高中物理教師科學論證能力診斷研究

［摘 要］依據圖爾敏論證模式構建了同時考慮論證要素和論證過程的科學論證能力診斷框架，相對于國內只考慮論證要素而忽視論證過程的相關框架是一個進步。進一步采用文獻研究方法，對高中物理教師的科學論證能力展開了研究。發現高中物理教師在科學論證過程中存在論證意識和擴展意識不足、論證邏輯混亂等問題，并嘗試給出了解決問題的方法，以期為提高高中物理教師的科學論證能力提供參考，為高中生的科學論證能力培養提供借鑒，也為高中物理教師專業發展的課程設置提供有益啟示。

［關鍵詞］科學論證；高中物理教師；文獻研究；核心素養

［中圖分類號］G633.7 ［文獻標識碼］A ［文章編號］1005-4634（2024）06-0044-07

1 問題的提出

1993年，庫恩（Kuhn）提出“科學即論證”的觀點，并指出應將論證作為科學思維的內核^［1］。1995年，哈維（Harvey）提出“是理性將教育與論證聯系在一起”，從哲學的角度為教育工作者提供了關心論證的理由^［2］。之后，科學論證逐漸受到各國重視，成為其科學教育的重要內容。我國也于2017年將科學論證納入高中物理學科核心素養的體系^［3］4，此后，科學論證一直受到廣泛關注，成為我國課程改革的重要方向^［4］。

“科學論證是科學探究中一項重要的活動，是由一人或多人利用事實證據、理論知識以及邏輯推理，對觀點和主張進行支持和證實的實踐活動，其中包含對他人觀點的回應和反駁。”^［5］要發展學生的科學論證能力，首先教師要具備這種能力。但國內外的多項研究表明，當前教師對科學論證的認識不足，科學論證的能力普遍偏低^{［6］111，［7］5}，教師在課堂教學中不能采用有效的策略引導學生展開論證活動^［8］126，包括高中物理教師在內的教師的科學論證能力亟需提高。為了制定出更具針對性的提高策略，需要找出高中物理教師科學論證過程中的問題所在。為此，對高中物理教師的科學論證能力進行診斷性研究就變得十分必要。

傳統上，對科學論證能力水平的測量一般采用對話^［9］1006、問卷調查^［7］4或紙筆測驗的方式^［10］。但這些方式本研究不予采用，理由是在對任務解決者展開提問時，問題本身已經不可避免地包含了提示性信息，比如：你對這個問題有什么觀點？（提示并強迫任務解決者提出觀點）你能區別這個問題中的觀點和證據嗎？（提示任務解決者要區別觀點和證據）并說明理由（提示任務解決者要尋找證據并進行邏輯推理），等等，這樣的提示性語言將嚴重降低測量結果的準確性。因此，本研究將在“自然狀態”下對任務解決者（高中物理教師）進行診斷性研究。所謂“自然狀態”指的是研究者不能對任務解決者進行任何的提示和干擾，這就需要任務解決者自己選擇問題情境、根據問題情境提出觀點并對觀點進行論證。本研究認為，高中物理教師在進行教學研究論文寫作時恰恰滿足上述要求：他們在教學實踐中會遇到一些問題情境，在這個情境下自覺地提出自己的觀點，并對觀點進行論證，最后形成研究性成果并公開發表。

在選擇研究方式之后，還要考慮構建科學論證能力診斷框架。雖然國內關于學生科學論證能力的分析框架已有不少^{［3］4，［11-12］}，但這些框架只關注到了科學論證能力的要素，比如，觀點、證據、推理等，而忽視了科學論證的過程。因此，已有研究對科學論證能力的診斷是片面的。喬納森（Jonathan）等人根據圖爾敏論證模式（Toulmin’s Argument Pattern）建立了評估論證質量的分析框架^［9］1008。該框架既關注了科學論證的要素，又關注了過程，但其主要用于評估兩人或多人對話式的論證，不適合診斷教師在“自然狀態”下寫作的研究性論文。因此，本研究借鑒了喬納森（Jonathan）等人建立科學論證能力分析框架的經驗，根據圖爾敏論證模式（TAP）的內容構建了適合診斷教師在“自然狀態”下寫作研究性論文的科學論證能力診斷框架。

本研究的具體研究問題是：（1）任務解決者（高中物理教師）在進行科學論證的過程中容易出現哪些問題？（2）出現的問題可否解決？（3）如果這些問題可以解決，解決的方案可能是什么？

最后需要指出的是，由于證據、推理等的復雜程度不同，任務也將表現出不同的復雜性^［13］24。用復雜性不同的任務進行測評，必然會得到關于任務解決者的具有差異性的測評結果。本研究所關注的不是測評結果中高物理教師所表現出的科學論證能力水平的高低，而是通過診斷研究，發現教師在科學論證過程中所出現的問題，并提出可能的解決方案。

2 研究設計

2.1 科學論證能力診斷框架

科學論證包括觀點、證據、推理等主要要素^［9］999，同時科學論證也是一個過程^［13］24，科學論證能力表現為在科學論證的過程中對論證要素進行正確、合理的組織。科學論證開始于一個特定的主張（觀點），繼而提出該主張（觀點）所依據的根據（證據）。接下來，通過觀察、實驗、分析與推理，得出主張的規則、原則或推論^［14］。科學一般始于問題情境，從問題情境中提出觀點。因此，本研究將問題情境放在科學論證過程的開端。論證意識是指對何謂論證、如何有效論證的清醒認識與合理運用^［15］。心理學的研究表明，意識會對行為產生顯著的影響，為此，本研究將產生論證意識放在分析與推理行為的前面。綜合上述分析，可以發現，科學論證從問題情境出發，經歷了提出觀點、產生論證意識、調用論證知識、進行邏輯推理、對觀點作出評價等一系列的過程。從問題情境中提出觀點：一般不是一個邏輯思維的過程，而是一個直覺思維的過程；產生論證意識的過程：包含對觀點進行判斷，意識到觀點與證據的不同，由此產生尋找證據并用證據證明觀點的意識；調用論證知識：包括論證需要的事實證據、實驗證據、學科知識等，為后面的推理過程作好鋪墊；進行邏輯推理的過程：包括對調用的一系列知識進行合理組織的過程，邏輯推理可能成功，也可能不成功，在遭遇失敗時，重新調用更多的相關知識進行新的邏輯推理；對觀點作出評價：首先，包括判斷觀點的正確性并合理作出取舍，其次，還需要考慮正確的觀點可否應用或可否擴展其適用范圍，是否可與其他知識或事實建立聯系，對于錯誤的觀點可否修正后重新進行論證等。

根據上述分析，科學論證能力診斷框架的學科論證能力分成5個水平，如表1所示。

表1中每一水平內容包含上一水平等級所有內容，并在此基礎上增加對進階性的更高要求。水平1標志著能夠提出觀點；水平2標志著可以產生論證的意識；水平3標志著可以調用論證所需的知識和證據；水平4標志著可以進行正確的論證；水平5標志著可以擴展并聯系其他觀點。

進行科學論證的過程會涉及到兩種基本的思維形式：直覺思維和邏輯思維。觀點的提出一般依靠直覺思維，邏輯推理一般依靠邏輯思維。需要特別注意直覺思維與邏輯思維的關系，只有認清它們的關系，才能進行正確的科學論證。

一般來說，直覺思維是創造性思維的重要形式，人類通過直覺產生新思想，實現認識上的飛躍。直覺作為一種非邏輯思維，是對事物本質直接而迅速地判斷，是解決問題思路的直接捕捉。從本質上講，直覺是一種大膽的猜測^［16］。蘇聯物理學家福克曾表示：“偉大的以及不僅是偉大的發現，都不是按邏輯的法則發現的，而都是由猜測得來；換句話說，大都是憑創造性的直覺得來的。”^［17］對于由直覺思維所做出的猜測的可靠性，愛因斯坦和英費爾德曾在《物理學的進化》中表示：“以直覺為主導的推理方法是靠不住的……基于直接觀察的直覺結論并不總是可靠的，因為它們有時會引向錯誤的線索。”^［18］因此，“直覺成果出現以后，隨即而來的便是進行嚴謹的邏輯加工和整理……要對直覺的成果進行邏輯論證和實踐檢驗……它們兩者的關系是互補的，是科學進步的兩翼。”^［19］邏輯思維與直覺思維是科學思維的兩種基本形式。“邏輯思維的基本思維形式是概念、判斷、推理，由此決定著邏輯思維的本質和特征。邏輯思維的思維形式是逐級建構的。人們以概念為思維的細胞，在概念的基礎上構成判斷，在判斷的基礎上進行推理，由已知的東西出發得到新知。由此決定了邏輯思維具有間接性和概括性，是一種分析性的、程序性的、論證性的思維。”^［20］簡單來說，直覺思維可以產生大膽的猜測，但這個猜測并不總是可靠的，需要用邏輯思維去論證，只有能經受住邏輯論證的猜測才是可靠的。

2.2 研究對象和研究方法

在教學研究論文的寫作過程中，教師有時間進行縝密周全的思考，也可以尋找各種知識、證據等展開論證。在這一過程中能夠展現他們真實的科學論證能力，并且他們處于一個相對自然的狀態（沒有參與公開測評時的緊張氛圍與提示性語言等）。因此，本研究采用文獻研究法診斷高中物理教師的科學論證能力。在論文所涉及的教學內容上，本研究選擇了“修正半偏法測電表內阻的誤差”主題作為診斷高中物理教師科學論證能力的測量工具。傳統的半偏法測電表內阻的實驗存在系統誤差^［21-22］，通過中國知網文獻檢索系統可以獲取高中物理教師發表的相關文獻，文獻中所提出的修正系統誤差的方法就是高中物理教師針對這一真實問題情境給出的作者本人的觀點。本研究結合“科學論證能力診斷框架”，分析高中物理教師在消除或降低系統誤差中所涉及的科學論證過程。

2.3 數據來源與數據收集方法

本研究的數據來源于中國知網數據庫。數據收集方法如下：在“總庫”中以“主題”方式進行搜索，收集相關文獻。首先，分別以關鍵詞組合“‘半偏法’與‘誤差’與‘改進’”“‘半偏法’與‘誤差’與‘清除’”“‘半偏法’與‘誤差’與‘修正’”進行搜索，得到關于修正半偏法誤差的相關文獻。對得到的所有文獻進行匯總，為了避免遺漏，以“半偏法”為關鍵詞進行搜索，并對已經匯總的文獻進行核實和補充。其次，對匯總的文獻進行內容分析，根據“改進方案”的類型進行分類。再次，對每篇文獻進行仔細的內容分析，按照“科學論證能力診斷框架”為每篇文獻的論證過程劃分水平等級。從次，統計各類改進方案的各種等級文獻的數目，分析特征，找出問題。最后，尋找可以參照的標準，分析出現的問題可否解決、如何解決。

3 研究實施過程與結果

3.1 研究實施過程

本研究在中國知網數據庫中進行搜索，截止到2023年11月24日，在“總庫”中以“主題”方式搜索關鍵詞組“‘半偏法’與‘誤差’與‘改進’”，得到39篇相關文獻；搜索關鍵詞組“‘半偏法’與‘誤差’與‘消除’”，得到20篇相關文獻；搜索關鍵詞組“‘半偏法’與‘誤差’與‘修正’”，得到6篇相關文獻。三類文獻匯總并除去重復文獻共得到50篇相關文獻。為了避免重復和遺漏，在“總庫”中以主題方式搜索“半偏法”得到324篇文獻，一一進行核實后增加0篇文獻。為增加文獻數量，在“總庫”中以“主題”方式搜索“‘電表內阻’與‘改進’”，得到24篇相關文獻；搜索“‘電表內阻’與‘消除’”，得到28篇相關文獻；搜索“‘電表內阻’與‘修正’”，得到8篇相關文獻，經過內容分析增加文獻1篇，最后得到51篇待進一步研究的相關文獻。

對51篇文獻進行內容分析，發現兩類比較常見的改進方法：一類是“在干路中添加電流表”^［23］，另一類是“在干路中添加補償電阻”^［24］。兩類改進方法所涉及到的文獻共27篇。分類匯總發現，“在干路中添加電流表”的高中物理教師的相關文獻共有18篇，“在干路中添加補償電阻”的高中物理教師的相關文獻共有6篇。此外，還分別獲得了4篇和3篇大學物理教師關于這兩類改進方案的文獻。這些文獻將用于分析和對比高中物理教師與大學物理教師的科學論證能力，并對發現的問題的可解決性作出判斷。

在對選出的文獻進行分類統計的過程中，為了驗證表1的科學論證能力診斷框架對文獻的評價是否具有一致性，先后進行了兩次評價，兩次評價相隔數天時間并分別獨立做好記錄。對比發現，兩次評價結果完全相同。這說明表1的科學論證能力診斷框架具有較好的信度。另外，表1的科學論證能力診斷框架充分考慮和借鑒了前人的研究成果，包括了科學論證的要素、科學論證過程等，因此具有較好的效度。

3.2 研究結果

依據科學論證能力診斷框架對兩類文獻進行逐一分析并統計，結果見表2、表3。

3.2.1 高中物理教師科學論證中出現的問題

依據馮雪媚等從任務本身建構的物理科學論證能力水平框架^［13］24對兩類改進方法進行分析可知，“在干路中添加電流表”類改進方案屬于“1a”水平，需要“線性簡單推理”，表示此類方案對應的物理科學論證能力水平較低（后文將其稱為“簡單問題”）；在“干路中添加補償電阻”類改進方案屬于“3a”水平，需要“非線性復雜推理”，表示此方案對應的物理科學論證能力水平較高（后文將其稱為“復雜問題”）。

從表2中可以看出，在“簡單問題”的科學論證中，72.2%的文獻達到水平4及以上水平，這說明絕大部分物理教師在面對“簡單問題”時可以進行正確的科學論證甚至可以擴展并聯系其他觀點。但同時，也發現了兩個阻礙科學論證能力的瓶頸，一個是論證意識，有27.8%的文獻停留在了能夠提出觀點的水平1，完全沒有論證的意識，水平2與水平3的文獻數量都為0，這恰恰說明，有科學論證意識的教師，都進行了正確的科學論證；另一個是擴展意識，能夠進行正確論證的文獻，只有很少一部分能夠達到水平5，也就是說，跳出該觀點的局限與其他觀點建立聯系的意識不強。

從表3可以看出，在“復雜問題”的科學論證中，其中5篇有論證意識（等于或高于水平2），3篇可以調用論證所需要的相關知識（等于或高于水平3）。6篇文獻沒有一篇可以完成科學論證。從水平1到水平3相關文獻數量遞增的特征可以看到，水平4成了“復雜問題”論證的一個瓶頸。認真研讀從知網獲取的相關文獻可知，達到水平2和水平3的5篇文獻都存在論證邏輯的問題，尤其是達到水平3的3篇文獻，所調用的相關知識都是正確的，只是由于論證邏輯不正確，最后沒有得到正確的論證結果。這說明，在復雜的問題中，論證邏輯是阻礙科學論證的一個瓶頸。

論證意識的瓶頸問題在“復雜問題”的論證過程中雖不明顯，但也存在。論證意識瓶頸不明顯的原因是，能夠“想到并處理‘復雜問題’的高中物理教師”的論證能力較“想到并處理‘簡單問題’的高中物理教師”偏高。

至此，本研究解決了在“引言”中提到的第一個研究問題，任務解決者（高中物理教師）在進行科學論證的過程中更容易出現的問題，也就是上面提到的3個瓶頸：論證意識、擴展意識和論證邏輯，具體表現為論證意識和擴展意識不強、論證邏輯混亂。

3.2.2 問題可否解決

下面著手解決“問題的提出”中提到的第2個研究問題：論證中出現的問題可否解決。

在文獻統計過程中，本研究也獲取了幾位大學物理教師針對同一問題發表的文章，數據統計與水平評定方法和高中物理教師相同，不再贅述，結果如表4和表5所示。

表4和表5中的文獻數量雖然非常有限，但也可以明顯看出，大學教師不存在論證意識瓶頸，但仍存在擴展意識瓶頸。大學教師不存在論證意識瓶頸問題與兩個因素有關：其一，大學教師一般為碩士或博士，在校學習期間的話語體系中包含論證的情境較多，這就使他們產生了論證意識；其二，大學教師在學術論文寫作的教學工作過程中，也會給學生強調論證意識，在這個過程中也加強了自己的論證意識。對于擴展意識，無論是大學教師還是高中物理教師，都缺乏相關的經歷，也沒有經過專門的訓練，因此表現相似。論證意識和擴展意識屬于相同的意識范疇，大學物理教師和中學物理教師的對比表明論證意識的問題可以解決。這意味著，采用相似的方式，擴展意識的問題也是可以解決的。

在論證邏輯方面，大學教師并沒有比高中物理教師表現得更出色。這可能與我國高校邏輯學教育處于失范狀態、邏輯學通識教育沒有引起廣泛足夠的重視有關^［25］46。邏輯的問題已經發展為一門課程——邏輯學，這門課程是可以學習的。因此本研究認為，論證邏輯的問題也是可以解決的。

至此，本研究嘗試性地討論了“引言”中的問題2，認為論證意識、擴展意識、論證邏輯的問題是可以解決的。

3.2.3 問題如何解決

本研究討論“問題的提出”中的問題3，這些問題怎么解決？要弄清楚論證意識與擴展意識的問題怎么解決，就需要先弄清楚它們是什么。從語義的角度看，高中物理教師缺少論證意識指的是缺少對論證的察覺，沒有發現提出的觀點還需要論證。原因可能是沒有對觀點與證據這兩個概念有一個正確的區分，也可能是有正確的區分但沒有養成尋找證據證明觀點的習慣。擴展意識也有相似的特征。因此，解決論證意識與擴展意識的問題，首先，需要區分和鑒定觀點與證據、本問題與擴展問題的概念。其次，應當加強訓練，養成習慣。邏輯是思維的規律、規則，解決論證邏輯的問題，首先，要區分或然推理與必然推理，區分因果關系中的因與果，區分充分條件與必要條件。其次，可以通過學習關于邏輯學的知識，理清正確的邏輯關系。此外，就是進行必要的邏輯訓練，使之真正可以在處理問題的過程中養成嚴格按邏輯關系分析問題的習慣。針對邏輯學專業教育和通識教育在我國高校處于失范狀態的現狀，可以通過界定邏輯學通識教育教學目標、統一和完善邏輯學通識教育教學內容體系等方法進行改革^［25］48。

4 研究結論與討論

本研究依據圖爾敏論證模式（TAP）構建了同時考慮論證要素和論證過程的“科學論證能力診斷框架”。研究發現，高中物理教師在科學論證過程中存在論證意識、擴展意識、論證邏輯三個瓶頸問題。經過初步分析，本研究認為這三個瓶頸問題都是可以解決的，并給出了解決這三個瓶頸問題的建議。其中，論證意識和擴展意識可以通過加強相關概念并進行必要的訓練來改善，“論證邏輯”可以通過學習補充相關邏輯學的知識和進行必要的訓練來改善。教師論證意識、擴展意識與論證邏輯問題的可解決性，意味著科學論證能力是可以提高的，這與喬納森（Jonathan）等人的研究結論相一致^［9］1015。這也使得本研究的結論與喬納森（Jonathan）等的研究形成了相互佐證，使得本研究所得結論有了更好的有效性。研究結果表明：科學論證能力不能只關注科學論證的要素，還要關注科學論證的過程（尤其是論證過程中的論證邏輯）。任務解決者只有產生論證意識才有可能尋找證據，進行邏輯推理；只有具有擴展意識才能將此觀點與彼觀點建立聯系，才能從更高的視角審視所提出的觀點在知識體系中的位置和作用。

事實上，科學論證能力也用來解決人們在生產生活中遇到的問題。提出觀點的能力是一種創新性思維的表現；論證意識的存在是人們不迷信、不盲從的前提；論證邏輯是行事周密的保障；擴展意識是發散性思維的表現。總之，不論是對于學生還是對于教師，不論是在學習過程中還是在生產生活中，科學論證能力對每個人都具有重要的價值。近年來，論證教學在全球科學教育界引起了廣泛關注。論證教學旨在讓學生通過確立主張，運用多種證據進行論證和相互說服，從而達成學習目標的教學學方式^［26］。顯然，要在科學教育中實施論證教學，教師的科學論證能力也需要提高。本研究的結論指出了科學論證能力的可提高性，并嘗試給出了通過改善論證意識、擴展意識和論證邏輯來提高高中物理教師科學論證能力的建議。這為提高高中物理教師科學論證能力，最終實現學生科學論證能力的提高、發展學生物理學科核心素養提供了理論指導和行動建議。科學論證是高中物理學科的核心素養的重要組成部分，教師的科學論證能力提高為提高學生的科學論證能力提供了保障。

但遺憾的是，很多參加教師專業發展培訓者表示接受最多的培訓內容是教育教學理論、學科教學、教學方法及策略^［27］，缺少關于科學論證方面的內容，尤其是缺少科學論證中有關“邏輯”方面的內容，這不利于其科學論證能力的提升，與當前教師科學論證的能力普遍偏低的事實形成了鮮明的對比^{［6］111，［7］5}，也與教師在課堂教學中不能采用有效的策略引導學生展開論證活動的事實形成了鮮明的對比^［8］126。本研究為提高高中物理教師科學論證能力的可行性提供了理論支持和實踐方案。師范院校和教師培訓部門在教學和培訓的過程中，應當融入邏輯學的知識，以便提升師范生和在職物理教師的邏輯推理能力，進而提高其科學論證能力。

此外，還需著重注意的是，傳統的科學論證能力水平框架只關注科學論證的要素，忽略論證的過程，在采用對話、問卷調查或紙筆測試對被試人員進行科學論證能力測試時，無法發現任務解決者進行科學論證過程中存在的論證意識和擴展意識等問題。這是因為在進行提問的過程中，已經將論證意識與擴展意識等問題遮蔽了。采用文獻研究法對高中物理教師的科學論證能力水平進行研究既有優點又有不足，優點是研究具有客觀性，不足是只能對發表該類論文的高中物理教師進行研究而不能對其他教師進行研究。可是，能公開發表論文的高中物理教師是高中物理教師中的優勢群體。他們的科學論證能力和表達能力均高于全國高中物理教師群體的平均值。他們在論證和表達的過程中，除了充分展示了他們的優點外，也暴露了存在的問題。優勢群體在科學論證過程中所體現出來的問題，對于其他教師群體同樣具有重要的參考價值。

本研究也存在一些不足，如所選的研究對象是能在期刊中發表文章的高中物理教師，使得本研究在解釋高中物理教師在科學論證中“提出觀點”能力研究有效性和普遍性上稍顯不足。另外，雖然進行了盡可能多的相關搜索，但所能找到的選研究對象的數量還是偏少，這對本研究診斷并發現問題雖未產生根本的影響，但其數據比例卻不能理解為在大量數據下統計出的結果與此完全一致，這些統計數據只是表明存在相關問題。

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Research on the diagnosis of scientific argumentation ability of high school physics teachers

YU Yong-gang¹，ZHANG Kang-kang²，XING Hong-jun³

（1.School of Education，Capital Normal University，Beijing100048，China;

2.School of Physics and Electronics，Henan University，Kaifeng，Henan475004，China;

3.Teacher Education College，Capital Normal University，Beijing100048，China）

Abstract Based on the Turmin argumentation model，a diagnostic framework for scientific argumentation ability that considers both argumentation elements and argumentation process has been constructed，which is an advancement compared to the relevant framework in China that only considers argumentation elements and ignores the argumentation process.Further literature research methods were used to investigate the scientific reasoning ability of high school physics teachers.It was found that high school physics teachers have insufficient argumentation consciousness and expansion consciousness，as well as chaotic argumentation logic in the process of scientific argumentation，and attempts were made to provide solutions to the problems.In order to provide reference for improving the scientific reasoning ability of high school physics teachers，to provide reference for the cultivation of high school students’ scientific reasoning ability，and to provide useful inspiration for the curriculum design of high school physics teachers’ professional development.

Keywords scientific argumentation; high school physics teacher; literature research; core competencies

［責任編輯 馬曉寧］