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科学论证取向的实验教学 探索 ∗ ∗
季薛庆
摘要：
季薛庆
摘要：如何促进学生科学论证能力的发展已经成为科学教育界关注的一个课题。本文在明确论证的含义、阐明论证在科学课程中的价值的基础上，根据有关论证理论，以九年级科学中“物质鉴别”实验教学为例，设计科学论证取向的实验教学。然后分析、比较了科学论证取向的实验教学和传统取向的实验教学之间的差异，并简述科学论证取向教学实践所带来的启示。
关键词：科学论证、实验教学
一、论证在科学课程中的价值 论证的含义包括个体意义与社会意义两方面。个体意义上，论证是使用推理、理论观点和经验证据来辩护知识主张的过程；社会意义上，论证是不同个体之间的争论或讨论知识主张的过程。
[1] 过去十几年来，教育和心理学家越来越关注论证，认为论证是促进概念理解和批判性思维能力提高的一种方法。越来越多的文献显示，学生的论证品质和他们的学习、概念转变有关。
[2] 从当今科学事业的本质角度看，论证是科学家的一种核心活动。如果要正确描述科学社会活动，就要给予论证一个重要的位置，这是理解科学与提高科学素养所必须的。
[3] 联系证据和理论的分析与论证是科学的重要特征，科学家需要会检查、评述、评价他们自己的知识和观点并相互评论。
[4] 从认知心理的角度看，论证是一种基本的科学思维技能。
[5] 总之，论证在科学教学中有三方面功能：理解科学本质（特别是针对社会科学问题），培养学生成为合格公民；理解科学知识；发展你高层次思维能力，尤其是论证能力。
[6] 最近出版的《K-12 科学教育框架》（美国），明确提出“论证”这一科学教育目标：到了十二年级，学生应该会提出科学论证，说明资料如何支持主张；识别自己论证中的错误并针对别人的批评修改与完善自己的论证；认识主张、资料和理由是科学论证的主
∗ 本文是国家社科基金教育学一般课题“我国科学教育的历史发展与价值转型研究”（批准号：BHA100056）成果之一。
2要特征，并在具体事例中区分它们。
[7] 我国科学课程标准虽然没有直接提出论证教学目标，但是，关于科学探究的达成目标的陈述中讲到：“将证据与科学知识建立联系 ，得出基本符合证据的解释；能倾听他人提出的不同观点和评议，并交换意见。” [8] 实际上这也是论证的具体表现。另外，鉴于科学论证在科学探究或科学知识建构中的重要作用，为了促进我国学生科学素养的提高，培养学生形成一定的科学论证能力也应该是我国科学教育的一个目标。
研究显示，学生的科学论证能力的提高必须通过具体的论证教学，使学生有机会参与论证活动。明确的论证教学（explicit instruction， ，学生参与具体的论证活动，并有明确论证教学目标的教学。）能促进学生对科学概念的理解、有益于学生论证能力的提高。[9] 把论证能力的提高看成是平常教学的一种必然结果，一种自然效应。这一观点已经被有关实证研究所否定。例如，中学生遇到有关社会科学问题时，不能做出合理的论证。他们在社会科学问题中的论证困难表现在对证据的错误评价、幼稚的科学本质观和不合理运用价值推理。
[10] 因此，如何设计论证教学，培养学生形成一定的科学论证能力，无疑也是我国科学教育应该面对的一个重要问题。下面以义务教育九年级科学中物质鉴别的学生实验为例，设计体现科学论证的教学。
二、论证取向的实验教学设计 1
（一）设计依据与目标 很多研究都运用图尔明的论证模式（ATP）来设计科学课程中的论证教学，或者评价学生的论证品质。TAP 包含六个论证元素：宣称（claim），指论证中提出的主张；资料（data），用来支持宣称的事实；根据（warrant），用以判断资料是否合理地解释宣称，可能是规则或原理；支持（backing），增强支持理由接受度，整体说明资料、理由与宣称；限定（qualifier），解释资料的理由强度的限制，相当于辅助性假设；反驳（rebuttal），反驳结论的例外，也相当于辅助性假设。[11]
最近有人根据 ATP 提出一个新的论证模式，作为设计论证取向实验教学的一个理论基础。这一论证模式由宣称、证据和推理三者构成。宣称是针对研究问题的结论、猜测、解释，或者其它答案；证据指用于支持宣称有效性或合理性的观察或测量，显示现象随时间的变化趋势、不同目标或组别之间的差异、不同变量之间的差异；推理是阐明证据为什么支持宣称，如何支持宣称。推理解释了证据，而证据为推理提供辩护。
[12] 三者关系如图 1 所示：
1 本文所说的实验指学生实验，不包括教师的演示实验。
符合证据
支持宣称
辩护推理
解释证据
图 1：科学论证框架
由图 1 所示的科学论证框架，论证取向的实验教学设计要体现论证中声称、证据和推理三个成分。学生在鉴别物质过程中，他们提出的鉴别方法和理由相当于论证中的宣称；观察到的现象相当于证据；根据观察得出结论的过程相当于推理。
根据前面提到的美国《K-12 科学教育框架》中科学论证的教学目标，以及论证的含义（论证是使用推理、理论观点和经验证据来辩护知识主张的过程；论证同时也是不同个体之间的争论或讨论知识主张的过程。）。因此，论证取向的实验教学要体现科学论证的两方面主要特征，论证的个体意义和社会意义。论证的个体意义通过学生运用原有知识和技能设计实验方案、提出观点，然后利用收集到的证据进行推理，阐明资料如何支持自己提出的观点等活动来表现。论证的社会意义表现在不同学生互相辩论与协商上，针对对方的观点、实验方案、实验结论与推理过程提出质疑或支持，互相检查实验报告等。
（二）教学过程 宣称 针对研究问题的结论、猜测、解释，或者其它答案
证据 观察或测量，显示现象随时间的变化趋势、不同目标或组别之间的差异、不同变量之间的差异。
推理 推理是解释证据为什么支持宣称，如何支持宣称。
4论证取向的物质鉴别教学过程由六个步骤构成，分别是任务准备、问题产生、实验与辩论、总结与反思。
1.任务准备：教师选择具体的实验内容、准备实验器材、撰写教学计划等。实验内容是鉴别三瓶无色透明溶液，其中两瓶分别是食盐水和苏打水，另一瓶可能是石灰水。实验内容的选择主要考虑问题能引起学生的争议，而且存在解决争议的多种方法。
2.问题产生：有三瓶透明无色溶液，其中两瓶分别是食盐水和苏打水，另一瓶可能是石灰水。最多给你一种试剂，你用什么方法鉴别它们？（实际给学生的不是石灰水，而是氢氧化钡溶液，它的性质和石灰水类似。）学生分成若干小组，组内成员讨论，每组至少提出两种方法。并把想出的方法和理由写在实验活动单上。
根据学生讨论结果，选择其中四种鉴别方法。例如，分别采用二氧化碳（用玻璃管向待鉴别液体吹气）、稀盐酸、碳酸钠溶液和氯化钡溶液，每组学生使用其中一种方法进行实验。鉴别出来以后，贴上相应的标签。
（教师）科学家的研究结论，要接受其他科学家的检查与评价，才能获得广泛的承认。我们虽然得出了结论，但是仅仅运用一种方法做一次实验，得到的结论可能不可靠，怎么办？ 各组互相交换实验活动单和初步鉴别出来的三瓶溶液，用另外一种方法再鉴别一次。然后在对方的实验活动上写上评语。学生的检查与评价结束后，教师提出新的问题：现在你们确定其中一瓶就是石灰水吗？如果你肯定是石灰水，说出你的理由；如果你认为它可能不是石灰水，也说出你的理由，然后猜测它究竟是什么物质，说出你的猜测依据。
3.实验与辩论：针对上述问题，学生分别陈述各自的理由，辩护自己的观点，反驳对方的观点。如果学生陈述理由时有困难，提示他们从酸碱盐的可溶性、颜色、气味、酸碱性等角度思考。在学生形成两种对立的观点后，启发他们用真的石灰水做一个对比实验，以解决双方的争论。
实验显示不是石灰水之后，教师指出它是一种常见化合物的水溶液。为了确定究竟是什么物质，学生又进行猜测与辩论。提示学生查阅课本“酸碱盐溶解性表”，而且它的性质和石灰水相似，但又不是石灰水。学生在辩论过程中排除别可能性，最后想到几种常见的钡的化合物。为了确定具体是那种钡的化合物，学生再次设计实验收集证据，最后对结论做出的解释。
4.总结与反思：
通过思考或讨论下列问题进行总结与反思：（1）通过这次实验，你认为在科学探究时我们应该怎样去支持或反驳一个观点？（2）经过多次重复实验得出的
结论一定正确吗？这次实验中，我们最后认为第三种液体是氢氧化钡溶液，这一结论有可能被推翻吗？为什么？（3）这次实验你学到什么新的知识和方法？ 三、传统取向的实验教学 以物质的鉴别为例，传统取向的实验教学过程可划分为四个环节：复习相关物质的性质，教师讲述实验方法，学生实验操作，得出结论并填写实验报告单，教师检查与评价。实验内容主要有两种类型，一种给出大致实验步骤，学生按照给出的步骤操作。另一种只提出鉴别的问题，要求写出鉴别方法，但是不进行实际的实验操作。如例 1 和例2 所示。
例 1:完成表 1 所列物质的鉴别。
表 1:几种物质的鉴别 被鉴别物质 所用试剂 现象与结论 有关化学方程式 稀硫酸和稀盐酸
烧碱溶液和石灰水
例 2:有四包白色固体，分别是硫酸铜、氯化钠、硝酸钾、氢氧化钠，请通过实验加以区别。
无论哪种类型，教师评价的重点是学生是否知道被鉴别物质的主要性质，能否写出化学反应方程式。至于实验结论有什么证据支持、证据又是如何支持结论、学生是否区别观察到的现象与推断出的结论等，不是教学关注的重心。
四、两种实验教学的比较 （一）教学目标上的差异 传统取向的实验教学中，很多时候学生只是按照教师或实验活动手册规定的实验步骤与内容操作一遍，观察现象，与课本上的描述对照。或者根据测量的数据，做一些数学处理，说明几个量之间的关系。学生实验的主要目的是加深对科学事实的印象，促进概念理解，巩固科学知识与练习实验操作技能。有时在实验室里学生仅仅重复一遍教师的演示实验。因此，传统的实验教学往往变成科学知识教学在数量或强度上的增加或补充。
论证取向的实验教学目标是多维度的。鉴别物质的过程是通过实验收集证据，基于证据做出推理，辩护自己提出观点的过程。因此，鉴别物质的过程本质上是一种科学论证活动。实验中学生鉴别出的结果要接受别人的检查与评价，类似于科学家验证或检查
6同行的研究；辩论促进学生之间的交流与互动；总结与反思是进一步理解实验原理、科学探究本质的过程。
首先，由于可以运用多种鉴别方法，涉及许多物质的性质，因而有利于学生理解相应的科学知识。其次，为了鉴别一种和石灰水有某些共同性质的液体，学生提出不同猜测，然后陈述各自的理由。接着通过实验收集证据，利用证据解决分歧，达成一致的主张。通过这一过程培养学生的科学探究能力与论证能力。其次，最后的结论不是直接在实验中产生，实验是获取证据的一种手段。实验之外，还要加以辩论，通过推理联系主张和证据。因此整个活动过程体现了科学知识的社会建构特征。而且教师实施明确的科学本质教育，指出：虽然我们经过多次实验，大家得出一致的结论，但是仍然有被推翻的可能；科学家的研究结论要经过同行的检查与评价，才能被广泛接受；等等。所有这些帮助学生理解“科学是关于目前理解自然系统的一种知识体系，也是建立现有知识体系，并不断扩充、完善、修改知识的过程与方法。” [13] 第三，突出科学探究方法。为了判断一种液体不是石灰水，比较简便的方法是用石灰水做一个对比实验。这里的对比实验和控制变量的对比实验不一样，学生对控制变量的对比实验比较熟悉，但不知道比较“真”与“假”也是一种探究方法。为了鉴别与石灰水有某些相同性质的液体，先找出所有可能的物质，然后逐个排除，留下可能性最大进行实验。也是常用的探究方法。
（二）教学观上的差异 传统取向的实验教学中，教师讲述实验方法与原理，教师把自己的观点传递给学生，是单向的信息传输。学生根据教师所讲和教材规定的具体内容进行操作。观察结果和实验数据呈现的规律都要求与课本一致，如果实验中出现的新的现象与异常，一般归咎于实验误差或错误。学生被看成是工厂里的工人，按照事先确定的程序加以反复的训练。教学的结果是学生只能复述现成的实验结论，按照现成的步骤去实验。无法解决现实情境中的问题。因此，传统取向的实验教学反映了“教授主义”的观点：知识是关于世界的事实以及问题解决的程序的集合（陈述性知识和程序性知识）；教育的目的是把这些知识传授给学生；教师是大量陈述性知识和程序性知识的持有者，他们的任务是把这些知识传授给学生；检查教育是否成功的方法是测试学生获得多少陈述性知识与程序性知识。[14] 论证取向的实验教学传递了建构主义教学观。教师的作用不是向学生传递自己的观点，而是设置学习环境，给学生提供脚手架，实现知识的意义建构。论证取向实验教学中的任务准备环节，教师了解学生现有的知识经验，根据学生的原有经验选择实验内容
与问题设计，促进学生在原有认识基础上进行意义建构。另外三个环节给学生创设对话的环境条件，通过对话进行意义的建构。论证取向实验教学中的物质鉴别，学生做的不是重复课本结论的练习，而是面对一个与他们原有思维定势冲突的问题，很多学生根据“二氧化碳能使石灰水变浑浊”推出“与二氧化碳反应出现白色沉淀的溶液肯定是石灰水”。这类问题容易引起学生的争议、辩论。
（三）科学哲学观上的差异 传统取向的实验教学最主...
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