高中物理科學(xué)論證能力的內(nèi)涵及其認(rèn)知表現(xiàn)層次

鄭 穎 梁 平 張軍朋

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院,廣東 廣州 510006)

自20世紀(jì)90年代以來,科學(xué)論證得到了國際科學(xué)教育研究者的廣泛關(guān)注,使得“作為論證的科學(xué)”(science as argument)成為詮釋科學(xué)思維的一種重要觀念.[1][2]正在修訂的高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)將科學(xué)論證納入了學(xué)科體系,使之成為物理核心素養(yǎng)中科學(xué)思維的一個(gè)重要構(gòu)成要素;標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為科學(xué)論證是物理課程中的重要內(nèi)容和學(xué)習(xí)方式,也是物理教學(xué)中的重要教學(xué)目標(biāo),要求學(xué)生具備科學(xué)論證的意識和能力.美國國家研究委員會(huì)于2013年發(fā)布的《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》(Next Generation Science Standards,NGSS)也明確將“基于證據(jù)的論證”列為K-12科學(xué)教育中的8種實(shí)踐之一.通過課標(biāo)比較可以看出,絕大多數(shù)國家的課程標(biāo)準(zhǔn)都對學(xué)生的科學(xué)論證能力提出了要求,[3]因而對學(xué)生科學(xué)論證能力發(fā)展?fàn)顟B(tài)的精準(zhǔn)評價(jià)與診斷就顯得尤為重要,其認(rèn)知表現(xiàn)層次的劃分也就成為其重要的研究路徑.基于此,本研究提出了研究的核心目標(biāo),即基于物理學(xué)科背景,深化對高中物理教育中科學(xué)論證的認(rèn)識,并依托相關(guān)理論研究,對物理科學(xué)論證能力的認(rèn)知表現(xiàn)進(jìn)行劃分.

1 物理科學(xué)論證能力的概念界定

1.1 “能力”概念辨析和本研究中的界定

能力的概念較復(fù)雜,本身可能包含多種意思,需要明確區(qū)分對能力的各種理解.一般認(rèn)為,能力是一種心理特征,是順利實(shí)現(xiàn)某種活動(dòng)的心理?xiàng)l件.彭聃齡指出,能力不僅包含一個(gè)人現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到的成就水平,而且包含了一個(gè)人具有的潛力.[4]張春興區(qū)分了和能力相關(guān)的幾個(gè)概念.能力包含兩種意義,“所能為者”和“可能為者”.“所能為者”指的是到目前為止個(gè)人在實(shí)際作業(yè)上所表現(xiàn)出來的能力.張春興指出:“此種由實(shí)際行為表現(xiàn)出來的具體能力”,系屬學(xué)習(xí)或訓(xùn)練之后學(xué)習(xí)或訓(xùn)練效果之顯現(xiàn),在心理學(xué)中稱之為‘成就’.”“可能為者”指的是個(gè)人尚未接受某種訓(xùn)練之前,在相關(guān)行為上所展現(xiàn)的一種潛能.這種潛能在心理學(xué)上被稱為“性向”.性向又分為普通性向和特殊性向兩類.普通性向指一般性潛在能力;特殊性向指在某些特殊方面的潛在能力,例如音樂、繪畫等.普通性向也被稱為普通能力或一般能力,一般能力也就是一般所指的智力.[5]本研究“物理科學(xué)論證能力”中的“能力”屬于“成就”的范疇,即“所能為者”.

1.2 科學(xué)論證的內(nèi)涵和結(jié)構(gòu)要素

關(guān)于論證的定義,國外具有代表性的是Toulmin關(guān)于論證的界定,他認(rèn)為論證是一種社會(huì)性的、追求合作認(rèn)知的認(rèn)識論活動(dòng),在論證過程中參與者利用證據(jù)和理論來支持解釋與論點(diǎn),并借助相互審視、批判和反思的過程來促進(jìn)同伴的理解.而且,他基于法律論證的典型范例,認(rèn)為符合規(guī)則的論證應(yīng)該包括6類具有不同功能的結(jié)構(gòu)要素,即主張(claim)、資料(data)、正當(dāng)理由(warrant)、支援(backing)、限定(qualifiers)、反證(rebuttal),且這些結(jié)構(gòu)要素之間應(yīng)滿足一定的關(guān)系.[6]而科學(xué)論證指的是圍繞自然科學(xué)內(nèi)容而開展的論證,目前國外廣泛采用的是由R A Duschl,J Osborne(2002),[7]D B Clark,V Sampson(2008),[8]McNeill(2011)[9]等人定義的科學(xué)論證的定義,即科學(xué)論證是面向未確定的科學(xué)問題,通過社會(huì)性協(xié)作過程,為各自的觀點(diǎn)提供支持,并批駁相異的觀點(diǎn),以解決問題并獲取知識的活動(dòng).國內(nèi)對科學(xué)論證的界定的主要代表有:鄧陽、王后雄(2016)認(rèn)為科學(xué)論證是個(gè)(團(tuán))體在面對未知問題時(shí),基于證據(jù)和理由建構(gòu)主張,利用反駁、勸說等形式向他人辯護(hù)自己的主張的合理性實(shí)踐.[10]韓葵葵、胡衛(wèi)平(2008)認(rèn)為科學(xué)論證(scientific argumentation)是指學(xué)生以科學(xué)知識為中介,根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)資料提出主張和進(jìn)行推理(argument),反思自己和別人論點(diǎn)的不足以提出反論點(diǎn)(counter argument),同時(shí)反駁他人的質(zhì)疑和批判為自己辯護(hù)(rebuttal)的綜合思維.[11]綜上所述,科學(xué)論證目前雖然有多種定義,但對其內(nèi)涵的認(rèn)識已基本達(dá)成一致.科學(xué)論證包括觀點(diǎn)、與觀點(diǎn)相關(guān)的證據(jù)以及聯(lián)系觀點(diǎn)和證據(jù)的推理.科學(xué)論證的結(jié)構(gòu)要素如圖1所示.

圖1 科學(xué)論證的結(jié)構(gòu)要素

可以看出,科學(xué)論證是基于推理進(jìn)行論證,其具有外顯的結(jié)構(gòu)模式,因此,在對科學(xué)論證能力的認(rèn)知表現(xiàn)層次進(jìn)行劃分時(shí)必須考慮學(xué)生所呈現(xiàn)論證結(jié)構(gòu)要素的完整.而對學(xué)生物理科學(xué)論證能力的認(rèn)知表現(xiàn)層次則需結(jié)合具體的物理知識和物理問題情境,可以基于對學(xué)生解決物理問題時(shí)的外在表現(xiàn)的描述和分析,進(jìn)而對學(xué)生的物理科學(xué)論證能力做出合理推斷.基于此,在本研究中觀點(diǎn)是指基于對物理問題情境的描述與分析而做出的判斷;證據(jù)是指支持觀點(diǎn)的物理知識,包括物理模型與規(guī)律等;推理過程是指聯(lián)系觀點(diǎn)和證據(jù)的因果關(guān)系鏈,包括演繹推理和歸納推理等;反駁是指運(yùn)用物理知識對相異觀點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)疑和批判,其過程也是推理的形式.

1.3 物理科學(xué)論證能力及其心理構(gòu)造圖

本研究依托上述理論,提出物理科學(xué)論證能力的定義.物理科學(xué)論證能力是指學(xué)生能基于對物理問題情境的描述和分析,依據(jù)現(xiàn)有證據(jù),進(jìn)行合理推理,支持正確觀點(diǎn)或反駁相異觀點(diǎn)所必須的、穩(wěn)定的心理特征.

由于所要?jiǎng)澐值恼J(rèn)知表現(xiàn)層次旨在描述學(xué)生物理科學(xué)論證能力的發(fā)展水平,所以學(xué)生的認(rèn)知活動(dòng)必須僅由物理科學(xué)論證能力的心理構(gòu)造所主導(dǎo),并且最后劃分的層級結(jié)構(gòu)應(yīng)與物理科學(xué)論證能力的心理構(gòu)造的層級結(jié)構(gòu)相一致.于是,為了能夠相對準(zhǔn)確地劃分物理科學(xué)論證能力的認(rèn)知表現(xiàn)層次,首先需要確定學(xué)生物理科學(xué)論證能力的心理構(gòu)造.

本研究在界定物理科學(xué)論證能力的基礎(chǔ)上,同時(shí)參考課程標(biāo)準(zhǔn)文件,構(gòu)建了物理科學(xué)論證能力的心理構(gòu)造圖(心理構(gòu)造圖是對所確定的單維心理構(gòu)造不同層級水平的描述),如圖2所示.

圖2 物理科學(xué)論證能力的心理構(gòu)造圖

圖2是根據(jù)物理科學(xué)論證能力在不同層級上的典型特征對心理構(gòu)造進(jìn)行刻畫,總共有5個(gè)層級,最低層級反映學(xué)生能區(qū)別觀點(diǎn)和證據(jù),最高層級則對應(yīng)學(xué)生能考慮證據(jù)的可靠性,合理使用證據(jù),中間則由3個(gè)過渡層次順次相連,依次是學(xué)生能使用簡單和直接的證據(jù)表達(dá)自己的觀點(diǎn)、學(xué)生能恰當(dāng)使用證據(jù)表達(dá)自己的觀點(diǎn)及學(xué)生能恰當(dāng)使用證據(jù)證明物理結(jié)論.

2 物理科學(xué)論證能力的認(rèn)知表現(xiàn)層次

物理科學(xué)論證能力作為一種內(nèi)隱的心理特質(zhì),需要通過外顯的行為來進(jìn)行診斷和評估,即可以基于對學(xué)生解決物理問題時(shí)的外在表現(xiàn)的描述和分析,進(jìn)而對學(xué)生的科學(xué)論證能力水平作出合理推斷.因此,為了能夠更加系統(tǒng)和明確地對物理科學(xué)論證能力的層級進(jìn)行描述,本研究通過物理科學(xué)論證能力的心理構(gòu)造與SOLO分類理論相結(jié)合的方式來具體劃分物理科學(xué)論證能力的認(rèn)知表現(xiàn)層次.

2.1 SOLO分類理論簡介

SOLO分類理論起源于皮亞杰的發(fā)展階段理論,其英文全稱是Structure of the Observed Learning Outcome,可譯為“可觀察的學(xué)習(xí)成果結(jié)構(gòu)”.SOLO分類理論在繼承皮亞杰的學(xué)說的基礎(chǔ)上,解決了認(rèn)知發(fā)展階段理論所遇到的兩個(gè)矛盾: (1) “異變”現(xiàn)象的普遍存在,階段概念的可行性受到質(zhì)疑,用發(fā)展階段理論難以解釋上述現(xiàn)象; (2) 皮亞杰理論難以應(yīng)用到具體的學(xué)科教學(xué)中去.[12]SOLO分類理論的創(chuàng)始人彼格斯(Biggs)認(rèn)為,一個(gè)人的總體認(rèn)知結(jié)構(gòu)是一個(gè)純理論性的概念,是不可檢測的,他稱之為假設(shè)的認(rèn)知結(jié)構(gòu)(hypothetical cognitive structure,HCS);而一個(gè)人回答某個(gè)問題時(shí)所表現(xiàn)出來的思維結(jié)構(gòu)卻是可以檢測的,他稱之為“可觀察的學(xué)習(xí)成果結(jié)構(gòu)”(structure of the observed learning outcome,SOLO).[13]

SOLO分類理論有幾個(gè)基本假設(shè).第一,彼格斯認(rèn)為,作為考試評價(jià),重要的不是學(xué)習(xí)行為而是學(xué)習(xí)結(jié)果,是學(xué)生解答問題時(shí)表現(xiàn)出來的可以觀察到的認(rèn)識反應(yīng)水平.找出學(xué)生表現(xiàn)出來的可以觀察到的認(rèn)識反應(yīng)水平的結(jié)構(gòu),就可以據(jù)以對學(xué)生的表現(xiàn)進(jìn)行分類.第二,彼格斯認(rèn)為決定學(xué)生的認(rèn)知反應(yīng)水平的因素是功能反應(yīng)方式以及在某種功能方式下的反應(yīng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性.反應(yīng)的功能方式由學(xué)生在反應(yīng)過程中所利用元素(如語句、符號等)的性質(zhì)、水平與操作的類型所確定.第三,彼格斯在大量的事實(shí)調(diào)查基礎(chǔ)上假設(shè):不論是兒童還是成年人,當(dāng)他們在學(xué)習(xí)新的知識時(shí),認(rèn)知的發(fā)展是有階段的;不同的認(rèn)知發(fā)展階段之間,存在著認(rèn)知水平上質(zhì)的躍遷,不可能以簡單的量的積累來實(shí)現(xiàn)不同階段之間的躍遷.通過對認(rèn)知發(fā)展的功能方式的分析,彼格斯提出,可以從能力(capacity)、思維操作(relating operation)、一致性與收斂(consistency and closure)、應(yīng)答結(jié)構(gòu)(structure)4個(gè)方面區(qū)分學(xué)生的回答水平,具體歸納出學(xué)生思維水平的5個(gè)層次,如表1所示.[14]

表1 SOLO認(rèn)知層級結(jié)構(gòu)描述

續(xù)表

其中,前結(jié)構(gòu)水平、單點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平、多點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平主要表征學(xué)生學(xué)習(xí)的數(shù)量特征,此時(shí)學(xué)生的學(xué)習(xí)還處于知識的積累層面,而關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平和抽象擴(kuò)展結(jié)構(gòu)水平則側(cè)重表達(dá)學(xué)生學(xué)習(xí)的結(jié)構(gòu)特征,也就是達(dá)到了定性評價(jià)的層次,學(xué)生已能將知識進(jìn)行整合、應(yīng)用和有效擴(kuò)展.這5種水平代表了學(xué)生對知識的掌握程度,根據(jù)學(xué)生在解決問題時(shí)的回答,可以判斷出學(xué)生的認(rèn)知屬于哪一種水平,從而掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果和進(jìn)程.

2.2 物理科學(xué)論證能力認(rèn)知表現(xiàn)水平劃分

SOLO分類理論的層級結(jié)構(gòu)與構(gòu)成物理科學(xué)論證能力的心理構(gòu)造的層級結(jié)構(gòu)完全一致,同為5個(gè)層級,每個(gè)層級水平間存在著某種對應(yīng)關(guān)系,即前結(jié)構(gòu)水平對應(yīng)“能區(qū)別觀點(diǎn)和證據(jù)”;單點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平對應(yīng)“能使用簡單和直接的證據(jù)表達(dá)自己的觀點(diǎn)”;多點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平對應(yīng)“能恰當(dāng)使用證據(jù)表達(dá)自己的觀點(diǎn)”;關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平對應(yīng)“能恰當(dāng)使用證據(jù)證明物理結(jié)論”;抽象擴(kuò)展結(jié)構(gòu)水平對應(yīng)“能考慮證據(jù)的可靠性,合理使用證據(jù)”.故本研究以“整合”的思想將兩者進(jìn)行有機(jī)的聯(lián)系與組合,使其能夠完整地描述學(xué)生的科學(xué)論證能力水平.物理科學(xué)論證能力水平描述如表2所示.

表2 物理科學(xué)論證能力的認(rèn)知水平層次及具體表現(xiàn)

續(xù)表

3 結(jié)語

物理科學(xué)論證能力是學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的一種心理特質(zhì),此特質(zhì)決定了學(xué)生面對關(guān)于科學(xué)論證的物理問題時(shí)的行為表現(xiàn).物理科學(xué)論證能力認(rèn)知表現(xiàn)層次的劃分則細(xì)致地解構(gòu)了學(xué)生相應(yīng)的能力表現(xiàn)水平,為測查和分析學(xué)生的此類行為表現(xiàn)提供了系統(tǒng)且可操作的實(shí)證研究路徑.

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