理了國內關于科學論證的研究情況，包括概念研究、教學策略和實踐、測量評價等方面，并基于研究現狀給出了思考與展望，以期為后續相關研究提供參考。

1 研究設計

在“中國知網”數據庫中，筆者以“科學論證”和“物理教學”為主題進行檢索，共檢索到297篇相關文獻，隨后通過閱讀文章內容，剔除與主題無關的文章，并根據“被引”次數排序，最終選取了50篇質量較高的文獻進行研究（其中包括期刊論文40篇，碩士學位論文8篇，博士學位論文2篇）。筆者首先分析了“被引”量較高的15篇期刊論文和5篇學位論文，對文獻的研究方向進行了大致分類；接著，根據剩余的文獻，進一步完善了研究方向的分類；最后，深入剖析了不同研究方向的文獻內容，并結合整體情況給出了思考和展望。

2 研究結果

2.1 分類結果

根據研究主題，可以將檢索得到的論文分為3類：科學論證的概念研究、科學論證的教學策略和實踐、科學論證的測量評價，如表1所示。

2.2 科學論證的概念研究

目前，國內對于科學論證的概念研究主要包括對科學論證內涵價值的探索、對科學論證能力的界定、對《課程標準》和教材中有關科學論證表述的文本分析。

2.2.1 內涵價值

目前，國內對于科學論證的內涵沒有統一的定論，不同研究者嘗試結合國外的經驗和自身的理解給出定義。^{［2］［3］［4］}盡管研究者們對于科學論證的內涵有著不同的表達，但是他們已經基本達成以下共識：科學論證是一個立足于證據，提出自己的主張，通過邏輯推理推翻不同觀點的實踐過程。鄭穎等通過總結歸納，將科學論證的結構要素以關系圖的形式進行了呈現，如圖1所示。^［5］

科學論證在教學方面的價值同樣受到了研究者們的關注。研究者們認為，科學論證不僅能夠加深學生對科學本質的認識，促進學生對概念的轉變和理解，還能提升學生科學探究能力，發展其科學思維。^{［6］［7］}

2.2.2 能力界定

基于科學論證的內涵，科學論證能力的界定成為相關研究的重要抓手。科學論證能力是一種需要多種思維方法參與，并圍繞論點、論據推理展開的高階思維能力。^{［8］［9］}筆者認為，科學論證能力不僅包括基于證據進行推理的思維能力，還應當包括在論證和反駁過程中保持穩定的心理狀態，以及正確闡明自己觀點的表達能力。

2.2.3 文本分析

教材作為教學的重要資源，在很大程度上會影響教師的教學實踐。周婷等對人教版高中物理教材中科學論證要素的呈現情況進行了分析，提出教師要充分挖掘“說一說”等欄目的資源，以培養學生的證據意識，進一步發展其科學論證能力。^［10］《課程標準》作為國家培養學生的綱領性文件，具有很強的指導作用。馬亞鵬分析了科學論證在我國課程政策中的歷史演進，明確指出了其從隱性到顯性的轉變軌跡，為后續研究提供了基礎。^［11］

2.3 科學論證的教學策略和實踐

在厘清科學論證的內涵及本質后，國內研究者嘗試依據物理學科特點，提出教學策略，完善教學模式，進行教學實踐。

2.3.1 教學策略

由于不同物理課型具有各自的特點，研究者們在研究時各有側重。因此，筆者將教學策略按照課型進行歸納總結。

（1）物理概念、規律的教學策略。

某些物理概念、規律較抽象，學生缺乏直觀認識。這就導致傳統的物理概念、規律教學效果不佳，無法幫助學生形成完整的知識體系。基于此，研究者們提出的教學策略主要有以下三個方面：其一，設置真實情境，提出結構不良問題。真實情境蘊含多種影響因素，能夠有效鍛煉學生的科學思維能力。同時，結構不良問題的解決方式和結果的不確定性，為學生利用科學論證解決復雜問題提供了環境。^［12］其二，整合學科知識，實現從定性走向定量。立足于事實和已有知識，經過不同層級的推理，在推理的同時進行論證，逐漸實現從定性分析走向定量分析的轉變。^［13］其三，注重科學探究，建構物理知識。雖然探究式學習費時費力，但其在培養和提升學生科學論證能力方面效果顯著。^［14］

（2）物理實驗的教學策略。

實驗教學是物理教學的根本所在，也是科學論證教學的主陣地。為了在實驗教學中滲透科學論證思想，研究者們主要有以下思考：其一，斟酌實驗選擇，顯化論證要素。在進行實驗前，教師要結合實驗內容和學生學情，選擇合適的實驗進行論證教學，以此使實驗教學對學生科學論證能力提升的效果最大化。^［15］此外，教師可以適當地提供框架，幫助學生熟悉科學論證的程序，更高效地進行實驗論證。^［16］其二，樹立證據意識，規范收集方式。教師要引導學生細致觀察實驗現象，實事求是地記錄相關數據，明確數據和現象是證據的重要來源，只有真實有效的證據才能幫助我們進行科學論證。^［17］其三，注重實時監測，倡導反思交流。物理實驗蘊含著各種偶然因素；教師要帶領學生關注各種“突發狀況”，充分分析其中的原因，仔細推敲每一個論證環節，避免僅憑少量且不可重復的實驗得出普遍規律。^［18］同時，在整個實驗過程中，教師要多次且及時地組織學生進行交流和反思，思考證據的收集是否充分、方法的選取是否合理、得出的結論是否科學，以此培養學生的科學論證思維。^［19］

（3）其他教學策略。

除了基于特定課型的教學策略，還有研究者根據教學現狀和學生特點提出了一些發展學生科學論證能力的教學策略。弭樂等指出可以加強學生的書面反駁訓練，以達到建構科學規范論證體系的目的。^［20］安寧提出可以利用學生與學生之間的相互評價，釋放學生的潛力，鍛煉學生的科學論證能力。^［21］

總而言之，研究者們針對科學論證的教學策略已經進行了深入的研究。但是，習題課和復習課的相應教學策略目前還有所缺失。習題的解決作為學生進行書面論證的重要手段，應當得到關注。同時，復習課是學生檢驗知識掌握情況、構筑知識體系、完善論證過程的關鍵時機，需要得到研究者的重視。

2.3.2 教學模式。

教學模式是基于一定的教學策略，在教學過程中需要遵循的、比較穩定的教學體系。在眾多教學模式中，圖爾敏的六要素實踐論證模式最為經典。汪明以“自由落體運動”一節為例，探討了利用圖爾敏論證模式的教學實踐，給物理教師們提供了參考。^［22］此外，國外研究者經過多輪實證研究提出，新版ADI（Argument-Driven Inquiry）模式和PCRR（Present，Critgue，Reflect，Refine）模式也是適用于科學論證教學的教學模式。新版ADI模式是一種由八個教學階段組成，組織學生開展論證式實驗探究活動的教學模式。PCRR模式是一種突出三維學習方法的四階段教學模式。弭樂等詳細地闡述了這兩種教學模式，并且基于“分子運動概念”的教學，為一線教師開展科學論證探究活動提供了一個范例。^［23］國外經典的科學論證教學模式，應用于國內課堂時，出現了許多“水土不服”的現象。因此，國內研究者基于學情對科學論證教學模式進行了深入探索，SNP（Science Negotiation Pedagogy）、CER（Claim，Evidence，Reasoning）和CIA（Cooperation，Interaction，Activating）等模式開始被運用于論證教學實踐。^{［24］［25］［26］}

總體來說，這幾類科學論證教學模式各有千秋。教師在進行科學論證教學實踐時，要根據知識特點、學生情況、設備條件等靈活選擇教學模式。同時，教師要根據實施情況積極地對教學模式進行修正，為后續的研究和實踐奠定良好基礎。

2.3.3 教學實踐

在明確科學論證教學策略和模式后，研究者們開始在教學實踐中嘗試檢驗相應策略和模式的有效性。筆者統計了教學策略和實踐類文獻中具體實施的課題，如表2所示。

由表可知，研究者進行科學論證教學實踐，選擇最多的課題大多與日常生活密切相關，例如“超重與失重”。這表明生活中的現象是科學論證教學的素材庫，學生可以基于自己的親身體驗尋找證據，進行論證。同時，較為抽象的電磁概念也是研究者們關注的實踐課題。通過類比等手段將抽象概念具象化，可以很好地培養學生的發散思維，以便他們在今后的學習中繼續利用類似的科學論證思路解決抽象問題。此外，諸如“水果電池”一類基于知識點的應用探究也值得關注。這類課題不僅可以激發學生的探究興趣，還能幫助學生在探究性課題中積累論證經驗，夯實基礎知識。

2.4 科學論證的測量評價

科學論證的測量評價，不僅能直觀地判斷學生科學論證能力現狀，還能反映科學論證教學質量，為進一步改進教學策略提供有效反饋。目前，科學論證的測量評價研究主要是圍繞科學論證的水平劃分、評價方式和中學生科學論證能力的現狀測查進行的。

2.4.1 水平劃分

2015年，鄧陽結合國外的研究成果，提出從主張、證據、理由和反證四個維度，分水平對學生的科學論證能力進行劃分。^［27］2020年版《課程標準》將科學論證能力劃分為五個水平。后續的研究者立足于2020年版《課程標準》的劃分和鄧陽的研究成果，對科學論證水平的劃分標準進行了更深入的研究。例如，陳雪基于SOLO（Structure of the Observed Outcome）分類理論構建了高中物理科學論證水平框架，如表3所示。^［28］

2.4.2 評價方式

目前，國內研究者對科學論證能力的評價方式主要有以下三種：紙筆測驗、課堂話語分析和計算機自動評分系統。

紙筆測驗是指研究者根據科學論證要素編制試題，結合科學論證水平劃分對被試者進行評價，以檢驗被試者科學論證能力的評價方式。例如，陳穎等以自行編制的“物體下落”試題，對數千名高中生的科學論證能力展開了測評。^［29］紙筆測驗可以給被試者足夠的思考空間，充分反映其科學論證能力。然而，題目的編制和評價標準的制定耗時耗力，且信效度無法得到保證。

課堂話語分析是指研究者根據預先繪制完成的科學論證話語框架，識別和統計課堂上教師和學生出現的相應話語的頻次，從而判定師生科學論證水平的一種評價方式。例如，鄧浩儀、張軍朋等結合了視頻分析法，定量分析了全國中學物理青年教師教學大賽的6節優質視頻中的科學論證話語。^［30］課堂話語分析可以最真實地反映被試者的科學論證水平，但易受實驗環境的影響，且偶然因素較多。

計算機自動評分系統則是通過在線方式，使用計算機識別論證要素，從而判定被試者的科學論證能力的評價方式。孔藝等以文字類科學論證作品作為自動測評的研究對象，研制出一種使用計算機對科學論證水平自動評分的評價方法，并嘗試結合實時反饋系統將計算機自動評分系統用于改進課堂教學。^［31］作為一種新型技術，計算機自動評分系統具有方便、高效的優勢，但其對于論證話語的識別和判斷還需要設計者進行更深層次的開發。

2.4.3 中學生科學論證能力的現狀測查

從上述研究中，研究者們得到相似的結論：中學生科學論證能力水平大多處于中等水平，論證普遍缺乏“反駁”要素和完整性。研究者們認為，學生科學論證能力的培養質量受到教學情境、教學方式、課堂紀律以及教師的提問角色等多種因素影響。^［32］因此，基于中學生科學論證能力的影響因素，探尋具有針對性的培養模式，已成為了廣大物理教育工作者科學論證教學研究的核心任務。

3 思考與展望

基于上述分析，筆者對物理學科的科學論證教學提出以下幾點思考與展望。

第一，在科學論證的概念研究方面，科學論證的內涵價值已經得到充分挖掘，研究者們對其內涵的認知已基本達成一致。但是，作為科學思維的要素之一，科學論證與模型建構等其他要素有著千絲萬縷的聯系。現有的研究大多聚焦于單一具體的要素，而各要素之間的區別與聯系亟待探索。研究者可以嘗試從科學思維各要素之間的邏輯關系入手，探尋利于學生的思維能力綜合發展的科學論證教學。

第二，在科學論證的教學策略和實踐方面，研究者們已經針對不同課型提出了一定的策略及模式。但是，思維的提升是一個長期的過程；同樣，科學論證能力的培養也不是一蹴而就的。針對單節課的科學論證教學設計固然能在一定程度上鍛煉學生的科學論證能力，但是要確保學生科學論證能力的充足發展，教師需要具備利用大單元、大概念進行整體課程設計的意識。此外，鑒于學生在復習課前已經掌握了基本知識和原理，如果在復習課上設計相應環節，引導學生基于證據進行論證，無疑可以使學生的科學論證能力得到更深層次的發展。

第三，在科學論證的測量評價方面，為了達到更好的評價效果，研究者可以設計多種評價方式相結合的體系，以達成三角互證。針對學生科學論證水平偏低，論證過程缺乏完整性以及普遍缺乏“反駁”要素等問題，筆者認為可以采取以下措施：首先，教師系統地向學生介紹科學論證的結構與方法，并且做出標準的論證示范，以提高學生論證的完整性；其次，教師可以充分挖掘實驗和生活中的資源，多設置開放性問題，鼓勵學生對教師和同學的觀點進行批判，從而增加學生論證中的“反駁”要素；最后，筆者建議在中高考試題中加強對科學論證能力的考查，以此加強一線教師對培養學生科學論證能力的重視。

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