促进学生物理论证能力发展的策略研究
张艳香 魏昕
摘要：论证能力对于物理学习至关重要，论证的核心在于思维与推理。通过对全国21名优秀教师的课堂教学实录的观察和分析可以发现：大多数教师只注重论证的形式，但忽视了论证的效果；论证活动仍以教师为主，减少了学生通过论证活动发展科学思维的机会；教师在课堂上未能采用有效的策略引导学生开展论证活动。
关键词：物理论证能力；教学策略；会话分析；交互模式
中图分类号：G633.7文献标志码：A文章编号：1000-0186（2016）03-0122-06
一、引言
近年来，越来越多的研究者开始关注“论证（Argumentation）”能力与科学教育之间的关系。Toulmin等人（1958）在20世纪60年代便提出了论证活动的基本结构模型（如图1所示），［1］这一模型在随后的研究中受到广泛认同。此后，Siegel（1995）指出“论证”在科学活动中处于核心位置，强调科学家是利用“论证”的方式进行科学推理，从而形成对自然现象的科学解释。［2］在这一过程中，科学家不仅要明确所观察到的现象（证据），提出自身的观点（结论），更是要找出能够把现象和观点相互联系起来的科学原理（推理过程），以便形成合乎逻辑的科学解释，使其在科学家共同体中进行交流和接受检验。
通过基于课堂的实证研究，研究者认为“论证”不仅是科学本身的有机组成部分，而且能够帮助学生更好地理解和应用所学的科学知识。Kuhn（1993）认为可以将学生获得知识的认知过程看作内隐的论证过程。［3］因此，“论证”提供了一条能够将内隐思维策略外显化的有效途径，可以促进学生更高层次思维能力的发展。此外，“论证”还能帮助学生对周围环境中的纷繁信息和观点形成自己的独立认识，为将来更加理性地参与社会生活奠定良好基础。
在众多研究的基础上，美国《K-12科学教育框架》（AFrameworkforK-12ScienceEducation：Practices，CrosscuttingConcepts，andCoreIdeas）将“论证”列为八项科学实践活动之一，指出“论证”与科学探究、数据分析、建立模型等皆为科学教育所要帮助学生发展的科学素养。［4］在我国，“论证”能力的培养同样受到重视，《普通高中物理课程标准（实验）》和《义务教育物理课程标准（2011年版）》都将“分析与论证”作为“科学探究”的基本要求之一。［5］［6］鉴于国际国内的研究经验和发展趋势，论证”能力必将在我国今后的科学教育领域中占据更为重要的位置，并以具体学科为载体，实现学生能力与知识的共同发展。物理学作为基础科学，“论证”的重要性毋庸赘言，课堂又是获得知识与能力的主要场所。那么，教师在课堂上是否采用了有效的教学策略来帮助学生发展论证能力？这些策略的特点是什么？本文针对以上两个问题开展了实证研究，并根据数据结果进行了相关分析与讨论。
二、研究方法
本文采用定性和定量相结合的实证方法进行研究。鉴于“论证”能力主要是通过课堂中的论证活动来培养的，研究者以分析课堂教学视频的方式找出影响学生物理论证能力发展的教学策略与模式。
（一）样本
研究者选取了21节课堂现场实录作为样本进行分析（如表1所示）。这些课例的授课内容均为中学物理中相对核心以及学生理解相对困难的概念与规律。针对同一知识主题，均选取了2—3节不同课例进行研究。通过对同课异构以及不同知识主题课例的比较，能够找出教师在培养学生物理论证能力方面的共同特征。样本中的绝大部分来源于“全国中学物理教学名师赛”中的优秀课例，还有少部分北京市知名教师的公开观摩和教学研究课作为补充。这些课例在教学目标层面上均以三维目标为导向，不仅关注学生学习的知识性结果，而且注重学生的学习过程和能力培养。同时，授课的教师均具有丰富的教学经验和一流的教学技能，代表了目前中学物理课堂教学的较高水平，从而也在一定程度上代表了物理课堂上培养论证能力的较高水平。通过对这些课例的研究，能够帮助我们认清当前论证能力的培养还存在哪些典型问题，以及如何解决这些问题。
（二）数据收集与分析方法
与实验活动等有所不同，论证活动可能发生在各个教学环节，而其外在表现则是学生与教师、学生与学生之间的语言交流活动。据此，本研究从会话分析的角度将每个教学录像中的师生会话分为以下两个尺度进行分析。［7］［8］
话轮（Turn）：话轮是说话人能够表达一个完整意思的最小语言单位。例如，在课堂教学中，教师可能先对之前学生的回答进行点评，紧接着又提出一个新的问题。在这种情况下，我们将教师的语言分为两个话轮，因为教师的语言包含了两个独立的行为。第一个话轮是对上一名学生的点评，第二个话轮则是提出了一个新问题。
对话统一体（Exchange）：对话统一体是被用来分析人与人对话互动的基本单元。通常情况下，一个对话统一体包括两个或三个话轮，第一个话轮开启对话，第二个是对第一个的回应，第三个则可能是对第二个的评价、确认或是对第一、二个的拓展等。在课堂教学中，一个对话统一体可能多于三个话轮，因为教师通常会提出后续问题来引发学生的思考。因此，研究者将后续问题以及回答等话轮包括在同一个对话统一体当中。
不同的尺度对应不同的分析对象。在分析教师是否以及如何为学生创造论证机会时，是以教师是否为学生提供可供论证的开放性问题为判断依据的，因此采用话轮作为分析单元。在分析教师是否以及如何引导学生进行推理时，通常会出现连续提问、回答与评论的情况，因此采用对话统一体作为分析单元。
三、分析与结果
根据所选课例的特点，本研究将课例中的教学活动划分为“创设情境”“实验设计”“知识得出”和“知识应用”四类。“创设情境”既指实验探究教学中的提问与假设环节，也指概念教学当中由一个特定情境引出教学内容的环节。“实验设计”包括了演示实验和学生实验当中对实验原理、仪器、数据收集和分析方法等进行介绍或讨论的环节。“知识得出”指对本课所讲的主要概念、规律和原理的辨析环节。“知识应用”指在学生获取知识后，利用所学知识对教师所提问题进行解决的环节，如对自然、生活现象的解释，对实际问题的求解等。
21节课例在“创设情境”活动中共有117个话轮，35个对话统一体；在“实验设计”活动中共有241个话轮，72个对话统一体；在“知识得出”活动中共有363个话轮，81个对话统一体；在“知识应用”活动中共有137个话轮，44个对话统一体。
（一）课堂中的论证机会
根据统计的结果，在“创设情境”“实验设计”和“知识得出”活动的过程中，教师在70%以上的对话统一体中都会以向学生提出开放性问题的话轮开始会话。如在加速度的“创设情境”教学活动中，学生在观看完摩托车、汽车、飞机同时启动加速的视频后，教师提问“用什么方法可以比较各种交通工具的速度变化情况？”在探究加速度与力和质量的关系课例中，教师在“实验设计”活动中提问“怎样抵消小车与桌面间的摩擦力？”在焦耳定律有关的课例中，教师在“知识得出”活动中提问“这个电路中既有电阻又有电动机，和刚才的纯电阻电路不太一样，那么在这里焦耳定律还成立吗？为什么？”。这些开放性的问题为学生提供了开展论证活动的可能性。
（二）课堂中的推理教学
研究者发现样本课例中的教师对于推理过程的认识可以分为以下三类：教师在教学中不关注推理；教师直接给出推理；教师引导学生构建推理。同时，当面对学生的原始认识和科学认识时，教师对推理的重视程度也有所不同（以上阐述可以归结为表2）。在涉及原始认识的对话里（图3），70%的对话中不解释原始认识中的不当之处，20%的对话中由教师指出错误的原因所在，而仅有10%的对话中由教师引导学生自己得出原始认识的不当之处。对于涉及科学认识的对话而言（图3），60%的对话中教师不仅强调科学概念和原理本身，而且还直接对认识的具体得出过程（即推理过程）进行了详细的分析和阐述。25%的对话中教师则通过教学策略来引导学生自己说出推理的过程。
总体来看，无论涉及原始认识还是科学认识，在给出推理过程的对话中，大多数均是由教师直接给出，而非出自学生的自主思考。
（三）教师与学生的互动模式
在涉及原始认识时，教师通常能够主动提出开放性的问题来供学生思考，但在大多数情况下（70%），教师并不关注学生的思维过程，主要是为了获取学生对某一现象的原始认识，即采用“提问—回答—……—回答”的互动模式。在这种模式下，教师对学生的回答不给出具有针对性的点评。例如，在牛顿第一定律的教学中，某位教师与学生间的对话如下所示：
师：同学们认为力和物体的运动间有什么关系呢？
生1：物体受到力就会运动。
生2：质量小的物体运动的比质量大的快。……
师：大家的认识和两千年前的亚里士多德的认识差不多，今天我们就来探究力和物体运动之间究竟有什么关系。
与此不同，在少数情况中（10%），出现了由教师引导学生探索原始认识不当之处的情况，即“提问—回答—引导—回答—……—点评”互动模式。在互动过程中，学生在暴露原始认识后，教师通过继续提问的方式引导学生亲身经历推理过程，意识到这种原始认识的不当之处，从而引出科学认识。例如，在牛顿第一定律的另一节课例中，教师与学生发生了如下对话：
师：力和物体运动之间有什么关系？
生：物体受到力才能运动。
师：能不能举几个例子呢？
生：就像踢足球，只有人脚踢了足球，它才会运动；人不踢，它就停下来。
师：球在空中飞的时候人脚给球力了吗？
生：没有。
师：那球还在运动吗？生：……在。
师：那球为什么会最后停下来呢？
生：草地有摩擦。
师：如果地面很光滑的话会怎么样？
生：……球一直滚下去。
师：那么力和运动之间的关系是什么呢？
生：力和运动没有直接的关系……没有力，运动也能进行下去。
师：很好，平时总是认为有力才有运动，是因为我们忽视了摩擦阻力的存在，如果考虑到摩擦力，我们就能研究清楚这个问题……
在涉及科学认识时，教师往往也会在教学活动的过程中抛出开放性问题来引发学生的思考。当学生给出答案时，大部分情况下（60%），教师对学生的回应进行直接的点评，即采用“提问—回答—点评”型的互动策略。学生在互动的过程中仅给出了自身的观点，教师则给出了推理的过程。例如，在介绍电源电动势和内阻知识时，有如下的师生对话：
师：电源将化学能转化为了电能，这个过程是怎样完成的？
生：是通过做功完成的。
师：很好，电源里有非静电力，它能够把正电荷从电源的负极搬送到正极，使电荷的电势能增加……
但同时，在近30%的情况下，教师并未直接给出推理过程，而是采取“提问—回答—引导—回答—……—点评”的互动模式。在这个过程中，教师引导学生自己说出其中的原因和理由，鼓励多名学生参与其中进行讨论，帮助学生亲身完成了论证的过程。仍以电源电动势和内阻为例，另一位教师和多位学生的对话如下所示：
师：电路中的小灯泡发光，是电源给它提供了能量。那么，电源里的电能是怎么来的呢？
生：……
师：我们把电路比作这个水流的回路，电源就像这个抽水机……抽水机是怎么工作的？
生1：抽水机对水做功，把水从低处抽到高处，使水具有了重力势能，然后水就可以顺着管子继续流了。
师：很好，那在电源里，什么物质与水相当？是不是也有一个力对它做功，把它举高呢？
生2：……电源里有电荷……有一个力对电荷做功，把它举高……
……
总体上看，样本中的大多数教师主要使用“提问—回答—……—回答”和“提问—回答—点评”两种模式与学生进行互动，仅有少数教师采取“提问—回答—引导—回答—……—点评”的方式与学生进行互动。
四、结论与讨论
虽然以上的分析与结果仅是基于21节样本课例而做出的，但这些教师均是由各省选送的优秀教师，教学设计也是精心设计、打磨而成的，在一定程度上代表了各地对什么是优秀物理课的主流认识。鉴于此，值得对从这些课例中归纳得出的结论进一步思考和讨论。
（一）教师注重论证的形式，忽视论证的效果
从数据分析的结果可以看出，在课堂的各个环节中，有平均超过一半的师生交互中包含了教师所提的开放性问题（图2），由此可见教师对论证活动的重视程度。但教师往往只在意是否已经进行提问，问题本身是否准确、恰当，以及学生的最终答案是否符合自身期望，极少关注学生回答（尤其是不恰当回答）中所透露出的思维方式和原始认知。学生在头脑中对各种现象的认识具有一套完整且自洽的“理论”，即原始认知理论。学生面对关于同一知识原理的不同问题或者提问方式，所给出的最终答案或有不同，但这些答案都是利用头脑中同一原始“理论”推理得出的（Carey，1985）。［9］论证活动则是能够暴露学生此类原始“理论”的有效途径，因此，在论证过程中，这种“重结果轻过程”的表现说明教师并非真正注重论证活动在课堂当中应有的功能和效果，而是仅将其更多的当作彰显“探究课堂”的一项活动而已。
（二）论证多以教师为主，影响学生思维的发展
从表2和图3可以看出，在论证活动中，教师不仅不重视学生的推理过程，而且在绝大多数情况下代替学生进行了思维和推理，将本该通过教师引导、学生亲自完成的推理过程以对学生回答的点评或补充等形式直接进行讲解。在这种情况下，学生的学习方式转向被动，缺少了推理方面的训练和机会。学生头脑当中的原始认知“理论”不仅无法有效暴露，教师更无法帮助学生亲自体验旧“理论”和新理论的认知冲突，真正体会新理论的优越性。这不仅影响了论证能力的提升，而且还会对学科知识的理解产生负面影响，从而使得学生只能片面的将知识与特定情境相联系、与特定例题相联系，而不能完全放弃头脑当中的旧有理论，做到举一反三，融会贯通。
（三）未能采用有效的策略引导学生开展论证活动
教师在大多数情况下往往采用“提问—回答—……—回答”和“提问—回答—点评”两种模式与学生进行互动，但无论上述哪种互动模式中，课堂的论证活动都是以教师作为主角而进行的，学生在这个过程中没有机会亲自参与推理过程，只能被动接受，无法体验完整的论证过程。McNeill与Pimentel（2010）的研究表明，倘若教师能够频繁使用开放问题并且引导学生之间对彼此的观点相互评论，则学生的论证能力会获得有效的提升，不仅能够促使学生养成清晰表达观点的习惯，还能帮助学生从多种角度分析问题以及反思自身推理是否恰当。［10］虽然本研究无法通过对学习结果定量检测的方式来评价不同交互策略的有效性，但从不同课堂的交互实例的对比中可以看出，“提问—回答—引导—回答—……—点评”的交互策略明显更能使学生深度参与到教学活动中，符合上述要求。
在利用这一策略时，教师首先需要让学生认识到原始推理的错误所在，而非仅是告诉学生科学认识是什么。为了做到这一点，教师需要关注学生的原始推理，促使学生充分暴露自身的原始推理过程。例如，在讲解“物体的浮沉条件”时，教师通过与学生的交互来暴露出学生“重的东西总是下沉”的原始认知过程。［11］
师：将一木块和一个团成一团的牙膏皮同时放入盛水烧杯中。木块为什么浮在水面上，而牙膏皮却沉下去了呢？
生：牙膏皮是锡做的，锡是一种金属。
生：锡比木块沉（重）。
师：金属总是下沉的，是吗？
生：是的。
在这个基础上，教师利用实验的方式在学生的原始推理和科学事实间制造冲突，从而为学生比较原始推理与科学推理间的区别、亲身依靠科学推理获得对自然现象等的科学认识奠定了基础。
教师演示：将牙膏皮展成空心桶状放在水中，牙膏皮浮于水面。
生：牙膏皮浮起来了。
师：是啊！牙膏皮为什么又浮起来了呢？
……
从上面的例子还可以看出，为了使学生乐于与参与精心创设情境、交互活动，教师还需要精心“设疑”来激励诱导学生，激发学生的探究欲望，从而引起学生的认知冲突，促进学生的积极思考。
参考文献 ：
[1]TOULMIN S.The Usesof Argument [M].Cam-bridge：CambridgeUniversityPress，1958.
[2]SIEGEL H.WhyShouldEducatorsCareaboutArgu- mentation?[J].Informal Logic，1995，17 (2)， 159-176.
[3] KUHN D.Scienceas Argument：Implicationsfor Teaching and Learning Scientific Thinking [J]. ScienceEducation，1993，77：319-337.
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[5]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准(实验)[S].北京：人民教育出版社，2003.
[6]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准(2011年版)[S].北京：北京师范大学出版社，2012.
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[9]CAREY S.ConceptualChangein Childhood [M]. Cambridge MA：MitPress，1985.
[10] McNeillK L，PimentelDS.ScientificDiscoursein- ThreeUrbanClassrooms：TheRoleoftheTeacherinEngaging High SchoolStudentsin Argumentation[M].ScienceEducation，2010，94 (2)：203-229.
[11]张艳香.新课程课堂教学技能指导与训练(初中物理)[M].长春：东北师范大学出版社，2010.(责任编辑：钮瑛)
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