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欧美科学论辩的启示
欧美科学论辩的研究与实践经验对我国科学教育发展的启示
摘要
随着学习科学的发展,学生学习机制的不断揭示,世界各国的科学教育都在发生着深刻的变化。
科学论辩在这场变革中,扮演着重要的角色。
科学教育者和研究者认为科学论辩既是科学教育中不可或缺的重要内容,也是帮助学生深入理解科学本质的有效教学工具。
我国科学教育的工作者们也意识到了发展学生科学论辩能力的重要性,并期待学生通过参与科学论辩活动,可以深入理解科学本质,掌握科学方法与技能,提升科学精神。
然而,科学论辩在我国的发展还处在尝试和探索的初级阶段,在课堂教学中的实践范例寥寥无几,甚而出现异化的现象。
西方的成功实践经验并不适合我国的教学环境。
因而,本文以期通过梳理科学论辩的理论框架,帮助教育工作者对西方实践经验进行批判性地吸收,提出适合我国教学环境和实际需求的科学论辩教学设计的建议。
具体来说,本文回顾了欧美科学教育文献中科学论辩的理论基础、教育意义和实践挑战等内容。
针对我国科学论辩研究和实践的现状,提出了进一步开展教学研究和实践的建议。
随着学习科学的发展,学生学习机制的不断揭示,世界各国的科学教育都在发生着深刻的变化。
这种变化围绕着以知识传授为核心转向发展学生科学素养为核心的改革趋势渗透于各国教育政策,课程标准,教学资源,方法和评测等教育体系的各个环节。
科学论辩在这场变革中扮演着重要的角色,引起了科学教育研究和实践者极大的重视和持续的关注(Lee,etal.2009;Lin,etal.2014)。
例如Lin等人(2014)对科学教育界重要学术期刊上发表文章的分析表明有关科学论辩的文章,在1998-2002,2003-2007,2008-2012的15年间持续跻身世界科学教育界前10的高被引文章之列。
在最近Erduran等人(2015)对在国际科学教育核心期刊上发表的科学论辩相关文献进行系统分析后发现科学论辩的研究在近30年中得到了迅速的发展,并发展出丰富的理论内涵和多样性的实践形式。
宋怡等人(2017)对2016年在美国召开的世界两个最顶级科学教育学术年会之一的NSTA大会研究主题分析中也显示了国际科学教育研究者对科学论辩相关研究的持续关注。
基于对科学论辩重要性的共识,自2000年以来,世界各国出台的教育政策文件中纷纷明确要求在科学教育中开展有关科学论辩的教学实践。
例如,在英国,教育部规定的科学教育教学目标中“观点与证据”(Ideasandevidence)的部分明确列出了与科学论辩相关的要求(DfES/QCA,2004),并在2007年出版的国家科学课程中特别设立与科学论辩相关的专栏“科学的本质(HowScienceWorks)”(QCA2007)。
在新的西班牙国家课程中,基本素养的定义和具体的科学教学目标中都明确强调了关于使用证据和论辩的重要性(西班牙教育部MEC2007)。
在最近美国颁布的《下一代科学教育标准》(NGSS)也明确将科学论证列为科学实践活动之一。
如Erduran等人(2015)在文献分析中所总结的那样,世界各国的科学教育政策在提升科学素养和STS主题中都纷纷强调了科学论辩的重要性,并建立了从政策、研究到教学实践的系统性策略,将科学论辩与日常科学教学进行深度融合(Garcia-Mila,Gilabert,Erduran&Felton,2013)。
在此不一一累述各国科学教育政策中强调科学论证的案例。
本文选取了最早开展科学论辩教学的欧美国家为范例。
顺应国际科学教育的趋势,我国在新一轮科学教育的改革中逐渐重视科学论辩的实践与研究。
在2017年颁布的物理、化学和生物课程标准中都明确地将“证据推理”纳入学科核心素养的范畴。
在物理、化学和生物等中小学课堂也都陆续出现了探索性的科学论辩教学活动。
近年来,以图尔敏论辩框架(Tulmin’sArgumentationPattern,TAP)为基础的教学设计和实践(例如,任红艳和李广洲,2012),以及以论证为基础的科学探究活动(ArgumentationDrivenInquiry,ADI)逐渐兴起。
然而,目前我国针对科学论辩的研究多以理论、观点和介绍为主(例如,潘瑶珍,2010;邓阳&王后雄,2014等)。
因为缺乏对科学论辩的内涵理解和系统性的教师培训,在实践层面的科学论辩活动往往流于形式,甚至出现了异化的现象(任红艳,2018)。
针对这些问题,本文回顾了欧美科学论辩的理论基础和实践检验,以此对比我国科学论辩研究的现状,针对我国科学教育的需求,提出在我国科学教育中开展科学论辩教学与研究的方向性建议。
我国科学教育中科学论辩的研究现状
自从2000年以来,我国科学教育的研究者逐渐关注科学论辩的话题。
如图1所示,根据知网的数据,从2000年以来,以“科学论辩”和“科学论证”为关键词在人文社科中的教育与哲学中搜索,剔除与法律教育和外语教学相关的文献,共得研究文献251篇。
尤其自2015年以来,研究数量迅速增加。
图1.自2000年以来我国科学教育中科学论辩的年度研究发表趋势
对以上的文献进行主题分析,根据知网的主题领域划分,发现大部分的研究为基础理论研究。
其次,我国科学论辩的研究大部分关注于基础教育阶段,只有少数涉及高等教育阶段(如图2)。
图2.我国发表的科学论辩研究文献在不同主题的分布
对文献的关键词进行进一步的归类和统计发现大部分文献以论辩的概念介绍和观点阐述为主,其中尤以建议开展论辩式的科学探究教学活动为最(总计72篇)。
我国科学教育研究者对论辩式科学探究(或ADI)的关注,主要针对目前我国科学探究教育中探究活动徒有其表的问题,研究者们期待通过组织科学论辩的活动提升学生对科学探究的体验(例如,何嘉媛&刘恩山,2012)。
我国学者对科学论辩的关注还源自于对培养学生核心素养的关注(共12篇)而较少建立在科学概念学习(共5篇)和科学本质的理解(共4篇)上。
在大量“论证理论”研究中,关于论辩哲学基础理论的研究只有3篇,且均发表在哲学和社会科学的学术期刊上,而非科学教育或理科教育研究相关的学术期刊。
图3.我国科学教育中的科学论辩发表文献中的关键词分析
我国学者也很关注论辩教学的实践,但发表的文献中多以介绍教学设计方法和提供教学案例为主(共有52篇),鲜有针对教学效果的实证性研究或我国学生的论辩能力特点的研究。
其中,与具体学科教学相结合的案例多以高中理科为主,包含5篇高中物理,5篇高中化学和4篇高中生物的文献。
顺应国际科学论辩研究趋势,我国学者在具体的教学设计中多以图尔敏的TAP(Tulmin’sArgumentPattern)框架(共8篇)和社会科学议题(SocialScientificIssues,SSI)(共13篇)为教学情境。
根据任红艳(2018)对实践研究的分析,发现在我国科学教育中的论辩教学活动出现异化的现象,例如采用不合适的论证议题,或论证活动徒有其表欠缺对论证内涵和过程的教学等问题。
总结而言,我国开展科学论辩教学与研究的出发点和历程与国际经验都不尽相同。
第一,在我国的科学论辩研究中缺乏对科学论辩哲学基础的研究。
第二,与欧美学者关注科学本质和概念学习不同,我国学者更关注通过科学论辩的活动提升学生的科学素养和科学探究活动的效果。
第三,缺乏对我国学生论辩能力和特点的实证研究。
并且目前,我国科学教育中还缺少切实可行地推广科学论辩教学的模型。
因而需要针对我国科学教育的实际情况,根据我国学生的发展需求,设计适合发展我国学生论辩能力的课程和教学活动。
就此,本文借鉴国际科学论辩的相关研究,以期为我国科学教育中发展科学论辩的研究和教学实践提出建议。
欧美科学教育中科学论辩研究与实践的经验
以Erduran等人(Eruduran,etal.2015)和董泽华(2018)关于科学论证的系统性文献回顾为基础,发现在过去30年中,国际科学论辩的研究发展迅速,经历了从注重基础理论发展到关注教学实践的过程。
与我国目前的研究文献相比,欧美等国开展科学论辩实践的范围更全面,覆盖了从小学到大学的各个学段,包含了各个自然科学相关学科,如物理、化学、生物、自然地理等学科,并且开展的形态也更丰富。
回顾科学论辩的国际研究和实践经验,发现其已经形成研究到实践的体系(如图4)。
一方面,以科学哲学和科学社会学为理论基础,科学教育研究者将科学论辩作为科学实践的重要形式之一,成为科学教育的重要内容。
在实证研究的基础上,根据学生的论证缺乏证据支持,并且缺乏辨证和提出反驳的问题,欧美的科学论辩实践多以TAP的论证框架为基础,显性化地教授论证的结构,并多以社会科学议题(SSI)开展教学活动,逐渐培养学生从多角度论证观点和反驳主张。
另一方面,以学习科学的发展为基础,科学教育研究者将科学论辩作为重要的学习途径。
尤其针对学生缺少对科学本质理解的问题,结合科学探究活动,让学生在论辩过程中反思和总结科学方法和精神,了解科学本质。
图4.国际科学论辩研究和实践体系
因而提升我国科学教育中的科学论辩研究和实践,也需要梳理并建立从研究到实践的逻辑体系,开展更有针对性的研究和实践。
避免与已有介绍科学论辩的综述和观点文献重复,本文将针对我国科学论辩研究的现状,回顾国际文献,以欧美国家的经验为主,关注以下三方面的内容:
1)厘清论辩的内涵,2)明确论辩的目的与意义,3)了解影响论辩开展的因素。
厘清科学论辩的内涵
追溯科学论辩的起源,发现其在修辞学和逻辑学领域都有着悠久的发展历史。
随着相关理论的发展,特别是学科交叉研究的影响,论辩的内涵也愈加丰富。
Rigotti和Morasso(2009)考据了论辩相关的文献,指出论辩内涵的多元性,其中涉及的相关学科知识包含了科学学,认知学,社会学,发展和教育心理学,科学哲学和科学社会学。
科学论辩在国际科学教育中的丰富实践积累更进一步发展和丰富了它的理论内涵。
故而在开展科学论辩的研究和教学之前,首先要厘清其内涵。
纵观国际科学论辩的研究文献,发现研究者对论辩(argumentation)所指代的含义并不统一。
本文采用Erduran和她同事的高被引文献(Erduran,etal.,2004)中的定义。
在这篇文献中,作者定义“论辩(argumentation)”为建立论证的过程,而“论证”(argument)是论辩的结果,注重内容。
这个定义也被科学教育者所广泛采用(e.g.,Duschl&Osborne,2002;Rapanta,etal,2013)。
大部分的科学教育研究者认为论辩是一个评估和证明论点,有理有据地提出解释或说服对方的过程(e.g.,vanEemeren&Grootendorst,2004;Kuhn,1992;Nayloretal,2007)。
Duschl和Osborne(2002:
51)指出论辩的核心在于以证据为基础建立和评估解释的过程。
为了辨析论辩的多元内涵,本文将从论辩的目的,参与论辩过程的形式和哲学基础等不同角度对论辩进行分类。
根据科学论辩的目的不同,研究者将论证分为两种,一种是“常规性论证(regularargument)”,另一种是“批判性论证(criticalargument)”。
当论辩过程中用证据来证明一个主张,或者将数据与理论联系起来,往往产生的是“常规性论证”(e.g.,Kulatunga,etal,2013;Mendonça&Justi,2014)。
这种论证多使用通用性的规则或达成共识的理论。
在科学教学课堂中常用的“解释”就属于“常规性论证”的一种,因为对客观现象的科学解释往往是已被认定为事实或被验证的结论。
而“批判性论证”常常用来证伪一个主张,或者评估不同的主张(Jimenez-Aleixandreetal,2004),或者证明不确定的结论(Govier,1987)。
根据论辩过程中参与人数的不同,论辩又分为“修辞性论辩(rhetoricalargumentation)”和“对话性论辩(dialogicargumentation)”。
前者通常是陈述性的论证,例如书面报告,论辩过程只有论辩者自己;而对话性论辩,顾名思义,论辩过程中有持有不同观点的论辩者参与。
修辞性论辩致力于组织证据和观点,组成令人信服的论证,也可视作为一个重要的知识内化的思考过程(e.g.,Kuhn,1992;Driver,etal,2000;Kuhn&Udell,2003;Garcia-Mila&Andersen,2007)。
知识内容和说服力是修辞性论辩的两个主要元素。
对话性论辩则常常伴随着科学课堂中讨论和辩论的教学活动出现。
评估和证明主张是对话性论辩中不可分割的重要部分。
值得注意的是,在对话性论辩中,前提和证明的结论都未必是正确的。
根据不同的哲学基础,论辩可分为“领域特定”(domain-specific)和“领域通用”(domain-general)两种。
领域通用的论辩关注基本的论辩过程和结构。
例如“证据-证明-结论”等基本组成元素和结构是各个领域的论辩所共有的。
这种论辩以图尔敏(Tulmin)的论证框架(Tulmin’sArgumentPattern,TAP)为代表。
无论是历史,法律,语言或科学领域,都遵循这种以证据为基础的论证框架。
(已有中国学者翻译和介绍过,在此就不累述。
例如,任红艳和李广洲,2012)但是,部分学者关注于在论辩过程中所体现的每个领域的不同特点(e.g.,Andrew,2006;Carter,Ferzli&Wiebe,2007)。
基于领域特定的哲学思想,越来越多的科学教育工作者重视让学生们在论辩过程中体验学科本质和不同的思想方法(Duschl&Ellenbogen,2009)。
例如,即便论辩结构相同,但是化学和物理中证明的方法和作为证据的数据来源往往不同。
总结来看,论辩因为目的,形式和哲学基础的不同,有着不同的种类,特征和关注点。
根据以上的分类,我国目前科学论辩的教学实践多采用TAP为框架的论证结构,开展对话性的论辩活动,形成评判性的论证。
然而,科学和科学教育中还有很多不同形式的论辩和论证值得开展研究和教学。
我国科学教育中,根据不同的教学目的和学生学习科学知识的实际需求,应该选择合适的论辩和论证种类开展教学活动。
明确开展科学论辩的意义
随着国际科学教育研究者对论辩的关注和广泛的实践,不同的教育理念纷纷被引入,科学论辩的践行者们赋予了论辩教学丰富的意义。
这其中包含了科学哲学对科学本质的解释,学习科学对学习科学知识的认知过程的揭示,以及社会建构主义思潮对科学知识构建的理解和对教学设计的影响(i.e.Erduran,etal,2004;EvagorouandAvraamidou,2008)。
vonAufschnaiter(2008)将这些对科学论辩的不同取向归纳为两方面,一是“学习论辩Learntoargue”;二是“通过论辩来学习arguetolearn”。
前者强调,论辩是一种重要的科学实践活动和高阶认知能力,是科学教育中的重要内容。
后者则将论辩作为一种有效的教学途径,提升学生对科学本质的理解,概念学习的效果和学生对科学探究活动的参与度(i.e.,Boulter&Gilbert,1995;Duschl&Osborne,2002;Sadler&Donnelley,2006;Zohar&Nemet,2002)。
一方面,科学教育者们意识到科学论辩是科学教育的重要内容之一,提倡在课堂中对科学论辩的过程和方法进行显性化教学,使学生明确掌握使用证据支持论点和给出科学解释的方法(e.g.,Erduran,etal,2004;Kuhn,1993;Garcia-Mila,etal,2013)。
Rigotti和Morasso(2009)对论辩研究的综述发现,论辩在科学实践活动和社会性构建科学知识的过程中都扮演着重要的角色。
例如,科学实践活动中往往使用一个理论对观察到的现象提出解释;科学知识的构建和发展则是科学共同体中的科学家们通过一系列论辩活动共同构建的过程,包括基于实证数据提出或反驳一个假设,互相挑战,评估,修正理论等。
学习科学论辩能让学生掌握科学语言,体会自然科学的语言与其他同学科和日常语言的差别,从而学习科学的世界观和认识论。
另一方面,学习科学领域的研究证明,参与科学论辩教学活动有助于提升学生的认知能力和学习效果(例如Cross,etal,2008)。
基于维特根斯坦的理论,科学教育研究者越来越重视语言在科学学习过程中的作用,例如近年来兴起的“沟通科学(TalkScience)”等教学策略。
论辩活动作为一种有效方式,尤其有助于提升学生对科学认识论方面的理解和概念的学习,理解科学活动的范式和科学语言(e.g.,Gee,1994;Yore,Bisanz&Hand,2003)。
基于课堂实践的研究表明,在参与论辩活动的过程中,学生能够反思与总结科学探究各个环节的过程和方法,从而体会科学知识的认识论本质(epistemologicalbasis),感悟科学精神(Duschl&Osborne,2002)。
明确在科学教育中开展论辩教学的意义,有助于开展针对性的教学设计与研究。
培养学生论辩能力的教学活动需要更明确和清晰地教学指导,让学生掌握科学论辩的方法。
而以科学论辩活动为支架的教学设计,则应该指向科学本质和科学认识论基础,让学生通过参与论辩活动,明确地体验到科学方法的运用和科学知识建构的过程。
目前,我国开展的大部分论辩教学活动缺少明确的教学目的,有些宣称面向科学探究活动和科学素养的活动,却关注在语言层面的论证框架上,而非指向科学认识论。
本文建议在设计或实施论辩教学之前,应该明确教学目的,进行有针对性的教学设计。
影响科学论辩教学活动开展的因素
科学论辩研究者提倡将论辩活动与日常课堂教学相结合。
然而,欧美国家的科学教育界在课堂教学中推行科学论辩的初期也遇到了很多的困难和挑战。
例如1999年Newton和他的同事们(Newtonetal.,1999)发现当时中小学的科学课堂中鲜少提供学生发展科学论辩能力的学习机会。
Berland和Hammer2012年发表了他们在小学六年级的科学课堂中开展的实证研究。
研究表明情况并未得到改善(2012:
2)。
国际科学教育的实践经验证明将科学论辩融合进科学课堂教学的过程面临着许多挑战(i.e.,Jimenez-Aleixandre,Bugallo-Rodriguex,&Duschl,2000;Kuhn,&Udell,2003)。
西班牙的Jimenez–Aleixandre教授(2008)针对科学论辩教学实践,特别指出影响论辩活动在课堂中展开的因素有以下六个方面,包括学生的角色,教师的角色,课程,评价,元认知和沟通方式。
而这六个方面都围绕着学生知识的评价体系,组成一个不可分割的整体。
因而在课堂中推行科学论辩的教学实践需要综合考虑这些影响因素。
传统的科学教育评价体系和部分教学活动的目标并不倡导科学论辩教学活动的开展(Garcia-Milaetal.,2013)。
部分教师认为面向科学知识与技能的学习与科学论辩的教学活动互不相融。
现有的评价方式并不能体现学生在论辩活动中获得的长效的学习益处(VonAufschnaiteretal.,2008)。
因而在外部评价和国家统一课程标准的压力之下,很多教师认为很难在课堂中开展论辩的教学活动。
学生科学论辩能力的评定和科学论辩过程的评价都还缺乏有效的工具和被广为接受的评价标准。
再则,研究表明教师在开展论辩教学时面临着很多挑战。
大部分的教师没有自信也缺乏开展论辩教学的能力(Erduranetal.,2004)。
Zohar(2008)的研究表明开展科学论辩的教学挑战了部分教师的教学理念,也对他们的科学知识基础提出了更高的要求。
目前中小学班级的师生比,也让教师很难提供学生在论辩过程中所需要的个别或小组辅导与支持。
因而,推广科学论辩的教学需要为教师提供丰富的教学资源和提供充分的教师培训的机会(Simonetal.,2006)。
在过去30年的发展中,科学教育研究者设计了丰富的针对教师的培训材料,和可以在课堂上使用的教学资源,例如广为人知的基于TAP的论证写作框架。
针对这些挑战,近年来信息技术的迅猛发展,为科学论辩教学活动的开展提供了更丰富的教学资源,更便利的分析和评价工具,以及更及时的学生论辩活动的支持系统(Evagorou&Avraamidou,2008),例如MarciaLinn教授开发的WISE平台,支持学生更显性化地表达观点和论证过程,协助教师进行评测和学习指导。
目前我国的科学论辩教育实践还处在起步阶段,并以学习和借鉴欧美国家的教学活动为主。
但是正如以上研究所指出的,科学论辩活动开展的学习环境,包含学生,教师,教学资源,评测方式和文化氛围都会影响科学论辩开展的效果。
而我国因为独特的历史文化和科技发展历程,我国科学课堂教学环境与欧美大不相同,我国学生的思维发展过程也与西方学生不同。
因而如何在我国科学课堂教学环境中,开展高效的论辩教学,依然是我国科学教育工作者所面临的挑战。
提升我国科学教育中科学论辩研究与实践的建议
本文基于发表的学术文献梳理了我国科学教育中针对科学论辩开展的研究与实践的现状。
发现在过去20年间,科学论辩已经引起了我国科学教育研究者的重视,尤其是近5年来相关的研究发展迅速。
然而,对比国际科学教育的发展趋势和科学论辩的实证经验,我国在开展科学论辩的研究和实践时还存在着较大差距,特别是在理论基础和实践教学中与国际经验还有较大差距。
借鉴欧美国家在科学论辩教学中发展的历程与经验,本文为提升我国科学教育中论辩的研究和教学实践提出以下建议:
我国的科学论辩研究应夯实理论基础,开展实证研究发现科学教育中的真问题,通过面向设计和实践的研究,设计并总结合适我国学生的科学论辩教学实践。
夯实基础理论研究
根据已发表的文献情况,我国现在虽然有很多科学论辩的理论研究,但是却缺乏真正基于科学哲学和学习科学等方面的基础理论研究,而多以介绍国外研究为主。
这与历来我国科学教育的研究与实践缺少与科学哲学等相关领域的交流与交叉有关。
但科学论辩内涵的多元性,需要我国科学教育工作者与哲学,社会学,心理学等相关领域开展跨学科的开放合作,共同追本溯源,夯实我国科学论辩研究的理论基础。
另一方面,结合我国独特的科技发展历史和社会环境,研究者可以探索东西融合的科学哲学基础,兼收并蓄,为国际科学论辩的研究发展提供新的方向和突破创新的原动力。
开展问题导向的实证研究
目前我国科学论辩实践集中在高中物理、化学和生物等学科;然而欧美国家科学论辩教学实践更广泛地涉及了从小学到大学的不同学习阶段。
面对这样的不同,我国需要开展更系统性的实证研究了解我国学生论辩的能力,了解不同阶段学生的科学论辩能力特征,发展情况和面临的问题,从而根据我国学生的需求,科学地设计有针对性的论辩教学规划和策略。
目前我国科学论辩的研究和实践多面向提升学生科学素养,结合科学探究活动的形式。
然而,实践中往往存在教学目的不清,教学活动流于形式甚至异化的问题。
欧美国家的实证研究经验表明,不同形式的论辩教学活动能分别提升学生对科学本质的理解,和对科学知识的掌握。
欧美研究者更是指出科学论辩的开展应该针对学生缺少对科学认识论理解的问题。
因而我国科学论辩的研究和教学规划也应该以实际问题为导向,针对我国科学教育中面临的真实问题,以实证研究为基础,采用合适的科学论辩活动。
设计合适的科学论辩教学活动
目前我国开展的科学论辩主要用以TAP为基础的论证框架,注重科学探究的结合。
但教学活动的开展形式需要更符合我国科学教育的实际和我国学生思维品质发展的特征。
传统观念认为我国学生与西方同龄人有不一样的思维品质
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