【科学论证视野下的科学教育教学设计模型建构】 建构课教案

科学论证视野下的科学教育教学设计模型建构

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。

参考文献：
[1][11]托马斯·库恩.科学革命的结构[M].北京：北京 大学出版社，2012：5～15，77～92. [2]谢耘.论证，论辩，争论——当代论证理论视域中论 证概念的双重维度解读[J].自然辩证法研究，2007，23（4）：
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//www.merriam-webster.com/dictionary/argumentation.