高中物理教师科学论证能力诊断研究
作者： 于永刚 张抗抗 邢红军
［摘 要］依据图尔敏论证模式构建了同时考虑论证要素和论证过程的科学论证能力诊断框架，相对于国内只考虑论证要素而忽视论证过程的相关框架是一个进步。进一步采用文献研究方法，对高中物理教师的科学论证能力展开了研究。发现高中物理教师在科学论证过程中存在论证意识和扩展意识不足、论证逻辑混乱等问题，并尝试给出了解决问题的方法，以期为提高高中物理教师的科学论证能力提供参考，为高中生的科学论证能力培养提供借鉴，也为高中物理教师专业发展的课程设置提供有益启示。
［关键词］科学论证；高中物理教师；文献研究；核心素养
［中图分类号］G633.7 ［文献标识码］A ［文章编号］1005-4634（2024）06-0044-07
1 问题的提出
1993年，库恩（Kuhn）提出“科学即论证”的观点，并指出应将论证作为科学思维的内核［1］。1995年，哈维（Harvey）提出“是理性将教育与论证联系在一起”，从哲学的角度为教育工作者提供了关心论证的理由［2］。之后，科学论证逐渐受到各国重视，成为其科学教育的重要内容。我国也于2017年将科学论证纳入高中物理学科核心素养的体系［3］4，此后，科学论证一直受到广泛关注，成为我国课程改革的重要方向［4］。
“科学论证是科学探究中一项重要的活动，是由一人或多人利用事实证据、理论知识以及逻辑推理，对观点和主张进行支持和证实的实践活动，其中包含对他人观点的回应和反驳。”［5］要发展学生的科学论证能力，首先教师要具备这种能力。但国内外的多项研究表明，当前教师对科学论证的认识不足，科学论证的能力普遍偏低［6］111，［7］5，教师在课堂教学中不能采用有效的策略引导学生展开论证活动［8］126，包括高中物理教师在内的教师的科学论证能力亟需提高。为了制定出更具针对性的提高策略，需要找出高中物理教师科学论证过程中的问题所在。为此，对高中物理教师的科学论证能力进行诊断性研究就变得十分必要。
传统上，对科学论证能力水平的测量一般采用对话［9］1006、问卷调查［7］4或纸笔测验的方式［10］。但这些方式本研究不予采用，理由是在对任务解决者展开提问时，问题本身已经不可避免地包含了提示性信息，比如：你对这个问题有什么观点？（提示并强迫任务解决者提出观点）你能区别这个问题中的观点和证据吗？（提示任务解决者要区别观点和证据）并说明理由（提示任务解决者要寻找证据并进行逻辑推理），等等，这样的提示性语言将严重降低测量结果的准确性。因此，本研究将在“自然状态”下对任务解决者（高中物理教师）进行诊断性研究。所谓“自然状态”指的是研究者不能对任务解决者进行任何的提示和干扰，这就需要任务解决者自己选择问题情境、根据问题情境提出观点并对观点进行论证。本研究认为，高中物理教师在进行教学研究论文写作时恰恰满足上述要求：他们在教学实践中会遇到一些问题情境，在这个情境下自觉地提出自己的观点，并对观点进行论证，最后形成研究性成果并公开发表。
在选择研究方式之后，还要考虑构建科学论证能力诊断框架。虽然国内关于学生科学论证能力的分析框架已有不少［3］4，［11-12］，但这些框架只关注到了科学论证能力的要素，比如，观点、证据、推理等，而忽视了科学论证的过程。因此，已有研究对科学论证能力的诊断是片面的。乔纳森（Jonathan）等人根据图尔敏论证模式（Toulmin’s Argument Pattern）建立了评估论证质量的分析框架［9］1008。该框架既关注了科学论证的要素，又关注了过程，但其主要用于评估两人或多人对话式的论证，不适合诊断教师在“自然状态”下写作的研究性论文。因此，本研究借鉴了乔纳森（Jonathan）等人建立科学论证能力分析框架的经验，根据图尔敏论证模式（TAP）的内容构建了适合诊断教师在“自然状态”下写作研究性论文的科学论证能力诊断框架。
本研究的具体研究问题是：（1）任务解决者（高中物理教师）在进行科学论证的过程中容易出现哪些问题？（2）出现的问题可否解决？（3）如果这些问题可以解决，解决的方案可能是什么？
最后需要指出的是，由于证据、推理等的复杂程度不同，任务也将表现出不同的复杂性［13］24。用复杂性不同的任务进行测评，必然会得到关于任务解决者的具有差异性的测评结果。本研究所关注的不是测评结果中高物理教师所表现出的科学论证能力水平的高低，而是通过诊断研究，发现教师在科学论证过程中所出现的问题，并提出可能的解决方案。
2 研究设计
2.1 科学论证能力诊断框架
科学论证包括观点、证据、推理等主要要素［9］999，同时科学论证也是一个过程［13］24，科学论证能力表现为在科学论证的过程中对论证要素进行正确、合理的组织。科学论证开始于一个特定的主张（观点），继而提出该主张（观点）所依据的根据（证据）。接下来，通过观察、实验、分析与推理，得出主张的规则、原则或推论［14］。科学一般始于问题情境，从问题情境中提出观点。因此，本研究将问题情境放在科学论证过程的开端。论证意识是指对何谓论证、如何有效论证的清醒认识与合理运用［15］。心理学的研究表明，意识会对行为产生显著的影响，为此，本研究将产生论证意识放在分析与推理行为的前面。综合上述分析，可以发现，科学论证从问题情境出发，经历了提出观点、产生论证意识、调用论证知识、进行逻辑推理、对观点作出评价等一系列的过程。从问题情境中提出观点：一般不是一个逻辑思维的过程，而是一个直觉思维的过程；产生论证意识的过程：包含对观点进行判断，意识到观点与证据的不同，由此产生寻找证据并用证据证明观点的意识；调用论证知识：包括论证需要的事实证据、实验证据、学科知识等，为后面的推理过程作好铺垫；进行逻辑推理的过程：包括对调用的一系列知识进行合理组织的过程，逻辑推理可能成功，也可能不成功，在遭遇失败时，重新调用更多的相关知识进行新的逻辑推理；对观点作出评价：首先，包括判断观点的正确性并合理作出取舍，其次，还需要考虑正确的观点可否应用或可否扩展其适用范围，是否可与其他知识或事实建立联系，对于错误的观点可否修正后重新进行论证等。
根据上述分析，科学论证能力诊断框架的学科论证能力分成5个水平，如表1所示。
表1中每一水平内容包含上一水平等级所有内容，并在此基础上增加对进阶性的更高要求。水平1标志着能够提出观点；水平2标志着可以产生论证的意识；水平3标志着可以调用论证所需的知识和证据；水平4标志着可以进行正确的论证；水平5标志着可以扩展并联系其他观点。
进行科学论证的过程会涉及到两种基本的思维形式：直觉思维和逻辑思维。观点的提出一般依靠直觉思维，逻辑推理一般依靠逻辑思维。需要特别注意直觉思维与逻辑思维的关系，只有认清它们的关系，才能进行正确的科学论证。
一般来说，直觉思维是创造性思维的重要形式，人类通过直觉产生新思想，实现认识上的飞跃。直觉作为一种非逻辑思维，是对事物本质直接而迅速地判断，是解决问题思路的直接捕捉。从本质上讲，直觉是一种大胆的猜测［16］。苏联物理学家福克曾表示：“伟大的以及不仅是伟大的发现，都不是按逻辑的法则发现的，而都是由猜测得来；换句话说，大都是凭创造性的直觉得来的。”［17］对于由直觉思维所做出的猜测的可靠性，爱因斯坦和英费尔德曾在《物理学的进化》中表示：“以直觉为主导的推理方法是靠不住的……基于直接观察的直觉结论并不总是可靠的，因为它们有时会引向错误的线索。”［18］因此，“直觉成果出现以后，随即而来的便是进行严谨的逻辑加工和整理……要对直觉的成果进行逻辑论证和实践检验……它们两者的关系是互补的，是科学进步的两翼。”［19］逻辑思维与直觉思维是科学思维的两种基本形式。“逻辑思维的基本思维形式是概念、判断、推理，由此决定着逻辑思维的本质和特征。逻辑思维的思维形式是逐级建构的。人们以概念为思维的细胞，在概念的基础上构成判断，在判断的基础上进行推理，由已知的东西出发得到新知。由此决定了逻辑思维具有间接性和概括性，是一种分析性的、程序性的、论证性的思维。”［20］简单来说，直觉思维可以产生大胆的猜测，但这个猜测并不总是可靠的，需要用逻辑思维去论证，只有能经受住逻辑论证的猜测才是可靠的。
2.2 研究对象和研究方法
在教学研究论文的写作过程中，教师有时间进行缜密周全的思考，也可以寻找各种知识、证据等展开论证。在这一过程中能够展现他们真实的科学论证能力，并且他们处于一个相对自然的状态（没有参与公开测评时的紧张氛围与提示性语言等）。因此，本研究采用文献研究法诊断高中物理教师的科学论证能力。在论文所涉及的教学内容上，本研究选择了“修正半偏法测电表内阻的误差”主题作为诊断高中物理教师科学论证能力的测量工具。传统的半偏法测电表内阻的实验存在系统误差［21-22］，通过中国知网文献检索系统可以获取高中物理教师发表的相关文献，文献中所提出的修正系统误差的方法就是高中物理教师针对这一真实问题情境给出的作者本人的观点。本研究结合“科学论证能力诊断框架”，分析高中物理教师在消除或降低系统误差中所涉及的科学论证过程。
2.3 数据来源与数据收集方法
本研究的数据来源于中国知网数据库。数据收集方法如下：在“总库”中以“主题”方式进行搜索，收集相关文献。首先，分别以关键词组合“‘半偏法’与‘误差’与‘改进’”“‘半偏法’与‘误差’与‘清除’”“‘半偏法’与‘误差’与‘修正’”进行搜索，得到关于修正半偏法误差的相关文献。对得到的所有文献进行汇总，为了避免遗漏，以“半偏法”为关键词进行搜索，并对已经汇总的文献进行核实和补充。其次，对汇总的文献进行内容分析，根据“改进方案”的类型进行分类。再次，对每篇文献进行仔细的内容分析，按照“科学论证能力诊断框架”为每篇文献的论证过程划分水平等级。从次，统计各类改进方案的各种等级文献的数目，分析特征，找出问题。最后，寻找可以参照的标准，分析出现的问题可否解决、如何解决。
3 研究实施过程与结果
3.1 研究实施过程
本研究在中国知网数据库中进行搜索，截止到2023年11月24日，在“总库”中以“主题”方式搜索关键词组“‘半偏法’与‘误差’与‘改进’”，得到39篇相关文献；搜索关键词组“‘半偏法’与‘误差’与‘消除’”，得到20篇相关文献；搜索关键词组“‘半偏法’与‘误差’与‘修正’”，得到6篇相关文献。三类文献汇总并除去重复文献共得到50篇相关文献。为了避免重复和遗漏，在“总库”中以主题方式搜索“半偏法”得到324篇文献，一一进行核实后增加0篇文献。为增加文献数量，在“总库”中以“主题”方式搜索“‘电表内阻’与‘改进’”，得到24篇相关文献；搜索“‘电表内阻’与‘消除’”，得到28篇相关文献；搜索“‘电表内阻’与‘修正’”，得到8篇相关文献，经过内容分析增加文献1篇，最后得到51篇待进一步研究的相关文献。
对51篇文献进行内容分析，发现两类比较常见的改进方法：一类是“在干路中添加电流表”［23］，另一类是“在干路中添加补偿电阻”［24］。两类改进方法所涉及到的文献共27篇。分类汇总发现，“在干路中添加电流表”的高中物理教师的相关文献共有18篇，“在干路中添加补偿电阻”的高中物理教师的相关文献共有6篇。此外，还分别获得了4篇和3篇大学物理教师关于这两类改进方案的文献。这些文献将用于分析和对比高中物理教师与大学物理教师的科学论证能力，并对发现的问题的可解决性作出判断。