科學(xué)建模與科學(xué)論證整合的教學(xué)模式述評

弭 樂 郭玉英

(北京師范大學(xué)物理學(xué)系，北京 100875)

*通訊作者： 郭玉英，女，博士，教授，主要從事物理課程與教學(xué)論研究.

2010年,Cavagnetto對54篇論證教學(xué)文獻進行研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)科學(xué)論證教學(xué)策略可分為3類:[6]結(jié)構(gòu)式、科學(xué)社會式和滲透式．結(jié)構(gòu)式教學(xué)策略與具體內(nèi)容和探究活動分離,單純教授論證結(jié)構(gòu),并要求學(xué)生在不同的解釋活動中應(yīng)用論證．科學(xué)社會式教學(xué)策略利用社會和科學(xué)的交互作用來學(xué)習(xí)科學(xué)論證,強調(diào)了社會(包括政治、道德、倫理等)對科學(xué)的影響．滲透式教學(xué)策略將論證作為一種工具,幫助學(xué)生構(gòu)建、理解科學(xué)規(guī)律和科學(xué)文化實踐活動．Cavagnetto認(rèn)為滲透式教學(xué)策略完全符合科學(xué)教育實踐,是最有希望培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)的論證教學(xué)策略．SNP模式(Science Negotiation Pedagogy,簡稱SNP)是美國最新提出的一種整合建模和論證過程的滲透式教學(xué)模式.它基于學(xué)科核心概念提出問題,采用口頭論證、寫作與反思論證等方式,圍繞模型建構(gòu)逐步深入地展開論證過程,將建模和論證有機結(jié)合,在促進學(xué)生科學(xué)能力發(fā)展的同時深化對學(xué)科核心概念的理解．SNP模式依據(jù)模型闡釋了科學(xué)論證多方面的本質(zhì),能夠?qū)茖W(xué)論證過程進行充分的描述和解釋,為判斷論證的質(zhì)量提供了明確的參考點,因此該模式創(chuàng)設(shè)了一種全面、有效的評判視角,完善了對論證質(zhì)量的評價．本文介紹SNP模式并結(jié)合教學(xué)主題展開理論探討,供我國科學(xué)教育中的建模和論證教學(xué)參考借鑒．

1 SNP教學(xué)模式簡介

1.1 研究基礎(chǔ)和理論框架

2013年美國明尼蘇達大學(xué)(the University of Minnesota,簡稱UMN)STEM教育中心研究員Chen等基于NGSS對論證實踐的要求提出了NC教學(xué)模式(the Negotiation Cycle,簡稱NC)．[7]該模式將論證作為理解科學(xué)核心概念和參加實踐活動的工具,幫助教師將科學(xué)論證引入科學(xué)課堂．2016年Chen等將建模要素融入NC模式,同時參考了SWH教學(xué)模式(the Science Writing Heuristic approach,簡稱SWH)[8]和ADI教學(xué)模式(the Argument-Driven Inquiry,簡稱ADI),[9]經(jīng)過整合提出SNP教學(xué)模式．SNP模式包含了SWH模式和ADI模式中的初步構(gòu)建論證環(huán)節(jié)、論證環(huán)節(jié)和寫作環(huán)節(jié),以及NC模式和SWH模式中查找資源環(huán)節(jié)．Lemke(1998)指出科學(xué)家并不是單純從口頭上建構(gòu)和批判觀點,[10]他們還需要書面表明這些觀點,揭示事件和論證模式以及在科學(xué)規(guī)范中連接和定位觀點．[11]因此,Chen等將口頭論證和寫作論證同時納入SNP模式．為了證明口頭論證和寫作論證協(xié)同作用的效果,2016年Chen等開發(fā)了包含4種讀寫模式的分析框架： 僅對話(Talk only)、僅寫作(writing only)、依次進行對話和寫作(use of talk and writing in sequence)以及同時進行對話和寫作(use of talk and writing simultaneously)．結(jié)果表明,隨著時間的推移,學(xué)生通過協(xié)同使用對話和寫作成為知識發(fā)展中更成功的批判者,并且當(dāng)學(xué)生同時使用對話和寫作這兩種學(xué)習(xí)工具時,認(rèn)知功能變得更加復(fù)雜．[12]

基于上述研究,SNP模式將建模、口頭論證和寫作論證整合到教學(xué)活動中,旨在全面提升學(xué)生的科學(xué)思維能力,促進其科學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展．SNP教學(xué)理論框架如圖1所示．[13]

圖1 SNP教學(xué)理論框架

SNP理論框架將大概念作為主導(dǎo)性元素,建模和論證基于大概念展開．大概念包括共通概念和學(xué)科核心概念:[14]共通概念側(cè)重跨學(xué)科內(nèi)容的組織,如:系統(tǒng)和能量;學(xué)科核心概念多用來整合某一學(xué)科內(nèi)的知識,如:機械運動和力．師生在大概念引領(lǐng)下共同確定研究問題,學(xué)生基于研究問題建立科學(xué)模型．模型是針對復(fù)雜、不可見、抽象的現(xiàn)象所構(gòu)建的簡化、具體、可視化和假設(shè)性的表征．表征的形式可以是簡圖、圖表、數(shù)學(xué)關(guān)系、模擬和物理模型等．模型復(fù)雜度可以從簡單擴展到非常復(fù)雜,如從實物模型到計算機模擬．課堂上教師要求學(xué)生先從簡單模型開始,使構(gòu)建和評估模型的過程在大概念引領(lǐng)下盡可能實現(xiàn)．學(xué)生圍繞模型構(gòu)建科學(xué)論證,論證結(jié)構(gòu)包括主張、證據(jù)和推理．主張是對觀察或現(xiàn)象的反應(yīng),它可以是猜想、結(jié)論,或者是針對研究問題的回答．一個科學(xué)的主張必須有證據(jù)支持．資料不等同于證據(jù),資料是從探究和實驗收集的事實信息．證據(jù)是針對主張將資料轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸饬x的解釋．推理是由證據(jù)和理論構(gòu)成的邏輯判斷,顯示了證據(jù)如何或為什么支持主張．[15]

師生在大概念主題下提出研究問題、建立模型,模型作為討論對象的角色在構(gòu)建科學(xué)論證過程中發(fā)揮了重要作用,科學(xué)論證作為工具起到修正和改進模型的作用,以此實現(xiàn)建模和論證能力的共同發(fā)展．

1.2 基于SNP框架的教學(xué)模式

教師利用SNP理論框架指導(dǎo)教學(xué)設(shè)計,開展基于建模的論證教學(xué)活動．下面以“牛頓第一定律”建模論證教學(xué)為例,說明如何基于SNP理論框架設(shè)計具體的教學(xué)環(huán)節(jié)．師生基于大概念(力與運動的關(guān)系)確定研究問題(物體的運動需要力維持嗎?),學(xué)生分小組展開建模和科學(xué)論證活動,最后將模型和論證與“專家”的模型和論證比較,并通過寫作進行反思．具體實施過程包括6個階段,如圖2所示．[13]

圖2 基于SNP框架的教學(xué)模式

第一階段:創(chuàng)設(shè)驅(qū)動問題.

SNP理論框架中的第一步是確定大概念．該課題所涉及的大概念是“力與運動的關(guān)系”．基于大概念確定具體、清晰的驅(qū)動問題是整個探究活動的關(guān)鍵．學(xué)生提出的問題可分為 “深”問題和“淺”問題．[16]“淺”問題只需要“是”或“否”的回答．“深”問題從“為什么”“如何”或“什么因素決定”開始,可以引發(fā)學(xué)生思考和深入挖掘概念,因此“深”問題能夠吸引學(xué)生參與探究、數(shù)據(jù)分析和討論．

學(xué)生提出高質(zhì)量問題后,教師要與學(xué)生一起判斷問題是驗證性的,還是研究性的．驗證性問題可在在課堂上測試,直接關(guān)聯(lián)大概念,從而獲得探究的意義．研究性問題不能在課堂上測試,因為它們涉及復(fù)雜的變量關(guān)系、受時間限制以及缺乏測試環(huán)境等．為了幫助學(xué)生探究可驗證的問題,教師首先要求學(xué)生基于生活中的運動現(xiàn)象,思考運動背后的原因是什么．學(xué)生頭腦風(fēng)暴表達已有的知識和討論將要解決的問題,用“深—淺”和“驗證—研究”的標(biāo)準(zhǔn)討論和確定驅(qū)動問題．大多數(shù)學(xué)生同意聚焦一個問題 “物體的運動是否需要力維持”.

第二階段:各小組初步構(gòu)建模型.

驅(qū)動問題確定之后,接著要通過小組探究建立模型,用模型表征大概念．因此該階段目的是建立模型表征力與運動的關(guān)系,利用模型回答驅(qū)動問題．學(xué)生分小組合作探究,教師給每個組一個資源包,其中包含學(xué)案(附有驅(qū)動問題,活動描述和材料名稱等)和實驗器材，如表1所示．[13]

表1 學(xué)生學(xué)案(階段2)

學(xué)生用實驗器材創(chuàng)建模型探究力與運動的關(guān)系．各小組討論如何模擬和實現(xiàn)最佳的模型．教師幫助學(xué)生思考和架橋．例如:要求學(xué)生解釋為什么以這種方式構(gòu)建模型．

(1) 毛巾在你的系統(tǒng)中代表什么?

(2) 你能解釋模型如何工作嗎?

(3) 你的模型最大的優(yōu)勢是什么?

學(xué)生第一次建模不符合科學(xué)理解和解釋是正常的．教師應(yīng)當(dāng)多鼓勵學(xué)生,表揚模型中的優(yōu)點,提出有針對性的問題．例如:教師說,“我注意到,在你的模型中絲綢和毛巾代表了接觸面的粗糙程度不同”或“怎樣演示能更好地展示你的模型”.幫助學(xué)生建構(gòu)和完善模型,為學(xué)生構(gòu)建科學(xué)論證做準(zhǔn)備．

第三階段:各小組初步構(gòu)建論證.

下一步各小組要圍繞模型初步創(chuàng)建科學(xué)論證,并利用白板展示出來．所以,該階段小組圍繞模型,創(chuàng)建由主張、證據(jù)和推理組成的科學(xué)論證．資料不僅包括定量信息,也包括定性描述．“牛頓第一定律”建模教學(xué),證據(jù)主要是定性的．教師鼓勵學(xué)生基于模型進行定性描述并作出合理的推理．教師為學(xué)生提供科學(xué)論證寫作指導(dǎo),如表2所示．[13]

表2 科學(xué)論證寫作指導(dǎo)(階段3)

教師通過探測性問題監(jiān)測學(xué)生的進展,例如:“模型中什么證據(jù)解釋了物體的運動不需要力維持?”或“你的證據(jù)支持主張嗎”.教師要了解各組的模型和論證的優(yōu)缺點,以便有效地支撐班級對話．例如:教師問小組,“關(guān)于你們的模型,同學(xué)們感覺在哪些方面或解釋上存在困惑或疑問”.這個階段,教師的主要工作是確保學(xué)生表達模型、主張和證據(jù)之間的一致性．

第四階段:面向全班討論模型和論證過程,修改模型和論證.

各小組在完成模型和書面論證的初步構(gòu)建之后,就進入模型和論證的交互階段,因此該階段教師負責(zé)組織學(xué)生展開全班討論和論證活動．學(xué)生在批判性環(huán)境中分享、辯論、說服和合作建構(gòu)對大概念的理解．學(xué)生通常需要經(jīng)歷多輪的設(shè)想、修改,需要在組內(nèi)和組間談判以及進行全班討論．小組在全班討論背景下呈現(xiàn)其模型和論證過程,并收到其他組的反饋.該過程幫助學(xué)生認(rèn)識到其模型和論證的優(yōu)缺點,促進隨后的改進．教師參與學(xué)生討論,及時為學(xué)生提供腳手架,給予建設(shè)性反饋和促進統(tǒng)一．這個階段,學(xué)生可能存在3個難點: (1) 不知道U形斜槽的作用; (2) 沒有將實驗和科學(xué)推理相結(jié)合,體現(xiàn)理想實驗方法．教師為學(xué)生提供腳手架鼓勵其自己解問題．比如提示,伽利略在研究自由落體運動的時候曾經(jīng)使用過理想實驗方法,讓小球從斜面上滾下,然后讓斜面的傾角增加,最后做出推論．學(xué)生多次修正后,教師確保學(xué)生清晰表達系統(tǒng)各部件以及基于模型闡明力不是維持物體運動的原因．

第五階段:咨詢“專家”.

各小組圍繞模型經(jīng)歷全班討論和論證之后,需要明確各自修正后的模型和論證與權(quán)威之間的差距．因此,該階段給學(xué)生提供機會將其模型和論證與“專家”的模型和論證進行比較．“專家”資源包括教材、參考書、刊物、互聯(lián)網(wǎng)資源等．

學(xué)生經(jīng)過前面幾輪針對模型和論證的談判之后,參考“專家”資源時更具有批判性．對“專家”的咨詢增強了學(xué)生學(xué)習(xí)的主體地位．閱讀策略非常重要,它幫助學(xué)生理解“專家”的意義,構(gòu)建其關(guān)聯(lián)．表3提供了一些建議,供學(xué)生參考．[13]

表3 與“專家”資源比較的建議(階段5)

第六階段:反思性寫作.

反思性寫作是一個有力的工具,幫助學(xué)生理解和鞏固概念．寫作階段促進學(xué)生反思概念的轉(zhuǎn)變,例如:什么經(jīng)歷促進概念轉(zhuǎn)變以及建構(gòu)了哪些觀念．學(xué)生有機會回顧模型、器材和論證,類似于科學(xué)家在研究性論文的討論階段闡釋知識或結(jié)論的意義．學(xué)生基于模型、論證以及參考科學(xué)界對大概念的闡釋表達個人對大概念的理解,是意義建構(gòu)和升華的過程．

為了幫助學(xué)生提高反思性寫作水平,基于學(xué)習(xí)進階理念開發(fā)寫作評價標(biāo)準(zhǔn),供學(xué)生參考(見表4)．[13]評價標(biāo)準(zhǔn)幫助學(xué)生理解: (1) 什么是具有良好構(gòu)造的主張(伴有合理的支撐證據(jù)); (2) 構(gòu)建科學(xué)論證時,什么在問題、主張、證據(jù)和模型之間構(gòu)成了有力的、良好的結(jié)構(gòu)關(guān)系．另外,教師基于評價標(biāo)準(zhǔn)能夠評估學(xué)生對大概念理解的廣度和深度,以及判斷是否需要額外支撐完善他們的理解．

表4 學(xué)習(xí)進階寫作評價標(biāo)準(zhǔn)(階段6)

1.3 實施效果

基于SNP模式的課堂實證研究表明,[17-21]學(xué)生在大概念指引下構(gòu)建模型,并從模型中提取證據(jù)展開論證時,不僅發(fā)展了建模能力和論證能力,也逐漸提高合作技能和促進學(xué)生深入理解概念,并能夠反映在口頭和書面論證中．學(xué)生能夠?qū)⒖陬^辯論技巧與書面辯論技巧聯(lián)系起來,因為他們有機會在辯論后修改他們的寫作,并提升了同伴批判有用性的意識．口頭辯論實踐的發(fā)展和書面論證質(zhì)量的提高表明了學(xué)生的口頭辯論和書面論證的發(fā)展是彼此正相關(guān)的．

2 討論與展望

基于SNP教學(xué)理論框架、教學(xué)模式以及實施效果,我們可以看出SNP模式是基于建模發(fā)展核心概念理解的論證教學(xué)實踐活動,論證過程圍繞模型的建構(gòu)、評價和修正創(chuàng)建起來,幫助學(xué)生發(fā)展建模能力、批判性思維能力、概念理解和溝通技巧．

2.1 SNP模式有助于全面發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)

SNP模式的整個教學(xué)過程以學(xué)生為中心,通過小組合作的方式圍繞模型展開科學(xué)論證活動．學(xué)生在階段1(創(chuàng)設(shè)驅(qū)動問題)用“淺—深”和“驗證—研究”的標(biāo)準(zhǔn)討論和確定驅(qū)動問題,能夠發(fā)展提出問題的能力和分析判斷能力．階段2(各小組初步構(gòu)建模型),學(xué)生將理論模型連接到特定的真實物理世界,至少需要經(jīng)歷兩個過程,我們分別稱之為“解釋”(interpretation)和“識別”(identification)．[22]對于解釋,學(xué)生需要將理論模型轉(zhuǎn)化成頭腦中的心智模型．對于識別,心智模型需要與實際系統(tǒng)的要素進行對應(yīng)或協(xié)調(diào)才能構(gòu)建成實體模型．[23]因此,建模過程體現(xiàn)了科學(xué)思維能力的培養(yǎng)．小組基于大概念通過分工協(xié)作選擇適當(dāng)?shù)牟牧?運用數(shù)學(xué)和計算機思維開發(fā)和建立模型并進行調(diào)試,發(fā)展了合作技能、探究能力和建模能力．階段3(寫作論證:各小組初步構(gòu)建論證),學(xué)生基于模型構(gòu)建科學(xué)解釋,然后做好論證前的準(zhǔn)備工作,能夠發(fā)展建構(gòu)論證的能力．階段4(口頭論證:面向全班討論模型和論證過程,修改模型和論證),學(xué)生在全班批判性環(huán)境下展開辯論和論證,能夠發(fā)展口頭論證能力和提高反駁意識．階段5(咨詢專家),學(xué)生經(jīng)過前面幾輪針對模型和論證的全班辯論之后不僅培養(yǎng)了口頭論證能力,也提高了質(zhì)疑精神,即使是咨詢“專家”,也不再盲從．階段6(反思性寫作),反思性寫作不僅有助于提高學(xué)生書面論證能力,也能夠幫助學(xué)生深入理解核心概念和科學(xué)本質(zhì),因此它是意義建構(gòu)和升華的過程．

在大概念引領(lǐng)下,學(xué)生通過小組合作探究建立模型以及經(jīng)歷多輪論證是精細的、創(chuàng)造性的過程,學(xué)生不僅發(fā)展了科學(xué)思維和深化認(rèn)識大概念,而且內(nèi)在的經(jīng)歷了科學(xué)本質(zhì)的教育,因此SNP模式所體現(xiàn)的教育價值符合我國課標(biāo)修訂理念對發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的要求．

2.2 SNP模式為診斷學(xué)生核心素養(yǎng)的表現(xiàn)提供評價工具

SNP模式通過對話、論證、寫作、探究以及開發(fā)和評估模型等活動促進概念轉(zhuǎn)變與能力發(fā)展,傳統(tǒng)課堂實踐也會包括其中某些要素或環(huán)節(jié),由于教師缺乏整合理念或者僅僅關(guān)注知識本身、教學(xué)進度以及預(yù)先的探究結(jié)果,在教學(xué)中沒有從發(fā)展核心素養(yǎng)的視角對學(xué)生的學(xué)習(xí)發(fā)揮有效的診斷、評價和導(dǎo)向作用．SNP模式在大概念引領(lǐng)下圍繞模型創(chuàng)設(shè)了獨特、全面的評判視角,能有效診斷、評價學(xué)生的核心素養(yǎng)表現(xiàn),它包括教師評價和學(xué)生互評兩方面．

教師在評價中始終以學(xué)生為中心,及時關(guān)注學(xué)生的模型建構(gòu)、科學(xué)論證以及對大概念的理解,通過模型追蹤學(xué)生的學(xué)習(xí)或?qū)δ骋淮蟾拍畹睦斫?針對學(xué)生的論證水平表現(xiàn)及時調(diào)控教學(xué)活動或科學(xué)素養(yǎng)教學(xué)目標(biāo)．例如:教師循環(huán)到各個小組,通過各種提問,監(jiān)督、診斷和評價學(xué)生的核心素養(yǎng)表現(xiàn),并對教學(xué)過程實時調(diào)控或干預(yù)(如:階段2、階段3、階段4)．

在學(xué)生互評過程中教師鼓勵學(xué)生充分發(fā)表自己的見解,并引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)核心素養(yǎng)的評價標(biāo)準(zhǔn)展開互評,例如:科學(xué)論證寫作指導(dǎo)(第三階段)或?qū)W習(xí)進階寫作評價標(biāo)準(zhǔn)(第六階段)．學(xué)生在思考、評判對方模型、觀點和論證過程中,不僅提高了學(xué)生之間的交流與合作技能,也是對所學(xué)知識進行鞏固、深化和整合的過程,能有效促進核心素養(yǎng)的發(fā)展．

基于SNP模式的教學(xué)評價實現(xiàn)了教師主導(dǎo)和學(xué)生主體觀念的轉(zhuǎn)變,在大概念引領(lǐng)下將建模、論證和讀寫等活動整合在一起,完善了對核心素養(yǎng)的多維監(jiān)督和評價,因此SNP模式能為教師診斷學(xué)生核心素養(yǎng)的表現(xiàn)提供評價工具．

2.3 基于大概念引領(lǐng)下的建模與論證實踐的交互不僅激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的動力,還有利于整合跨學(xué)科概念,符合我國分科教學(xué)實際

SNP模式是大概念統(tǒng)領(lǐng)下的建模-論證教學(xué)活動,師生和生生之間圍繞模型展開討論和論證,通過建模和論證的多次交互和循環(huán),克服了單一論證或建模教學(xué)動力不足的限制．在此背景下,若借鑒SNP模式中將建模與論證整合的教學(xué)策略,有助于消除傳統(tǒng)論證或建模教學(xué)中遇到的障礙,促進教學(xué)的順利開展．另外,由于我國分科教學(xué)的限制,不同學(xué)科之間的交叉概念,也缺乏有效的整合,導(dǎo)致學(xué)生掌握了零散的學(xué)科知識,未能形成健全的知識結(jié)構(gòu)．因此,教師在大概念(共通概念)引領(lǐng)下組織學(xué)生整合跨學(xué)科概念,促進學(xué)生關(guān)聯(lián)不同學(xué)科知識以及構(gòu)建完整的知識體系,有利于克服分科教學(xué)的弊端．

SNP模式雖然在美國科學(xué)課堂實踐中取得了不錯的教學(xué)效果,畢竟中美教育體制不同,因此必須結(jié)合我國課堂教學(xué)實際進行有效的整合和論證,開展教學(xué)模式本土化研究．在立足于本土教育實踐和教育發(fā)展需要的同時,對新的教學(xué)模式進行研究、設(shè)計和規(guī)劃,既能實現(xiàn)我國核心素養(yǎng)教學(xué)目標(biāo),又能體現(xiàn)當(dāng)前國際科學(xué)教育理念．目前,我國還沒有關(guān)于SNP模式在科學(xué)課堂中進行本土化研究的嘗試．鑒于當(dāng)前科學(xué)教育領(lǐng)域聚焦基于建模和論證活動發(fā)展核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo),該模式為教師提供了一個將建模和論證整合融入科學(xué)課堂的有效教學(xué)策略,教師可以依據(jù)所處的學(xué)段、學(xué)科以及所針對的科學(xué)概念和具體教學(xué)情境對該模式進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和完善,為學(xué)生創(chuàng)造多種機會開展科學(xué)實踐活動,最終促進核心素養(yǎng)的全面發(fā)展．

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