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标题 科学论证视野下的科学教育教学设计模型建构
范文 任宁生+邓小丽




摘要：科学论证近年来在国际上受到了广泛的重视。从论证与科学论证的定义和要素出发，分析科学论证与科学知识增长的关系，并据此设计科学论证取向的教学设计模型，以期帮助一线教师设计教学提高学生的论证能力进而提高学生对科学本质的理解。
关键词：科学论证；科学本质；模型建构；科学教育
文章编号：1005–6629（2016）4–0014–05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
纵观科学发展的历史，科学是通过科学家个人或科学共同体内的论证过程实现的，这也是科学革命的基本特征[1]。如果能够将科学论证贯彻在教学中，可以帮助学生理解科学的本质，国外的课程改革都已经关注到了这点，例如美国在下一代科学标准[Next Generation Science Standards（NGSS Lead States 2013）]里也已经将论证练习作为培养科学家活动的中心环节。在英国国家科学课程（National Science Curriculum）已经明确提出了学生需要知道更深层次的科学知识的意义：科学观点是怎么提出的，修改的，评价的，这些都是通过论证环节得出的。所以，论证取向的教学应该会得到越来越多的重视。在此背景下，本文意图建构教学设计模型，帮助一线教师在此模型基础上完成科学论证取向的科学学科教学设计。在建构模型之前，首先需要搞清楚科学论证。
1 从论证到科学论证
传统逻辑将论证（argumentation）理解为一种“前提-结论”式的命题序列，认为其为一种语句、命题或陈述的集合或序列（a set/consequence/ group of sentences/propositions/statements），并展现为一种前提（premise）和结论（conclusion）的结构[2]，前提被看做是为结论的真提供了支持或理由[3]。这表明论证是有一个严格的结构的，在这个结构中，最少存在前提和结论两个关键要素。在这个要素中，前提作为结论的理由，需要有事实作为依据才具有可信度，所以，论证的要素又可分为事实、理由及结论。
从词源学的角度分析，在《现代汉语词典》中，“论”的解释是分析和说明事理[4]。由此可见，“论”主要强调对事物的分析，从而说明事理。“证”的解释是用人物、事实来证明[5]。从这个定义可以看出“证”首先需要有事实，其次根据事实进行证明。将两个字整合后，论证首先是一个分析判定的过程，这个过程还需要有事实作为分析的基础，其次，分析判定还需要有目的，即为证明道理。连接事实和事理的则为整个论证中至关重要的证明过程，论证总包含“按道理”的方面——摆事实讲道理，即使拿出了事实，还需要证明过程才可以构成完整的论证[6]。所以，论证过程需有三个关键要素，分别为事实和事理，以及连接事实和事理的证明过程。
综上所述，无论从西方的逻辑学出发，还是从论证的词源学角度出发，分析得出论证都是由事实、事理（或结论）以及连接事实与事理（或结论）的理由三个要素组成。首先，事实指的是事情的真实情况，其中，“真实”意味着是客观世界中完全没有经过加工的事实，这些事实仍然有很多，并不是所有的事实都能用来解释事理（或结论），能够用来支持观点的那部分事实或数据（即证据）才能用作论证的基础。其次，事理作为论证的目的，指的是事物的道理，是在论证中经过推理后的结果，也是论证的目的。表示结果和目的的词语不止“事理”一个，所以可以使用类似的词来代替“事理”，其表达的意义是一样的。
韦氏词典（merriam-webster）中认为论证（argumentation）是建立理由和得出结论的过程[7]。根据此定义可知论证是一个过程，而这个过程包括了两个部分，第一个部分是建立理由的过程（the process of forming reasons）；第二部分是得出结论（the process of drawing conclusions）的过程。在第一部分中，建立理由的过程实际上也需要使用事实作为基础，只有寻找到能够用于解释的事实才能建立起理由。第二部分得出结论的过程，这个过程需要用一个陈述句表达之前推理的目的（或结果）。该定义与上述对论证的分析是不谋而合的。
除了词典的定义之外，学者从不同角度对论证的定义也都包含着三个关键要素，而且大多也是使用了证据、观点和推理作为要素的描述。例如比尔格（Billig）认为“论证”同时具有个人性和社会性的意义。个人性的意义是指经过严密思考的合乎逻辑的论述，即研究者经过权衡、评估、选择各种不同理由之后而推论出自己的观点，再利用实证的证据或是其他来源的资源来支持自己的论点。社会性意义是指在对某一问题持相反观点的人之间的争辩与讨论，也就是说服别人的过程[8]。希斯蒙都（S. Sismondo）认为论证含有论争的成分，是在证据的基础上，说服同行或者其他人的一种活动。上述对论证的定义中都强调了依据证据通过推理证明观点的过程[9]。
论证分为很多类别，例如法律论证、数学论证、科学论证、政策论证等[10]，科学论证作为论证的一个类别，应该具有上述的三个要素。同时，科学论证发生在科学的进程中，因而，必定体现科学的性质。科学论证首先仍然是一个分析的过程，而这个过程分为两步，第一步是寻找证据的过程，这一步实际上就是寻找分析推理的基础，在科学中，能用于推理的事实（即证据）可以作为论证的基础；第二步是使用证据分析推理得到观点的过程，这一步实际上是实现论证的目的，在科学中，论证的目的是为了验证科学家的观点（或者理论、假说或者想法）。所以笔者根据上述分析，认为科学论证是试图在证据的基础上，为了说服自己或同伴，使用推理证明一些模棱两可的不确定结论的过程。其中的关键要素可以总结为：证据、观点和推理。
2 科学论证与科学知识增长
根据上述对科学论证的分析，科学论证中的观点不是确定的最终的真理，而是可以推翻的。正是这种结论的不确定性，说明结论可能是正确的，也可能是不正确的。所以推理过程并不仅仅只有证明结论这一种过程，还有反驳结论的过程。这个反驳的过程在科学知识的增长中是非常重要的，科学发展的整个过程都存在论证过程，其中反驳结论的过程则促进了科学知识的增长。
在科学发展中，任何科学观点的转变都不是一蹴而就的，随着科学技术和科学方法的进步，客观世界的证据不断被丰富，原先的观点渐渐不能解释新的证据，这时反常就出现了，当这种反常积压到一定程度时，原先观点所引导的范式就会崩溃，科学家会根据证据归纳或推理出新的观点，从而引发范式转变[11]，使用这个新的观点指导新的研究范式。但是在没有达到转变的临界值前，发现的新证据多是用于反驳原先观点，即证据用于证伪。而当反常证据积累到一定程度后，科学家认识到原先观点已经不能解释证据时，则在新的证据基础上，提出新的观点以适应新的证据，即证据用于证明。所以整个科学知识的增长其实是在范式转变中不停地发展的，而这个范式转变是在不断的论证过程中引发的。综上所述，笔者将科学知识的增长过程用图1表示。

在科学上，当一种解说自然界如何运作的观点（或者理论、假说、想法）提出后，为了证明这种观点（或者理论、假说、想法）是否合理，科学家们必须寻找证据来支持这种观点（或者理论、假说、想法）。当证据支持这种想法时，被称为正推论；当证据不支持这种想法时，被称为驳论。在图1中，每一个三角形表示关于一个观点的正推论过程。随着科学技术的发展，科学家对自然世界的认识越来越深刻，证伪该观点的新证据也不断出现，于是科学家们将否定原先的观点，而建立新的能够更好解说自然运作的新观点，如此，新技术不断更新，新证据不断出现，旧观点不断被推翻，新观点不断出现。这就是科学的历史进程，也是科学知识积累的过程。
3 科学论证取向的教学设计模型构建
“科学知识增长过程简图”，即图1能够很好地反映出科学知识的增长过程。它所呈现的两个部分，即三角形内的论证过程和整个科学发展过程中的论证循环过程能够帮助学生很好地理解科学本质。据此，笔者将该图作为构建科学论证取向的教学设计模型的基础。
首先，在三角形内的论证过程中，教学主要围绕三个要素展开，即证据，推理和观点。在这三个要素中，观点的形成主要有两种方式，一种是根据客观经验归纳出来的猜想，一种是在整体把握了证据的基础上，对证据加以分析推理才能形成，这都需要学生具有较强的逻辑思维能力。在教学开始之前，学生的逻辑分析能力还较难形成观点，所以在教学中可以直接呈现出观点，主要培养学生的证据意识和推理能力。为了证明观点的正确性，需要证据和推理。在证据方面，由于一方面，学生没有充分的时间寻找与教学内容相关的证据，另一方面，学生寻找的相关数据不一定能够很好地切合教学需要，所以较为妥当的方法就是将众多可能用到的证据给学生，让学生从中寻找即可。在推理方面，学生可运用自己的理解，构建证据与观点之间的联系。整个论证过程可概括为支持观点的推理建立在证据的基础之上[12]。
其次，从整个科学发展的角度看，教学过程应该从推理入手，将每一个小的论证过程串联成整体的循环过程。论证中的推理过程可分为两类，一类是证明过程，一类是反驳过程。证明即是在证据的基础上证明（或提出）新观点的过程，而反驳过程即是根据新证据对原先观点的反驳，科学知识正是在这种反驳与证明中不断发展的。
据此，可以将该教学流程设计成下图所示的模型。

根据上述模型，科学论证取向的教学过程主要分为四个部分。第一为寻找相关证据。即要求学生从科学史的小故事中提炼出与各自观点有关系的证据，成为有效证据。在上课之前，可以给学生提供与教学内容相关的科学小故事，例如质量守恒定律教学中，呈现俄国化学家罗蒙诺索夫以及之后拉瓦锡燃烧锡金属并称重的小故事，让学生事先阅读小故事，对教学观点有个初步的认识的同时，让学生在故事中寻找出与之相关的证据。
第二部分为使用推理，解释证据，即使用上一步提炼出的有效证据来解释观点，自己构建证据与观点之间的联系。在教学中，可以将学生根据教学中可能出现的不同观点进行分组。例如原子结构的教学，可以根据其发展过程中出现的主要观点进行分组，分为道尔顿的实心球模型，葡萄干面包模型及卢瑟福的行星模型。在分组的情况下，学生可以小组讨论，将上一步从故事中提取出的证据与教学中的观点构建起联系，用证据解释观点。在上一部分中，学生只是对证据和观点有一个初步的认识，而这一步需要学生在理解的基础上对证据加以解释，学生对教学知识的理解会更进一步。
第三部分为辨认出哪些是用来正推理，以支持观点，哪些被用来做驳论，来反驳观点。即将上一步的推理过程分为证明各自观点及反驳之前观点两个类型。在教学中，教师可以让学生在原先的解释话语基础上，将推理的过程分为证明过程和反驳过程。例如在燃烧与灭火教学中，可以根据拉瓦锡做的氧化汞的实验，通过定量测定反应前后容器质量变化，发现反应前后质量没有发生变化的事实，分析得到实验中金属汞是与氧气化合得到了“煅灰”（即氧化汞），即金属+氧=煅灰（氧化物），但是原先燃素说认为的是：金属加热变红，产生明亮的火焰，这是因为燃素跑掉了，剩下的残渣叫做煅灰，即金属-燃素=煅灰。这就推翻了燃素说。之后拉瓦锡又做了磷燃烧、硫燃烧等实验，发现反应前后的质量没有太大变化，根据这些实验结果归纳分析，提出了他自己的燃烧学说[13]。这个过程中推翻燃素说即为反驳过程，而提出自己的燃烧学说的那些推理过程即为证明过程。这一步的目的就是让学生将上一步的推理过程分为正推理和反驳过程，让学生能够有意识地认识到证据的不同推理过程。
第四部分把握整体论证，理解科学发展，即将科学观点的发展联系起来，而这个联系就是通过上一步的区分正推理和驳论中用于反驳观点的推理来实现的。在教学中，为了进一步让学生理解科学观点的发展过程，可以让学生在上述证据和推理的基础上，对观点进行整合。例如某科学家通过×××证据证明了（提出了）×××观点，其他科学家通过×××证据反驳了这个观点，又根据新的证据经过推理提出了（证明了）×××新的观点。
4 科学论证取向的教学设计意义与启示
依据上述模型设计的教学，可以帮助学生提高论证能力，并进而理解科学本质，细化来看，可以培养学生的科学思维，理解科学发展的过程，使学生在科学活动的实践中感知科学文化。
4.1 教学设计模型可以培养学生的科学思维
学者对科学思维的界定有所区别，库恩（Kuhn）认为科学思维是理论和证据的协调，其中包括清晰阐明一种理论的能力、理解用来支持或者反驳观点的证据的能力，以及在不同证据中选择合适证据解释观点的能力。认为这些技能集合是“定义科学思维的最中心、最本质与最普遍的技能”[14]。上述的概念界定，也强调了科学思维是基于大量客观证据，加上科学家的合理推论得到观点的过程，而这个过程正是与论证的概念不谋而合的。
为了培养学生上述的科学思维，胡卫平认为科学思维主要遵循着提出问题、搜寻事实、捕获信息、立论解释的程序[15]。库恩（Kuhn）认为科学思维有两个阶段，分别是研究和推论阶段。在研究阶段，科学共同体或个人设计实验收集数据，用以支持某个立论；在推论阶段，科学共同体或个人将得到的数据或实验结果解释为支持或拒绝立论的证据，并在必要时，提出新的观点[16]。综合上述对科学思维的步骤描述，笔者发现，学者认为的科学思维的过程都是与论证的关键要素紧密相连的。例如在胡卫平老师的步骤中，提出问题即为论证要素中的观点，搜寻事实，捕获信息则强调了要素中的证据意识，而最后的理论解释则为论证中的推理能力。而在库恩的解释中，研究阶段则为收集证据的阶段，而推论阶段实际上则是推理的阶段，推理得到的观点则与论证中的观点这个要素类似。
综上所述，本文基于论证三要素及科学发展历程的教学设计模型与上述培养科学思维强调的步骤是不谋而合的，所以可以培养学生的科学思维能力。
4.2 教学设计模型可以促进学生对科学知识发展的理解
科学本质中非常重要的一个部分就是对科学知识的理解。科学知识本身可以从7个方面进行理解：（1）科学知识并不是一成不变的，而是试探性的知识，可以根据新证据进行修改；（2）科学知识是经验基础的，这说明任何科学发现都是来自于或部分来自于科学家对自然界的观察；（3）科学知识是主观的，科学知识是有理论依据的，需要个人或者科学家团队对现象的解释；（4）科学知识需要科学家的介入，即需要科学家对于现象的解释；（5）科学知识必须是在一定文化背景下的社会性的知识，绝不是孤立的知识，科学的发展是受到社会文化的影响的；（6）科学知识必须区分现象和推论的关系；（7）必须区分和理解科学理论和科学定律的关系[17]。
这7个方面其实也体现在了上述模型中，随着时间推移和科学的发展，科学知识都是以经验或证据为基础的，但是科学家要经过推理，从而不断反驳原先的科学知识，进而支持新的科学知识，这也正体现了科学知识的不确定性，并不是一成不变的，而整个论证过程都需要在科学共同体内通过论证完成，体现了其社会性。这些都体现了上述对科学知识的认识，所以笔者认为，科学论证取向的教学设计可以促进学生对科学本质的理解。
4.3 教学设计模型帮助学生在科学活动实践中感知科学文化的行为准则、思维方式、科学方法
科学文化是一个很抽象的概念，其内涵众说纷纭。其中李醒民教授从词义分析出发，认为科学文化是科学人（man of science）在科学活动中的生活形式和生活态度。科学文化以科学为载体，蕴含着科学的禀赋和禀性，体现了科学以及科学共同体的精神气质，是科学的文化标格和标志[18]。从这个概念上分析，不难发现其实科学文化就是科学共同体在科学活动中的生活状态[19]。在这种状态下，集中体现了行为准则、思维方式、科学方法等。
科学论证的教学可以帮助学生在科学活动的实践中感知科学家的这些文化。在论证中，学生之间需要形成科学共同体，在教师的指导下，对客观证据加以讨论，抉择出最适合的证据支持自己的观点。这个过程恰好也是科学家在科学活动中的探究过程，所以如果教师加以引导，学生不仅可以在自主探究的过程中学习到论证过程中包含的科学知识，而且可以在阅读最初故事文本中体验科学家的行为及行为准则（例如科学共同体内通过论证形成的判断和评价观点的准则，如对证据的客观性原则[20]）、思维方式[21]（例如基于大量证据基础运用推理解释和证明观点的思维模式及批判性思维）与科学方法（例如使用不同的推理方式解释观点）等。
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更新时间：2024/12/23 2:48:34