弭 樂 郭玉英

(北京師范大學物理學系，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論研究.

2010年,Cavagnetto對54篇論證教學文獻進行研究,結果發(fā)現(xiàn)科學論證教學策略可分為3類:[6]結構式、科學社會式和滲透式．結構式教學策略與具體內(nèi)容和探究活動分離,單純教授論證結構,并要求學生在不同的解釋活動中應用論證．科學社會式教學策略利用社會和科學的交互作用來學習科學論證,強調了社會(包括政治、道德、倫理等)對科學的影響．滲透式教學策略將論證作為一種工具,幫助學生構建、理解科學規(guī)律和科學文化實踐活動．Cavagnetto認為滲透式教學策略完全符合科學教育實踐,是最有希望培養(yǎng)科學素養(yǎng)的論證教學策略．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模式.它基于學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,圍繞模型建構逐步深入地展開論證過程,將建模和論證有機結合,在促進學生科學能力發(fā)展的同時深化對學科核心概念的理解．SNP模式依據(jù)模型闡釋了科學論證多方面的本質,能夠對科學論證過程進行充分的描述和解釋,為判斷論證的質量提供了明確的參考點,因此該模式創(chuàng)設了一種全面、有效的評判視角,完善了對論證質量的評價．本文介紹SNP模式并結合教學主題展開理論探討,供我國科學教育中的建模和論證教學參考借鑒．

1 SNP教學模式簡介

1.1 研究基礎和理論框架

2013年美國明尼蘇達大學(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教學模式(the Negotiation Cycle,簡稱NC)．[7]該模式將論證作為理解科學核心概念和參加實踐活動的工具,幫助教師將科學論證引入科學課堂．2016年Chen等將建模要素融入NC模式,同時參考了SWH教學模式(the Science Writing Heuristic approach,簡稱SWH)[8]和ADI教學模式(the Argument-Driven Inquiry,簡稱ADI),[9]經(jīng)過整合提出SNP教學模式．SNP模式包含了SWH模式和ADI模式中的初步構建論證環(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)指出科學家并不是單純從口頭上建構和批判觀點,[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)．結果表明,隨著時間的推移,學生通過協(xié)同使用對話和寫作成為知識發(fā)展中更成功的批判者,并且當學生同時使用對話和寫作這兩種學習工具時,認知功能變得更加復雜．[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活動中,旨在全面提升學生的科學思維能力,促進其科學素養(yǎng)的發(fā)展．SNP教學理論框架如圖1所示．[13]

圖1 SNP教學理論框架

SNP理論框架將大概念作為主導性元素,建模和論證基于大概念展開．大概念包括共通概念和學科核心概念:[14]共通概念側重跨學科內(nèi)容的組織,如:系統(tǒng)和能量;學科核心概念多用來整合某一學科內(nèi)的知識,如:機械運動和力．師生在大概念引領下共同確定研究問題,學生基于研究問題建立科學模型．模型是針對復雜、不可見、抽象的現(xiàn)象所構建的簡化、具體、可視化和假設性的表征．表征的形式可以是簡圖、圖表、數(shù)學關系、模擬和物理模型等．模型復雜度可以從簡單擴展到非常復雜,如從實物模型到計算機模擬．課堂上教師要求學生先從簡單模型開始,使構建和評估模型的過程在大概念引領下盡可能實現(xiàn)．學生圍繞模型構建科學論證,論證結構包括主張、證據(jù)和推理．主張是對觀察或現(xiàn)象的反應,它可以是猜想、結論,或者是針對研究問題的回答．一個科學的主張必須有證據(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變?yōu)橛幸饬x的解釋．推理是由證據(jù)和理論構成的邏輯判斷,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建科學論證過程中發(fā)揮了重要作用,科學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框架的教學模式

教師利用SNP理論框架指導教學設計,開展基于建模的論證教學活動．下面以“牛頓第一定律”建模論證教學為例,說明如何基于SNP理論框架設計具體的教學環(huán)節(jié)．師生基于大概念(力與運動的關系)確定研究問題(物體的運動需要力維持嗎?),學生分小組展開建模和科學論證活動,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框架的教學模式

第一階段:創(chuàng)設驅動問題.

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“力與運動的關系”．基于大概念確定具體、清晰的驅動問題是整個探究活動的關鍵．學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)學生思考和深入挖掘概念,因此“深”問題能夠吸引學生參與探究、數(shù)據(jù)分析和討論．

學生提出高質量問題后,教師要與學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,因為它們涉及復雜的變量關系、受時間限制以及缺乏測試環(huán)境等．為了幫助學生探究可驗證的問題,教師首先要求學生基于生活中的運動現(xiàn)象,思考運動背后的原因是什么．學生頭腦風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”的標準討論和確定驅動問題．大多數(shù)學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:各小組初步構建模型.

驅動問題確定之后,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系,利用模型回答驅動問題．學生分小組合作探究,教師給每個組一個資源包,其中包含學案(附有驅動問題,活動描述和材料名稱等)和實驗器材，如表1所示．[13]

表1 學生學案(階段2)

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

(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?

學生第一次建模不符合科學理解和解釋是正常的．教師應當多鼓勵學生,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”.幫助學生建構和完善模型,為學生構建科學論證做準備．

第三階段:各小組初步構建論證.

下一步各小組要圍繞模型初步創(chuàng)建科學論證,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,證據(jù)主要是定性的．教師鼓勵學生基于模型進行定性描述并作出合理的推理．教師為學生提供科學論證寫作指導,如表2所示．[13]

表2 科學論證寫作指導(階段3)

教師通過探測性問題監(jiān)測學生的進展,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,“關于你們的模型,同學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組織學生展開全班討論和論證活動．學生在批判性環(huán)境中分享、辯論、說服和合作建構對大概念的理解．學生通常需要經(jīng)歷多輪的設想、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.該過程幫助學生認識到其模型和論證的優(yōu)缺點,促進隨后的改進．教師參與學生討論,及時為學生提供腳手架,給予建設性反饋和促進統(tǒng)一．這個階段,學生可能存在3個難點: (1) 不知道U形斜槽的作用; (2) 沒有將實驗和科學推理相結合,體現(xiàn)理想實驗方法．教師為學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．學生多次修正后,教師確保學生清晰表達系統(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威之間的差距．因此,該階段給學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”的咨詢增強了學生學習的主體地位．閱讀策略非常重要,它幫助學生理解“專家”的意義,構建其關聯(lián)．表3提供了一些建議,供學生參考．[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,幫助學生理解和鞏固概念．寫作階段促進學生反思概念的轉變,例如:什么經(jīng)歷促進概念轉變以及建構了哪些觀念．學生有機會回顧模型、器材和論證,類似于科學家在研究性論文的討論階段闡釋知識或結論的意義．學生基于模型、論證以及參考科學界對大概念的闡釋表達個人對大概念的理解,是意義建構和升華的過程．

為了幫助學生提高反思性寫作水平,基于學習進階理念開發(fā)寫作評價標準,供學生參考(見表4)．[13]評價標準幫助學生理解: (1) 什么是具有良好構造的主張(伴有合理的支撐證據(jù)); (2) 構建科學論證時,什么在問題、主張、證據(jù)和模型之間構成了有力的、良好的結構關系．另外,教師基于評價標準能夠評估學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 學習進階寫作評價標準(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]學生在大概念指引下構建模型,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生深入理解概念,并能夠反映在口頭和書面論證中．學生能夠將口頭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)展和書面論證質量的提高表明了學生的口頭辯論和書面論證的發(fā)展是彼此正相關的．

2 討論與展望

基于SNP教學理論框架、教學模式以及實施效果,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實踐活動,論證過程圍繞模型的建構、評價和修正創(chuàng)建起來,幫助學生發(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)展學生的核心素養(yǎng)

SNP模式的整個教學過程以學生為中心,通過小組合作的方式圍繞模型展開科學論證活動．學生在階段1(創(chuàng)設驅動問題)用“淺—深”和“驗證—研究”的標準討論和確定驅動問題,能夠發(fā)展提出問題的能力和分析判斷能力．階段2(各小組初步構建模型),學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,學生需要將理論模型轉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)的要素進行對應或協(xié)調才能構建成實體模型．[23]因此,建模過程體現(xiàn)了科學思維能力的培養(yǎng)．小組基于大概念通過分工協(xié)作選擇適當?shù)牟牧?運用數(shù)學和計算機思維開發(fā)和建立模型并進行調試,發(fā)展了合作技能、探究能力和建模能力．階段3(寫作論證:各小組初步構建論證),學生基于模型構建科學解釋,然后做好論證前的準備工作,能夠發(fā)展建構論證的能力．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生書面論證能力,也能夠幫助學生深入理解核心概念和科學本質,因此它是意義建構和升華的過程．

在大概念引領下,學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,學生不僅發(fā)展了科學思維和深化認識大概念,而且內(nèi)在的經(jīng)歷了科學本質的教育,因此SNP模式所體現(xiàn)的教育價值符合我國課標修訂理念對發(fā)展學生核心素養(yǎng)的要求．

2.2 SNP模式為診斷學生核心素養(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注知識本身、教學進度以及預先的探究結果,在教學中沒有從發(fā)展核心素養(yǎng)的視角對學生的學習發(fā)揮有效的診斷、評價和導向作用．SNP模式在大概念引領下圍繞模型創(chuàng)設了獨特、全面的評判視角,能有效診斷、評價學生的核心素養(yǎng)表現(xiàn),它包括教師評價和學生互評兩方面．

教師在評價中始終以學生為中心,及時關注學生的模型建構、科學論證以及對大概念的理解,通過模型追蹤學生的學習或對某一大概念的理解,針對學生的論證水平表現(xiàn)及時調控教學活動或科學素養(yǎng)教學目標．例如:教師循環(huán)到各個小組,通過各種提問,監(jiān)督、診斷和評價學生的核心素養(yǎng)表現(xiàn),并對教學過程實時調控或干預(如:階段2、階段3、階段4)．

在學生互評過程中教師鼓勵學生充分發(fā)表自己的見解,并引導學生依據(jù)核心素養(yǎng)的評價標準展開互評,例如:科學論證寫作指導(第三階段)或學習進階寫作評價標準(第六階段)．學生在思考、評判對方模型、觀點和論證過程中,不僅提高了學生之間的交流與合作技能,也是對所學知識進行鞏固、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模式的教學評價實現(xiàn)了教師主導和學生主體觀念的轉變,在大概念引領下將建模、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 基于大概念引領下的建模與論證實踐的交互不僅激發(fā)了學生學習的動力,還有利于整合跨學科概念,符合我國分科教學實際

SNP模式是大概念統(tǒng)領下的建模-論證教學活動,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策略,有助于消除傳統(tǒng)論證或建模教學中遇到的障礙,促進教學的順利開展．另外,由于我國分科教學的限制,不同學科之間的交叉概念,也缺乏有效的整合,導致學生掌握了零散的學科知識,未能形成健全的知識結構．因此,教師在大概念(共通概念)引領下組織學生整合跨學科概念,促進學生關聯(lián)不同學科知識以及構建完整的知識體系,有利于克服分科教學的弊端．

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

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