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新加坡科学教育一向重视以科学探究为核心的实践操作活动，使科学实践操作与理论知识的理解与应用形成有机结合。近年来，新加坡的科学教育开始注重在科学探究中发展学生的科学论证能力，即运用证据来支持并表达个人主张，以及判断与评价他人观点的能力。起初，新加坡中小学以图尔敏的论证结构（Toulmin’s Argument Pattern，简称TAP）为指导进行论证教学，此论证结构包括资料、主张、论据、支持、条件限制和反驳六大要素。但是，很多教师和学生在科学论证过程中出现混淆部分基本元素的情况，特别是对“反驳”要素的理解和应用存在很大问题。之后，经过进一步研讨，中小学的科学课堂变更为以CER框架（Claim-Evidence-ReasoningFramework，以下简称“CER框架”）为指导进行论证教学。CER框架实质上是指向科学素养培育的科学论证框架。本文从基本内涵、特征表现、应用及评价标准等方面对CER科学论证框架进行解读，并试图从中得到改进我国中小学科学教育的启发性经验。 一、CER框架的内涵及特征表现 CER框架于2006年提出，麦克尼尔（Katherine L. McNeill）和利佐特（David J.Lizotte）等人使用“支架式教学”研究七年级学生撰写科学解释的教学模式，设计开发出了基于建构主义教学理论与最近发展区理论的CER框架。CER框架是对图尔敏论证结构的简化，是一种能用于科学现象或事件的论证程序，并致力于培养学生高级思维言语能力的框架和方法。该框架包括三个要素：主张、证据和推理（图1）。实际上，这些正是图尔敏定义“论证”的一些基本要素。据此，教师可清晰地指导学生在科学探究过程中逐步规范科学写作、口头展示及课堂讨论，以此提升学生的科学论证能力。近年来，这种框架在科学论证教学中被广泛使用，并占据越来越重要的地位。  （一）CER框架的要素内涵 1.主张。主张是一个问题的结论。通常用一句话表达，是基于理解的完整且具体的答案。在化学课堂上，主张可能是实验得到的结论，也可能是学生通过观察得到的暂定性结论。当学生表达主张时，需要清楚地描述不同变量或不同物质之间的关系。虽然课堂上呈现的知识或探究得到的实验结论是既定事实，但从本质上讲，主张并非确凿的客观事实，而是可能掺杂学生主观判断的假设性结论，需要通过有效且充分数据来证实。“用证据进行论证”涉及一个“需要科学家对世界做出合理主张”的推理过程。学生做出合理主张不是一蹴而就的，他们需要发展识别主张中的弱点和局限性的能力，以便批判性地评估自己的工作，以及其他学生和科学家的工作。 2. 证据。证据是支持结论的科学数据。在科学领域，证据具有两个关键特征：第一，它是以对自然世界的描述为形式，既有经验的，也有推断的。这可以包括原始数据、解释数据。例如，已经合成或转换的测量、变量中一般模式的描述，以及无法观测的过程和机制的描述。例如，分子在物质的不同状态中移动的方式。其他形式的信息，例如评价性的陈述，则不被视为科学证据。第二，它应该是研究者可以合理确信的准确信息。如果在论证中使用的证据受到质疑，则需要对其进行审查和评估。在科学论证学习的过程中，学生需要收集、挑选和使用数据，利用恰当、可信且足够的证据来支持他们的主张。 3.推理。推理是根据科学原理建立的证明过程，呈现证据支持研究者主张的逻辑。推理一般分为归纳推理和演绎推理，这两种方法均是科学家在论证过程中发展知识和学生在科学课堂中进行论证的关键。推理时，学生需要根据不同的问题和证据使用不同的推理方式，在这一过程中，不仅要明确证据是如何联系在一起以证实主张的，还要将这些联系清楚地表达出来。 （二）CER框架的特征表现 1.科学对话的脉络情境。在科学论证的学习活动中，学生需要针对问题找到证据，形成观点或主张，并据此展开论证与提出质疑。Erduran等于2007年提出了五项基于研究的科学课堂实施论证教学的潜在益处：支持认知和元认知过程，并通过交流使这些过程公开化；让学生建立沟通和批判性思维的能力；授权学生进行科学的讨论和写作，从而建立科学素养；让学生沉浸在科学文化中；发展学生的推理技巧和能力。现行的科学教育应该创设探究、论证、辩解的真实情境，并利用这种情境来指导学生参与实验活动，而不是直接得到一些所谓的正确答案。CER框架为学生提供了一个沟通和证明他们想法的脉络情境，可以支持学生在学习的过程中进行富有成效的课堂讨论和科学写作，让学生能够在其中建构关于科学的意义。在目前的科学教育中，教师会依据“做中学”和“动手做”等理论指导学生通过手工或实验获得“经验”。但是，要想培育和提高学生的科学素养，仅仅“做”是不够的，学生还需要在交流、论证、反思等科学对话的互动过程中，检视自己的理解水平，在批判与反思中逐渐提高科学素养。在科学对话过程中，学生不仅获得对科学概念的理解，同时也进入特定的语言习惯中，分享彼此的理解和认识。对话过程会呈现出个体对科学知识理解的差异，当他人对知识的理解水平较高时，学生会自发地反思并努力，从而激发学生深度学习的动机，更好地促进学生主动学习。 2.动态复杂的推理过程。库恩认为，论证的核心是推理，这需要复杂的认知能力参与。如果从科学理论成果的角度来看，科学具有严密的逻辑结构，它是系统而严谨的。实际上，科学并非一成不变，而是一直在不停地发生、发展，科学理论的形成是证据出发的动态且曲折的论证过程。科学论证过程中，研究者的观点或主张必须通过大量证据来证实，并且当其他人重复实验并得出相同结果时，主张才能真正成立；如果研究者没有充足的证据来完成推理，或者这样的论证不具有再现性，研究者将不得不修正或舍弃该主张，重新探索与论证。在这一过程中，研究者提供的证据越有效，由这些证据支持的观点或主张越具有较高的可信度。CER框架指向的正是这样一个真实的推理论证过程。在学习过程中，尽管学生在进行实践调查时充满热情，但他们可能会发现要理解数据并利用这些数据进行论证是具有挑战性的。实际上，不同个体在推理过程中使用的证据具有可废止性和不固定性。在他们使用收集到的证据进行推理时，可能会发现其中一些证据无法支持他们的主张，或者不能充分地支持他们的观点，因而他们需要慎重地抛弃一些证据并在审视后增添一些新的证据。当学生使用证据进行推理时，他们的推理过程除了会受到无效证据的影响，也会受到前科学概念、缺乏丰富的专业知识和个体智力水平等内在因素和以学校教育方式为主的外在因素的影响。 3.批判思考的养成过程。潘瑶珍在《科学教育中的论证教学》中指出，论证逻辑与批判性思考在本质上具有一致性。根据《德尔菲报告》中关于批判性思考的定义，批判思考能力包括解释的能力、分析的能力、评估的能力、推论的能力、说明的能力、自校正的能力。在CER科学论证框架的实际应用中，当我们细察其本质时可发现学生的论证学习会经历以下八个过程：（1）提出具有理由支持的主张或观点；（2）收集和挑选证据；（3）初步论证，检视证据与推理过程的合理性；（4）进行合理的论证；（5）同行评审中检视和评判他人的论证；（6）澄清与解释自己的主张；（7）在对话的过程中调整自己的主张；（8）进行反思性讨论。美国社会学家萨姆纳（William G. Sumner）曾提出，“思维的批判性习惯必须成为社会的常态并涵盖所有的习俗，因为它是处理生活困难问题的一种方式”。思维的批判性习惯的养成并非一日之功，需要持续地经历批判性思考的过程。科学论证的学习不仅为学生提供了一个机会，用他们的科学知识来论证自己的主张，识别他人论点中的弱点并提出质疑，还可以建立他们自己的知识和理解。或者说，通过这样的过程，学生亲身经历知识产生过程、评价过程和修正过程，不断地进行批判性思考，最终自然能养成批判性思维这一高级思维能力。 二、CER框架在教学中的应用及评价标准 （一）CER框架在化学教学中的应用 科学论证如何在课堂上发生？论证过程应注意哪些问题？教师如何介绍并指导学生使用CER框架进行科学论证？下面以新加坡初中化学“化学反应”一节涉及的科学论证过程为例，深入阐述和呈现CER框架在教学中的应用现状。 某校初中二年级的化学课堂上，学生分组进行实验。首先，每个小组将两份白色粉末分别溶于水中，两份溶液均呈现无色透明状，当学生将两份溶液混合到一起时，试管底部有黄色沉淀产生。之后，教师让大家通过小组合作写出论证过程，回答以下问题：“请问当两种溶液混合到一起时，发生了化学变化还是物理变化？”学生需要使用实验中得到的证据来确认实验过程中是否发生化学反应。笔者沿用新加坡课堂使用的CER框架的表格形式来呈现学生的论证过程（表1）。在这一案例中，正确的主张是“这个实验发生了化学变化”；证据是“最后出现黄色沉淀具有不同于前两种溶液的颜色和形态”；推理的过程需要涉及基本的科学原理，所以这个案例中学生需要解释化学变化是什么，以及他们如何判断这是一个化学变化。 CER框架在教学的实际应用中有不同水平的难度，教师需要根据学生的实际学习水平来决定选用哪种水平的难度。新加坡中学阶段的科学教育还将逐渐引入另一个要素：“反驳”——提出反对的理由辩驳主张不能成立的情况。以上文的实验为例，反驳即借助两种变化过程的不同来论证为什么这个实验发生的是化学变化而不是物理变化，可表述为“关于这个问题的另一个主张可能是：实验中发生的是物理变化，但因为实验中产生了新物质，所以它不可能是物理变化，因为物理变化是不产生新物质的变化”。 （二）评价标准 在科学论证学习的课堂上，引入CER框架可以帮助学生更好地提出并论证解决问题的主张。然而，学生仍不得不面对其中的难点：选用哪些数据更好地支持该主张；如何通过推理说明他们的证据是支持该主张的；考虑其他解释并提供反驳。所以，学生运用CER框架进行科学论证时，教师需要借助一套评价标准来评定学生论证的优劣，特别是发现学生各个论证过程的长处和短板，并通过及时提供反馈来帮助学生更有针对性的提高科学论证能力。目前，应用最广泛的是麦克尼尔（Katherine L. McNeill）等人制定的评价标准（表2）。 例如，以学生在“化学反应”中论证主张时遇到的困难为基础，教师安排了小组讨论。学生在组内分享他们的证据和推理，其他人依据评价标准通过“同行互评”的方式来彼此评判。通过这样的讨论活动，学生认识到在他们的实验论证中囊括充足且恰当的数据并使用必要的科学原理进行推理，可以有效地支持他们的主张，从而呈现一个比较完善的论证过程。教师在小组活动之后，组织学生修正自己在论证过程中出现的问题，包括主张、证据和推理过程中的所有细节。科学论证能力的提高不是一蹴而就的，需要长时间训练，教师可以使用一些辅助的教学策略，例如展示模板。另外，教师可以选取典例讲解学生论证的优缺点，及时为学生提供反馈，以帮助学生理解什么是好的论证，帮助他们循序渐进地提高论证能力。 三、CER框架对我国科学教育的借鉴与启示 我国自2001年开始不断地推进基础教育课程改革，取得一些突破性进展，其中，科学探究活动进入中小学课堂是改革中的一大亮点，然而，不得不承认在很多地方“满堂灌”的“被动学习”和“说明书式”的实验操作仍然盛行。我们基于对CER科学论证框架的解读，对我国现行科学教育实然状态向应然状态的转变与变革得出以下四个方面的启示。 （一）关注学生主动学习能力的提高 真正的学习是学习者个体主动、自发的学习。贝尔（Bell）等提出“科学探究”是“学生通过数据分析回答研究问题的主动学习过程”。科学探究与科学论证是紧密相连的，前者得到的数据是后者证据的主要来源，前者涉及的理论也是后者能具备合理推理过程的基础。科学论证作为特定的学习方式，需要学生通过努力或尝试获取认知，也正是教育家杜威所主张的经验的一部分。当学生为了完成论证而努力寻找证据和深入学习科学原理时，这不仅是一种经历，也是一种努力或者尝试。学习者会从中获得学习的主动权及学习的热情，并在这一过程中改造环境。 （二）注重对学生论证能力的培养 论证是科学研究的中心话题，是学习科学的核心。学习科学论证不仅为学生提供了利用他们的科学知识来证明自己的主张和识别他人缺点的机会，而且还建立了他们自己的知识和理解。论证是具有批判性质的能力，目的在于培养学习者的批判性思维。注重培养论证能力，要求教师引导学生一方面要以批判性的态度学习知识，运用各种合理的标准来检验推理的质量，并做出合理的改进，另一方面对他人观点提出推究性和有价值的质疑，在彼此澄清和修正中养成批判性思维。目前我国学生的思辨能力和论证能力整体较弱，教师应根据学科的特点，将论证能力的培养融入教学内容的内在结构和逻辑关系中，设置一些开放式问题，为学生提供思考和论证的空间。例如，教师可以选择一个有吸引力和具有挑战性的话题，用CER 框架来引导学生进行论证分析，使学生逐步掌握论证的基本方法和技巧，培养他们的逻辑思维能力和具有条理性的表达能力，与此同时也能发散和拓展思维，形成良好的论证能力。  （三）强化语意表达能力 将想法用合乎逻辑的规范方式转换成语言并表达出来，是中学生需要学习并训练的基本素养。CER框架注重三个要素及其合理的逻辑关系，学生对框架结构的掌握和规范，能有效提高他们的论证能力。虽然该框架为科学论证提供了很好的语言结构——学生提出清晰的主张，用实验数据或其他证据支持这一主张，并分析和解释这些证据何以捍卫他们的主张，但是它忽略了科学语意内涵在论证中的重要作用。如果学生不能使用深度有效的科学语意表达，那么该论证就会徒有结构而缺少内涵。强化和训练科学语意表达可以从两方面着手。一是强化“内孕思维”训练，即表达主张或使用证据推理前的深入思考。无论学生以什么方式进行思想表达，都需要对信息进行细致的组织和深入的处理。这种思维能力的养成和提高，需要教师为其提供有针对性的训练，使学生学会感知科学，将想法和感悟凝结为思维语言，并学会将思维语言外化为交流语言。二是组织语言表达训练，实践高质量的论证。教师可以有针对性地引导学生分析和总结学习内容，帮助学生准确、恰当地传达信息和表达想法。还可以根据不同的学习任务类型，安排学生撰写学习心得、实验报告和项目总结等，使学生有效地展示他们正在思考并愿意分享的内容。通过多种形式的计划培训，学生学会构思并合理地表达自己的观点，在科学对话的情境中准确深刻地渗入科学语意内涵，最终从根本上提高学生的论证能力。 （四）培养理性决策能力 法夫斯（Fives H.）等将“科学素养”定义为“对领域本质及其过程的认识， 以便人们可以在日常生活中以实际而有意义的方式参与科学（以个人的任何形式）”。作为科学素养的表征，科学论证能力的提高能够帮助学生更好地进行决策。我们需要培养具有批判性意识和有判断力的学生，可以真正在日常生活中参与科学，做出明智的有益于社会的决策。因此，我们的科学课堂必须为学生创设足够的空间，让他们有机会承担责任并做出决策。具体来说，教师可以根据现实问题设置一些具有挑战性和意义明确的问题情境，鼓励学生进行综合的分析、比较、评估和决策。对于所设置的问题，学生提出自己的判断和主张并提供能够支撑自己观点的证据，决定使用哪种方式来论证自己的观点，然后根据具体情况，反思论证过程，提出合理的决策。例如，雾霾作为一种灾害性天气现象，涉及生物、化学和地理等多方面科学知识，教师可以据此组织学生研讨并论证雾霾的起因、影响及防治措施等问题，鼓励学生就个人应如何为防治雾霾贡献自己的力量等问题做出切实可行的决策。这种方式可以帮助学生发现问题，学习如何使用证据来解决这个问题，更重要的是，这种经历让学生构建自己的理解能力，真实体验理性决策的过程，从而使科学素养的培育在这些情境中真正落地。 （作者：吕琦，江苏师范大学教育科学学院研究生；代建军，江苏师范大学教育科学学院副院长。） |
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