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    科學概念學習中論證教學的作用探究

    時間:2019-01-07 來源:天津師范大學學報 作者:宋歌 本文字數:12657字

      摘    要: 基于證據的論證教學促使學生不斷重構和發展對科學知識的理解。運用元分析的方法, 收集了2000-2016年國內外論證教學對科學概念學習影響的實證研究, 綜合了符合納入標準的23篇準實驗研究的30項研究數據。元分析結果表明:論證教學對于學生科學概念學習影響的效應量 (Effect Size) 為0.934。亞組分析發現, 這種效應受教學時長、教學模式、分組方式、論證形式和學習環境等調節變量的影響;回歸分析表明論辯能力和科學概念兩個變量的學習增益存在一定的相關性。元分析結果為合理有效地將論證教學引入中國課堂、進行教學的實施和優化提供了經驗證據。

      關鍵詞: 論證教學干預; 科學知識; 概念理解; 概念轉變; 元分析;
     

    科學概念學習中論證教學的作用探究
     

      Abstract: Evidence-based argumentative teaching facilitates students' reconstruction and development of scientific knowledge. This meta-analysis integrates the empirical study on this issue at home and abroad from2006 to 2016, which contained 23 quasi-experimental research accompanied with 30 data. The results shows thatthe effect size of argumentative teaching on students' scientific concepts learning is 0.934. The subgroups analysisindicates the effect is influenced by the moderators, such as teaching time, pattern, grouping, argument style andlearning environment. And the regression analysis shows that the interventions which could predict students' argu-mentative competency also indicate positive effects on their scientific concepts learning. The results provide fur-ther empirical evidence for the rational and effective implementation of argumentative teaching. Most importantly, they also supply the direct proof for the application of localization.

      Keyword: argumentative teaching interventions; scientific knowledge; conceptual understanding; conceptual change; meta-analysis;

      一、問題提出

      科學的核心是伴隨知識建構的對話過程, 論證在其中扮演著重要角色。科學教育的目標應該是讓學生建構關于自然世界的科學解釋, 評估科學證據, 理解科學知識的生產過程, 參與科學實踐和話語交流[1], “科學即論證”已成為科學教育界的共識。美國新近的科學教育文件《K-12科學教育框架:實踐、交叉概念和核心觀念》和課程標準《下一代科學教育標準》都傳遞了論證服務并促進探究的教學構想[2], 進一步強調了“科學課堂應創造讓學生參與論辯實踐的機會, 尤其是評估某一知識主張為何優于其它競爭性主張”。學習者不再訴諸于教師或課本的權威獲得作為結論的科學知識, 而是在語言和思維的碰撞中反思和修正自己對科學概念的理解, 完成知識的整合和發展。

      早期研究表明年幼的兒童就可以建構論點[3], 然而真正意義上對多樣化觀點提出考證和反駁則出現在較晚的認知發展階段。這就意味著復雜、高級的論證能力并非學習者自發的認知行為, 需要在教育情境中不斷內化和發展。二十多年來, 國外研究者就論證教學進行了積極探索, 一是學習論證 (learning to argue) , 關注論證結構要素和語言規則的直接教學, 提升學生參與論辯的能力;二是在論證中學習 (arguing to learn) , 強調將論證作為學習學科核心概念的重要工具。[4]既往研究發現, 提出反駁的論點可以預測科學知識的習得, 運用論證序列的頻率越高, 學生概念理解的獲益越大[5], 論辯能力的提升影響科學概念的學習增益, 但是鮮有文獻報告兩者的相關系數;其次盡管已有研究結果較為一致地表明論證教學可以促進科學概念學習, 但是干預時長、教學模式、論證形式、分組方式和學習環境等因素對二者關系的影響并沒有統一的結論。

      元分析為鑒別和理解影響學習結果的預測和調節變量提供了可能, 它對關于同一個問題的多項獨立的定量研究進行再分析[6], 以效應量作為衡量實驗效度強度的指標, 充分運用定性和定量的方法對不同過往的研究結果進行系統地綜合。科學論證充分體現了科學思維的特征, 正在得到我國科學教育領域的廣泛關注[7], 但相關研究尚處在基于西方已有研究成果, 探索中國模式的理論分析、述評階段。本研究將運用元分析技術探究論證教學對科學概念學習可能的影響機制, 并考察論證教學的研究設計特征對這一效應的影響, 以期為我國進行論證教學的本土化嘗試以及基于核心素養的科學教學實踐改革提供更多的經驗證據。

      (一) 論證教學

      從目標或功能的視角看, 論證包括修辭和辯證兩種形式, 修辭式論證指論辯者說服真實或想象中的讀者確信某一主張的勸說式對話, 突出論證的結構要素;辯證式論證指參與者逐漸消除觀點分歧的批判式討論, 強調多元聲音互動。[8]辯證式論證對觀點持有者和反對者給予同等程度的關注, 在科學教育中的應用更為廣泛, 正如庫恩 (Kuhn) 所說“唯有權衡所有的備擇觀點, 試圖查明不是什么, 個體才能確定是什么。”[9]因此本研究中的教學即基于辯證式論證的教學活動, 是發生在課堂共同體中的個體認知過程和社會協商行為。學習者就科學現象或探究問題建構暫時性的知識主張, 在教學支架的指引下, 基于理論或經驗證據進行辯護、解釋、質疑和反駁, 經過這樣迭代的對話, 解決觀點沖突, 實現認知重構, 發展共有知識。

      (二) 科學概念學習

      自20世紀90年代以來, 受概念轉變和建構主義思潮的影響, 研究者越來越多地使用“概念理解”和“概念轉變”來調查科學概念學習結果。[10]概念轉變的學習觀認為學習是前概念不斷發展、修正和重建的過程, 強調學習者的主動建構, 這一過程既蘊含對已有知識的改造, 又有對新知識的意義建構。

      知識的本質是概念和命題, 科學概念本身具有一定的復雜性, 學習者需要掌握不同概念的差異, 才能廣泛而靈活地運用概念解決真實情境下的結構不良問題。因此, 學校科學課程的關鍵課題是從碎片化的知識傳遞轉向建構整合的知識。2015年PISA對科學素養的核心界定為“培養具有反思能力的公民, 運用科學知識參與科學事務”, 對于學生來講重要的不是對知識的記憶, 而是基于知識的生產過程對知識的可信度進行評價。因此本研究中的科學概念學習是指學習者從源于日常生活的樸素概念逐漸向科學概念轉化, 以及概念的統整、拓展和有意義運用的過程。

      (三) 論證教學與科學概念學習的關系

      論證教學可以促進學生的科學概念學習。目前, 最具代表性的SWH (Science Writing Heuristic, 啟發式科學寫作教學) [11]、ADI (Argument-Driven Inquiry, 論證驅動的探究) [12]和PCRR (Present-Critique-ReflectRefine, 呈現—批判—反思—提煉) [13]教學模型都強調課堂共同體成員在真實的問題情境中對知識主張進行建構和評估, 反思自己的知識發展。首先, 觀點分歧是論辯發生的條件, 對話促使學習者隨時重新考慮所持有的觀點, 不斷修正自己的理解, 滿足了概念轉變的必要條件;其次提出反駁和對反駁的回應需要學習者深入思考觀點背后的推理過程, 并向同伴表達與交流, 這些行為引發了自我解釋效應, 促進了高水平的認知加工;再次, 反思活動促進了學習者運用元認知的知識和策略監控、調節整個認知過程。

      如此看來, 論證教學改變了傳統課堂中IRE (initiative-response-evaluation, 觸發—回應—評估) 單向傳遞的話語結構[14], 師生共享對話空間, 學習者有充分的自主權對自己和他人的觀點負責, 能最大限度地投入到學習中。經過一段時間的干預, 從描述到解釋, 再到評估, 伴隨著論辯能力的提升, 學生能夠自如地在建構者和批判者的角色間來回移動, 自發地運用各種論辯話語策略協調不同的觀點, 擴展知識圖式。有效參與論證是表達概念理解的途徑, 如果互動行為僅停留在認同和精煉, 就無法通過觀點的碰撞來推動知識建構, 學生話語行為的變化不僅代表了他們從論辯的邊緣性參與者發展成為核心參與者, 也顯示了不斷深入的概念理解。證實或證偽觀點的能力是建構知識的基礎[15], 論證教學干預的可能機制是通過促進學生參與論辯進而正向預測科學概念的學習結果。

      (四) 論證教學與科學概念學習關系的影響因素

      科學論證促進科學概念學習的教育價值不言而喻, 當前學界更關注如何優化教學設計與實施, 促進學生有效參與論證[16], 以最大程度地發揮科學論證的教育實踐價值。

      開展論證教學需要與之相適的課堂規范, 師生要對課堂角色、權威關系的轉換做出調適, 教學時長是促進學生參與論辯的重要影響因素。[17]有研究者先進行1-2課時的論證結構學習, 然后在若干周的論證活動中學習核心概念, 結果表明實驗組的論辯能力和科學知識測評均顯著優于控制組[18], 但也有研究顯示1-2課時的短時教學干預就能引起學習結果的實質性變化。[19]目前, 關于教學時長的干預效果還未有定論。

      還有學者強調教學時長并不能保證學生的有效參與, 關鍵是在實踐中讓學生領會支配論證的目標和行為規范。[20]研究者批判學習論證和在論證中學習相剝離的結構式教學, 弱化了論證解決學科批判和提煉科學知識的功能性價值, 學生在這種脫離語境的技能學習中僅關注如何滿足教師的期望。[21]于是提出將學習論證嵌入論證中學習的融合式模式, 讓形塑論證的話語結構與科學核心概念的學習同時發生[22], 隨著對話逐漸向形成符合學科規范的方向進行, 學生得以建立可靠的知識并促進求知。然而尚未有研究建立模式差異與學習結果的定量關系。

      除了上述爭論, 教學組織形式和論證形式也呈現一定的差異性。有研究以小組討論形式開展教學干預[23], 但也有研究者認為質疑和反駁往往引起情感沖突, 教師需要“控制”對話移動, 引導學生開展持續的理性對話[24], 提議進行班級整體討論, 學習者以個體形式參與論證, 課堂話語結構表現為觀點上的對話式和話語權上的獨白式。論證以對話為媒介外顯化學生內隱的思維策略, 不同的論證形式承擔了互補的認知功能, 都是學生知識發展的學習工具。“說”對于分享觀點、激發思維至關重要, 口頭論辯偏向表達、闡釋知識, “寫”用來建立多個主張之間的聯系、揭示論證型式。研究者通常采用口頭論辯[25], 或書面論證[26], 再或兩種并用的活動形式實施干預。[27]不同類型的教學組織形式和論證形式的優劣還有待進一步探索。

      傳統課堂中, 學習時間、大班教學等客觀因素限制了論證教學的充分展開, 隨著信息技術的發展, 研究者們開發了計算機支持的協作學習 (computer-supported collaborative learning, CSCL) 工具或軟件來支持論證教學。[28]運用信息技術的及時性創造引發論證的情境, 使用協同腳本、種子論說和沖突圖式等技術形式的教學支架引導學生建構和批判。

      綜上, 本研究將以干預對科學概念學習的效應量為結果變量, 干預對論辯能力的效應量為預測變量, 進行回歸分析從定量的角度探究論證教學促進科學概念學習的影響機制。其次, 當前研究中的研究特征存在一定的異質性, 可能影響干預效果, 本研究將可能影響效應量的教學時長 (長、短) 、教學模式 (結構式教學、融合式教學) 、教學組織形式 (小組討論、班級整體討論) 、論證形式 (口頭、書面、口頭和書面) 、學習環境 (傳統課堂、計算機輔助) 作為調節變量進行對比。

      二、研究方法

      (一) 文獻檢索

      本研究依據研究問題, 和已有相關文獻綜述中的界定, 以“argumentation/argument”并含“scientific education”、“concepts/conceptual understanding/conceptualchange/conception shift/knowledge development”為英文搜索關鍵詞, “論證”并含“科學教育”或“概念理解”、“知識”為中文搜索關鍵詞, 在EBSCO、Web of Science和中國知網等數據庫中搜索。預設的檢索標準為:研究發表時間在2000年之后;研究內容為論證教學對科學概念學習的影響。

      (二) 文獻納入標準

      通過第一次檢索, 以及對第一次文獻參考文獻的二次檢索, 共得到165篇英文文獻和19篇中文文獻。依據研究目的確定文獻的納入標準為:一是來源為期刊論文;二是發表時間2000-2016年;三是被試不包括特殊學生;四是研究設計必須是實驗組與控制組對照或單組前后測對比的準實驗研究;五是必須包含對科學概念學習 (概念理解或認知) 、論辯能力 (論證話語質量) 的測量:六是必須提供可計算效應量的統計檢驗結果 (例如:均值、標準差、t值/F值、準確或歸類性p值以及樣本量等) 。共確定23篇外文文獻用于本研究的再分析, 其中15篇報告了論辯能力和概念學習配對的測量結果可納入回歸分析。

      (三) 效應量計算及選取

      本研究運用Comprehensive Meta-Analysis Version 2.0 (CMA-V 2.0) 和SPSS22.0軟件進行數據分析, 效應量使用的指標為差異類效應量Hedges的g值。文獻中若包含除干預外的其他多水平自變量, 比如被試包括K-7/9兩個年級的學生[2], 將不同水平的結果數據作為獨立的效應量[29]P217-223) ;若研究設計有多個實驗處理, 比如開發兩種信息技術工具輔助學生進行爭論[25], 但只有一個控制組, 不同干預的效應量具有相關性[30]P239-242) , 然而將不同干預手段效應平均化會損失相關變異的重要信息, 本研究仍作為獨立的效應量來處理。

      (四) 納入文獻基本描述

      對選定的文獻按照作者及發表時間、國別、學科、樣本量、年級水平、因變量測量等進行編碼:樣本總量為3 950名學生, 最大樣本量838, 最小樣本量為28, 僅這一項獨立研究的樣本量低于30;17項研究被試為中學生, 共2 615名占樣本總量的66.20%, 2項研究被試為小學生, 4項研究被試為大學一年級學生或高年級段的職前師范生;學科分布以物理、化學、生物為主, 占研究總數的75%;樣本來源美國10項, 亞洲9項, 歐洲和英國各2項;15項研究中的因變量測量是干預中學習的科學概念;共獲得21對可用于回歸分析的效應量, 30個用于統計整體效果量和調節效應分析的效應量。

      文獻中參與干預的教師都經過了一段時間的培訓或由研究者本人擔任, 具備進行論證教學的素養, 能夠創設相應的課堂文化環境, 提供必要的教學支架解決學生在論證活動中遇到的困難, 或調停因反駁引起的言語或情感沖突, 降低了因教師教學實施差異可能的實驗結果誤差。大多數研究基于概念轉變和協作學習的原理、TAP模型1和Leit?o論證序列2設計干預手段。為排除前知識對實驗效果的影響, 有研究以前測成績作為協變量[31], 也有研究在干預前對實驗組和控制組進行差異檢驗[32], 再或對被試進行隨機分組[33]。個別研究以班級為隨機抽樣的單位, 數據具有嵌套特性, 研究者通過計算組內相關系數和設計效果 (design effect) 判斷是否必須以多層次統計技術分析數據資料。[34]對于被試以小組形式參與的教學干預, 為排除組成員對個體表現和作答的影響, 研究者運用包含個體和組兩個層次的多水平模型處理數據。[35]

      三、統計分析

      (一) 整體效應量

      同質性檢驗結果顯示入選研究中的效應量存在異質性, Q=415.847, P<0001, I2=93.026, 說明93.026%觀察變異是由效應值的真實差異造成的, 故采用隨機效應模型計算整體效應量[36], 效應值的置信區間 (CI) 為95% (見表1) 。如表1所示, 整體效果量為0.934, 按照科恩 (Cohen) 提出的效應值參考標準, 論證教學對科學概念學習具有高度的正向影響 (g>0.8) 。進一步采用漏斗圖檢驗文獻的發表偏倚, 和失安全系數考察發表偏倚對當前結論的影響, 失安全系數是推翻當前合并結論或使當前合并結論逆轉所需要的結果相反的研究個數。[37]如圖1所示, 大部分效應量近似分布在漏斗兩側, 有4項研究偏離其它研究且效應量較大, 提示研究可能存在發表偏倚。本研究的失安全系數為4 926, 即需要4 926個相反的研究結論才能推翻本結論, 說明該元分析結果較為穩定。

      表1.整體效應量結果
    表1.整體效應量結果

      圖1 發表偏倚漏斗
    圖1 發表偏倚漏斗

      (二) 回歸分析

      圖2回歸變量圖的橫軸和縱軸分別為論證教學對科學概念學習、論辯能力的原始效應量。回歸的非標準化回歸系數B=2.122, SE=0.122, P<0.001, 結果顯示原始研究中對論辯能力具有顯著正向預測作用的教學干預對科學概念學習具有同樣強度的影響。

      圖2 論證教學對論辯能力和科學概念學習效應量的關系
    圖2 論證教學對論辯能力和科學概念學習效應量的關系

      (三) 亞組分析

      亞組分析旨在考察教學時長、教學模式、教學組織形式、論證形式和學習環境等研究特征對效應量的影響 (見表2) , 重點在于獲得量化的證據指導論證教學實施, 并非關注調節變量的不同水平是否具有顯著差異。由表2可知, 長時教學效果量高于短時教學;融合式教學優于結構式教學。從教學組織形式來看, 小組協作學習優于班級整體形式的個別學習;綜合運用書面和口頭兩種論證形式更能有效促進學生科學概念學習;傳統課堂教學效應量略高于計算機輔助教學。

      表2.亞組分析:研究特征對效應量的影響
    表2.亞組分析:研究特征對效應量的影響

      注:個別研究中對調節變量特征未作詳細描述, 無法納入亞組分析, 故個別調節變量n總和小于30。

      四、討論

      整體效應量 (g=0.934) 表明論證教學是促進學生科學概念學習的有效手段。論證教學中的對話呈現了不同個體理解的差異性, 由此發生了知識互補下的概念重構和轉變。課堂話語結構是決定學生停留在表層記憶還是深層加工的關鍵要素, 論辯的語境讓課堂共同體成員通過爭論和協商, 從認知沖突走向共識建立。

      (一) 論辯能力是可能的中介變量

      回歸結果表明, 論辯能力提升與知識增益存在顯著關聯, 與新近對CSCL論證學習的研究結果一致[38], 論辯能力越高的學生科學知識增益更明顯。這種計算為中介關系提供了可能, 論證教學干預通過提升學習者的論辯能力從而促進科學概念學習。但是并不能明確論辯能力改變是否為論證教學與科學概念學習之間的中介變量, 目前缺乏足夠數量的獨立研究, 未來隨著研究的進一步豐富可運用新近提出的兩步結構方程模型 (two-stage SEM, TSSEM) [39]P231-235) , 整合元分析和結構方程技術來系統分析多個研究間的作用機制。

      (二) 長時教學與融合式教學促進了學生內化論證規范

      短時教學雖然能激活學生“潛伏”的論辯能力, 然而隨著論證結構要素和要素之間的聯系增多, 工作記憶的認知負荷也在不斷增加, 學習者需要基于持續的參與逐漸領會論證的話語規則。基于認知學徒制的融合式教學將論證技能的學習視為對話者、論證規范和話語情境之間的動態互動, 一方面強調共同體成員在對話中形成對論辯目標和話語規范的理解, 許多質性研究范式下的課堂話語分析都顯示, 這種理解影響高質量的論證行為[40]41];另一方面論證的核心要素滲透并貫穿于探究活動的始終, 知識和求知的方式都合法地問題化, 學生可以像科學家一樣以論證為活動工具。調節效應檢驗也表明長時教學 (g=1.045, 短時教學g=0.698) 和融合式教學手段 (g=1.504, 分段教學g=0.756) 更能促進知識認知。

      (三) 教學組織形式與學習環境存在交互作用

      從教學組織形式看, 整體討論中相對有限的發言機會阻礙了學習者充分的參與。已有研究表明從論證中受益的閾值水平是在口頭上與他人的觀點互動。[42]小組協同學習中的同伴為個體提供了附加的學習資源, 彼此累積的工作記憶擴大了個體的信息加工能力。因此小組學習 (g=1.022) 的效應量高于班級整體討論 (g=0.269) 。

      計算機支持的論證教學可以根據學習者內部腳本的變化適時提供外部腳本3, 降低認知負荷;定量測量和可視化表征還可使學習者獲得實時反饋, 促進元認知活動。但是計算機輔助的教學環境 (g=0.837) 效應量卻低于傳統課堂 (g=1.038) , 可能由于CSCL的論證教學會出現以下問題:一是過程損失 (process loss) [28], 比如角色和權威分配等會阻礙成員的平等參與;二是對話移動的方向由參與者的實時語言互動決定[43], 而現有的平臺大多是線性論證序列設計;三是以計算機為媒介的虛擬環境缺少肢體語言、語調、眼神和群體認同感等社會情境要素的提示, 降低了學習者參與論辯的興趣或積極性。[44]這些消極效應抵消了協作學習的積極作用, 教學組織形式與學習環境可能存在一定的交互作用。

      (四) “說”與“寫”并用的論證活動發揮高階認知功能

      口頭論辯的效果量最低 (g=0.632) , 研究者在話語分析中發現學習者傾向于尋找支持自己觀點的證據, 而忽視與之不一致的信息和解釋[45], 甚至有學生重新解讀證據來匹配自己錯誤的主張, 也不愿修正觀點[46], 而重復地解釋觀點很難實現新知識的生成。除此之外, 對話者的回應影響論辯的繼續[47], 缺乏有效的同伴評估也將弱化論辯促進概念學習的效應。書面論證的效果量高于口頭論辯 (g=1.124) , 書面論證需要建立日常語言、科學語言和讀者語言的關系[48], 這種轉換要求不斷反思和澄清對概念的理解, 有助于激發提升認知水平的潛能。

      也有研究者認為“寫”與“說”一起才能發揮語言的高階認知功能——讀者意識、多重形式表征和類比推理[11], 從而獲得更深層次的學習結果, 與本研究結論一致 (g=1.132) 。讀者意識促使學習者對彼此的觀點督責, 這種意識可以通過多回合的口頭論辯遷移至書面論證中;讀者的存在促進了言語互動, 從而引導學生進行類比推理;科學是抽象的, 推理過程的表征形式影響學習者建構概念理解的心智模型, 只有建立口頭論辯中的說明與書面論證中的文本、圖表等多樣化表征的聯系和一致性, 才能發生豐富而完整的概念理解。

      五、不足與展望

      本研究細致地分析了論證教學對科學概念學習的影響, 也存在一些不足:一是雖然采用了全面的文獻檢索策略, 但仍有可能遺漏相關研究;二是個別文獻因缺乏計算效應量的足夠數據, 無法納入本研究的再分析;三是納入分析的研究對于調節變量特征未描述或描述模糊, 使得某些調節變量水平上的研究較少。

      論證已成為國際科學教育的主流范式, 對未來研究的展望:第一, 借鑒本研究的經驗證據, 并進一步探索在回歸分析和亞組分析中分別發現的可能的中介、交互效應;第二, 新近文獻關注教師生成性的教學實施如何影響學習者掌握和內化論證的學習結果[49], 目前成果量尚少不足以進行元分析, 將會持續關注;第三, 當前國際科學教育的實踐轉向對論證引入教育情境提出了更高要求, 研究者愈發關注“論證怎樣發生”、“論證如何發展”等問題, 因此聚焦課堂話語, 采用質性研究范式, 通過語言理解特定情境下師生互動的意義必將為促進學生平等有效的參與論證提供更多的經驗證據。

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      注釋:

      1 TAP (Toulmin Argument Pattern, 圖爾敏論證模式) 模型由圖爾敏本人于1942年提出, 認為論證包含6個基本的結構要素:主張、證據、保證、支持、模態限定詞和例外條件。
      2 Leit?o指出一個完整的論證序列由論證 (arguments) 、反駁 (counterarguments) 和回應 (responses) 組成。
      3 內部腳本是學習者已有的程序性知識, 外部腳本是研究者設計開發的促進學習者學習的活動規范和內容工具。

      宋歌.論證教學對科學概念學習影響的元分析[J].天津師范大學學報(基礎教育版),2019,20(01):48-55.
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