摘 要： 基于证据的论证教学促使学生不断重构和发展对科学知识的理解。运用元分析的方法, 收集了2000-2016年国内外论证教学对科学概念学习影响的实证研究, 综合了符合纳入标准的23篇准实验研究的30项研究数据。元分析结果表明:论证教学对于学生科学概念学习影响的效应量 (Effect Size) 为0.934。亚组分析发现, 这种效应受教学时长、教学模式、分组方式、论证形式和学习环境等调节变量的影响;回归分析表明论辩能力和科学概念两个变量的学习增益存在一定的相关性。元分析结果为合理有效地将论证教学引入中国课堂、进行教学的实施和优化提供了经验证据。
关键词： 论证教学干预; 科学知识; 概念理解; 概念转变; 元分析;
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、问题提出
科学的核心是伴随知识建构的对话过程, 论证在其中扮演着重要角色。科学教育的目标应该是让学生建构关于自然世界的科学解释, 评估科学证据, 理解科学知识的生产过程, 参与科学实践和话语交流[1], “科学即论证”已成为科学教育界的共识。美国新近的科学教育文件《K-12科学教育框架:实践、交叉概念和核心观念》和课程标准《下一代科学教育标准》都传递了论证服务并促进探究的教学构想[2], 进一步强调了“科学课堂应创造让学生参与论辩实践的机会, 尤其是评估某一知识主张为何优于其它竞争性主张”。学习者不再诉诸于教师或课本的权威获得作为结论的科学知识, 而是在语言和思维的碰撞中反思和修正自己对科学概念的理解, 完成知识的整合和发展。
早期研究表明年幼的儿童就可以建构论点[3], 然而真正意义上对多样化观点提出考证和反驳则出现在较晚的认知发展阶段。这就意味着复杂、高级的论证能力并非学习者自发的认知行为, 需要在教育情境中不断内化和发展。二十多年来, 国外研究者就论证教学进行了积极探索, 一是学习论证 (learning to argue) , 关注论证结构要素和语言规则的直接教学, 提升学生参与论辩的能力;二是在论证中学习 (arguing to learn) , 强调将论证作为学习学科核心概念的重要工具。[4]既往研究发现, 提出反驳的论点可以预测科学知识的习得, 运用论证序列的频率越高, 学生概念理解的获益越大[5], 论辩能力的提升影响科学概念的学习增益, 但是鲜有文献报告两者的相关系数;其次尽管已有研究结果较为一致地表明论证教学可以促进科学概念学习, 但是干预时长、教学模式、论证形式、分组方式和学习环境等因素对二者关系的影响并没有统一的结论。
元分析为鉴别和理解影响学习结果的预测和调节变量提供了可能, 它对关于同一个问题的多项独立的定量研究进行再分析[6], 以效应量作为衡量实验效度强度的指标, 充分运用定性和定量的方法对不同过往的研究结果进行系统地综合。科学论证充分体现了科学思维的特征, 正在得到我国科学教育领域的广泛关注[7], 但相关研究尚处在基于西方已有研究成果, 探索中国模式的理论分析、述评阶段。本研究将运用元分析技术探究论证教学对科学概念学习可能的影响机制, 并考察论证教学的研究设计特征对这一效应的影响, 以期为我国进行论证教学的本土化尝试以及基于核心素养的科学教学实践改革提供更多的经验证据。
(一) 论证教学
从目标或功能的视角看, 论证包括修辞和辩证两种形式, 修辞式论证指论辩者说服真实或想象中的读者确信某一主张的劝说式对话, 突出论证的结构要素;辩证式论证指参与者逐渐消除观点分歧的批判式讨论, 强调多元声音互动。[8]辩证式论证对观点持有者和反对者给予同等程度的关注, 在科学教育中的应用更为广泛, 正如库恩 (Kuhn) 所说“唯有权衡所有的备择观点, 试图查明不是什么, 个体才能确定是什么。”[9]因此本研究中的教学即基于辩证式论证的教学活动, 是发生在课堂共同体中的个体认知过程和社会协商行为。学习者就科学现象或探究问题建构暂时性的知识主张, 在教学支架的指引下, 基于理论或经验证据进行辩护、解释、质疑和反驳, 经过这样迭代的对话, 解决观点冲突, 实现认知重构, 发展共有知识。
(二) 科学概念学习
自20世纪90年代以来, 受概念转变和建构主义思潮的影响, 研究者越来越多地使用“概念理解”和“概念转变”来调查科学概念学习结果。[10]概念转变的学习观认为学习是前概念不断发展、修正和重建的过程, 强调学习者的主动建构, 这一过程既蕴含对已有知识的改造, 又有对新知识的意义建构。
知识的本质是概念和命题, 科学概念本身具有一定的复杂性, 学习者需要掌握不同概念的差异, 才能广泛而灵活地运用概念解决真实情境下的结构不良问题。因此, 学校科学课程的关键课题是从碎片化的知识传递转向建构整合的知识。2015年PISA对科学素养的核心界定为“培养具有反思能力的公民, 运用科学知识参与科学事务”, 对于学生来讲重要的不是对知识的记忆, 而是基于知识的生产过程对知识的可信度进行评价。因此本研究中的科学概念学习是指学习者从源于日常生活的朴素概念逐渐向科学概念转化, 以及概念的统整、拓展和有意义运用的过程。
(三) 论证教学与科学概念学习的关系
论证教学可以促进学生的科学概念学习。目前, 最具代表性的SWH (Science Writing Heuristic, 启发式科学写作教学) [11]、ADI (Argument-Driven Inquiry, 论证驱动的探究) [12]和PCRR (Present-Critique-ReflectRefine, 呈现—批判—反思—提炼) [13]教学模型都强调课堂共同体成员在真实的问题情境中对知识主张进行建构和评估, 反思自己的知识发展。首先, 观点分歧是论辩发生的条件, 对话促使学习者随时重新考虑所持有的观点, 不断修正自己的理解, 满足了概念转变的必要条件;其次提出反驳和对反驳的回应需要学习者深入思考观点背后的推理过程, 并向同伴表达与交流, 这些行为引发了自我解释效应, 促进了高水平的认知加工;再次, 反思活动促进了学习者运用元认知的知识和策略监控、调节整个认知过程。
如此看来, 论证教学改变了传统课堂中IRE (initiative-response-evaluation, 触发—回应—评估) 单向传递的话语结构[14], 师生共享对话空间, 学习者有充分的自主权对自己和他人的观点负责, 能最大限度地投入到学习中。经过一段时间的干预, 从描述到解释, 再到评估, 伴随着论辩能力的提升, 学生能够自如地在建构者和批判者的角色间来回移动, 自发地运用各种论辩话语策略协调不同的观点, 扩展知识图式。有效参与论证是表达概念理解的途径, 如果互动行为仅停留在认同和精炼, 就无法通过观点的碰撞来推动知识建构, 学生话语行为的变化不仅代表了他们从论辩的边缘性参与者发展成为核心参与者, 也显示了不断深入的概念理解。证实或证伪观点的能力是建构知识的基础[15], 论证教学干预的可能机制是通过促进学生参与论辩进而正向预测科学概念的学习结果。
(四) 论证教学与科学概念学习关系的影响因素
科学论证促进科学概念学习的教育价值不言而喻, 当前学界更关注如何优化教学设计与实施, 促进学生有效参与论证[16], 以最大程度地发挥科学论证的教育实践价值。
开展论证教学需要与之相适的课堂规范, 师生要对课堂角色、权威关系的转换做出调适, 教学时长是促进学生参与论辩的重要影响因素。[17]有研究者先进行1-2课时的论证结构学习, 然后在若干周的论证活动中学习核心概念, 结果表明实验组的论辩能力和科学知识测评均显着优于控制组[18], 但也有研究显示1-2课时的短时教学干预就能引起学习结果的实质性变化。[19]目前, 关于教学时长的干预效果还未有定论。
还有学者强调教学时长并不能保证学生的有效参与, 关键是在实践中让学生领会支配论证的目标和行为规范。[20]研究者批判学习论证和在论证中学习相剥离的结构式教学, 弱化了论证解决学科批判和提炼科学知识的功能性价值, 学生在这种脱离语境的技能学习中仅关注如何满足教师的期望。[21]于是提出将学习论证嵌入论证中学习的融合式模式, 让形塑论证的话语结构与科学核心概念的学习同时发生[22], 随着对话逐渐向形成符合学科规范的方向进行, 学生得以建立可靠的知识并促进求知。然而尚未有研究建立模式差异与学习结果的定量关系。
除了上述争论, 教学组织形式和论证形式也呈现一定的差异性。有研究以小组讨论形式开展教学干预[23], 但也有研究者认为质疑和反驳往往引起情感冲突, 教师需要“控制”对话移动, 引导学生开展持续的理性对话[24], 提议进行班级整体讨论, 学习者以个体形式参与论证, 课堂话语结构表现为观点上的对话式和话语权上的独白式。论证以对话为媒介外显化学生内隐的思维策略, 不同的论证形式承担了互补的认知功能, 都是学生知识发展的学习工具。“说”对于分享观点、激发思维至关重要, 口头论辩偏向表达、阐释知识, “写”用来建立多个主张之间的联系、揭示论证型式。研究者通常采用口头论辩[25], 或书面论证[26], 再或两种并用的活动形式实施干预。[27]不同类型的教学组织形式和论证形式的优劣还有待进一步探索。
传统课堂中, 学习时间、大班教学等客观因素限制了论证教学的充分展开, 随着信息技术的发展, 研究者们开发了计算机支持的协作学习 (computer-supported collaborative learning, CSCL) 工具或软件来支持论证教学。[28]运用信息技术的及时性创造引发论证的情境, 使用协同脚本、种子论说和冲突图式等技术形式的教学支架引导学生建构和批判。
综上, 本研究将以干预对科学概念学习的效应量为结果变量, 干预对论辩能力的效应量为预测变量, 进行回归分析从定量的角度探究论证教学促进科学概念学习的影响机制。其次, 当前研究中的研究特征存在一定的异质性, 可能影响干预效果, 本研究将可能影响效应量的教学时长 (长、短) 、教学模式 (结构式教学、融合式教学) 、教学组织形式 (小组讨论、班级整体讨论) 、论证形式 (口头、书面、口头和书面) 、学习环境 (传统课堂、计算机辅助) 作为调节变量进行对比。
二、研究方法
(一) 文献检索
本研究依据研究问题, 和已有相关文献综述中的界定, 以“argumentation/argument”并含“scientific education”、“concepts/conceptual understanding/conceptualchange/conception shift/knowledge development”为英文搜索关键词, “论证”并含“科学教育”或“概念理解”、“知识”为中文搜索关键词, 在EBSCO、Web of Science和中国知网等数据库中搜索。预设的检索标准为:研究发表时间在2000年之后;研究内容为论证教学对科学概念学习的影响。
(二) 文献纳入标准
通过第一次检索, 以及对第一次文献参考文献的二次检索, 共得到165篇英文文献和19篇中文文献。依据研究目的确定文献的纳入标准为:一是来源为期刊论文;二是发表时间2000-2016年;三是被试不包括特殊学生;四是研究设计必须是实验组与控制组对照或单组前后测对比的准实验研究;五是必须包含对科学概念学习 (概念理解或认知) 、论辩能力 (论证话语质量) 的测量:六是必须提供可计算效应量的统计检验结果 (例如:均值、标准差、t值/F值、准确或归类性p值以及样本量等) 。共确定23篇外文文献用于本研究的再分析, 其中15篇报告了论辩能力和概念学习配对的测量结果可纳入回归分析。
(三) 效应量计算及选取
本研究运用Comprehensive Meta-Analysis Version 2.0 (CMA-V 2.0) 和SPSS22.0软件进行数据分析, 效应量使用的指标为差异类效应量Hedges的g值。文献中若包含除干预外的其他多水平自变量, 比如被试包括K-7/9两个年级的学生[2], 将不同水平的结果数据作为独立的效应量[29]P217-223) ;若研究设计有多个实验处理, 比如开发两种信息技术工具辅助学生进行争论[25], 但只有一个控制组, 不同干预的效应量具有相关性[30]P239-242) , 然而将不同干预手段效应平均化会损失相关变异的重要信息, 本研究仍作为独立的效应量来处理。
(四) 纳入文献基本描述
对选定的文献按照作者及发表时间、国别、学科、样本量、年级水平、因变量测量等进行编码:样本总量为3 950名学生, 最大样本量838, 最小样本量为28, 仅这一项独立研究的样本量低于30;17项研究被试为中学生, 共2 615名占样本总量的66.20%, 2项研究被试为小学生, 4项研究被试为大学一年级学生或高年级段的职前师范生;学科分布以物理、化学、生物为主, 占研究总数的75%;样本来源美国10项, 亚洲9项, 欧洲和英国各2项;15项研究中的因变量测量是干预中学习的科学概念;共获得21对可用于回归分析的效应量, 30个用于统计整体效果量和调节效应分析的效应量。
文献中参与干预的教师都经过了一段时间的培训或由研究者本人担任, 具备进行论证教学的素养, 能够创设相应的课堂文化环境, 提供必要的教学支架解决学生在论证活动中遇到的困难, 或调停因反驳引起的言语或情感冲突, 降低了因教师教学实施差异可能的实验结果误差。大多数研究基于概念转变和协作学习的原理、TAP模型1和Leit?o论证序列2设计干预手段。为排除前知识对实验效果的影响, 有研究以前测成绩作为协变量[31], 也有研究在干预前对实验组和控制组进行差异检验[32], 再或对被试进行随机分组[33]。个别研究以班级为随机抽样的单位, 数据具有嵌套特性, 研究者通过计算组内相关系数和设计效果 (design effect) 判断是否必须以多层次统计技术分析数据资料。[34]对于被试以小组形式参与的教学干预, 为排除组成员对个体表现和作答的影响, 研究者运用包含个体和组两个层次的多水平模型处理数据。[35]
三、统计分析
(一) 整体效应量
同质性检验结果显示入选研究中的效应量存在异质性, Q=415.847, P<0001, I2=93.026, 说明93.026%观察变异是由效应值的真实差异造成的, 故采用随机效应模型计算整体效应量[36], 效应值的置信区间 (CI) 为95% (见表1) 。如表1所示, 整体效果量为0.934, 按照科恩 (Cohen) 提出的效应值参考标准, 论证教学对科学概念学习具有高度的正向影响 (g>0.8) 。进一步采用漏斗图检验文献的发表偏倚, 和失安全系数考察发表偏倚对当前结论的影响, 失安全系数是推翻当前合并结论或使当前合并结论逆转所需要的结果相反的研究个数。[37]如图1所示, 大部分效应量近似分布在漏斗两侧, 有4项研究偏离其它研究且效应量较大, 提示研究可能存在发表偏倚。本研究的失安全系数为4 926, 即需要4 926个相反的研究结论才能推翻本结论, 说明该元分析结果较为稳定。
表1.整体效应量结果
图1 发表偏倚漏斗
(二) 回归分析
图2回归变量图的横轴和纵轴分别为论证教学对科学概念学习、论辩能力的原始效应量。回归的非标准化回归系数B=2.122, SE=0.122, P<0.001, 结果显示原始研究中对论辩能力具有显着正向预测作用的教学干预对科学概念学习具有同样强度的影响。
图2 论证教学对论辩能力和科学概念学习效应量的关系
(三) 亚组分析
亚组分析旨在考察教学时长、教学模式、教学组织形式、论证形式和学习环境等研究特征对效应量的影响 (见表2) , 重点在于获得量化的证据指导论证教学实施, 并非关注调节变量的不同水平是否具有显着差异。由表2可知, 长时教学效果量高于短时教学;融合式教学优于结构式教学。从教学组织形式来看, 小组协作学习优于班级整体形式的个别学习;综合运用书面和口头两种论证形式更能有效促进学生科学概念学习;传统课堂教学效应量略高于计算机辅助教学。
表2.亚组分析:研究特征对效应量的影响
注:个别研究中对调节变量特征未作详细描述, 无法纳入亚组分析, 故个别调节变量n总和小于30。
四、讨论
整体效应量 (g=0.934) 表明论证教学是促进学生科学概念学习的有效手段。论证教学中的对话呈现了不同个体理解的差异性, 由此发生了知识互补下的概念重构和转变。课堂话语结构是决定学生停留在表层记忆还是深层加工的关键要素, 论辩的语境让课堂共同体成员通过争论和协商, 从认知冲突走向共识建立。
(一) 论辩能力是可能的中介变量
回归结果表明, 论辩能力提升与知识增益存在显着关联, 与新近对CSCL论证学习的研究结果一致[38], 论辩能力越高的学生科学知识增益更明显。这种计算为中介关系提供了可能, 论证教学干预通过提升学习者的论辩能力从而促进科学概念学习。但是并不能明确论辩能力改变是否为论证教学与科学概念学习之间的中介变量, 目前缺乏足够数量的独立研究, 未来随着研究的进一步丰富可运用新近提出的两步结构方程模型 (two-stage SEM, TSSEM) [39]P231-235) , 整合元分析和结构方程技术来系统分析多个研究间的作用机制。
(二) 长时教学与融合式教学促进了学生内化论证规范
短时教学虽然能激活学生“潜伏”的论辩能力, 然而随着论证结构要素和要素之间的联系增多, 工作记忆的认知负荷也在不断增加, 学习者需要基于持续的参与逐渐领会论证的话语规则。基于认知学徒制的融合式教学将论证技能的学习视为对话者、论证规范和话语情境之间的动态互动, 一方面强调共同体成员在对话中形成对论辩目标和话语规范的理解, 许多质性研究范式下的课堂话语分析都显示, 这种理解影响高质量的论证行为[40]41];另一方面论证的核心要素渗透并贯穿于探究活动的始终, 知识和求知的方式都合法地问题化, 学生可以像科学家一样以论证为活动工具。调节效应检验也表明长时教学 (g=1.045, 短时教学g=0.698) 和融合式教学手段 (g=1.504, 分段教学g=0.756) 更能促进知识认知。
(三) 教学组织形式与学习环境存在交互作用
从教学组织形式看, 整体讨论中相对有限的发言机会阻碍了学习者充分的参与。已有研究表明从论证中受益的阈值水平是在口头上与他人的观点互动。[42]小组协同学习中的同伴为个体提供了附加的学习资源, 彼此累积的工作记忆扩大了个体的信息加工能力。因此小组学习 (g=1.022) 的效应量高于班级整体讨论 (g=0.269) 。
计算机支持的论证教学可以根据学习者内部脚本的变化适时提供外部脚本3, 降低认知负荷;定量测量和可视化表征还可使学习者获得实时反馈, 促进元认知活动。但是计算机辅助的教学环境 (g=0.837) 效应量却低于传统课堂 (g=1.038) , 可能由于CSCL的论证教学会出现以下问题:一是过程损失 (process loss) [28], 比如角色和权威分配等会阻碍成员的平等参与;二是对话移动的方向由参与者的实时语言互动决定[43], 而现有的平台大多是线性论证序列设计;三是以计算机为媒介的虚拟环境缺少肢体语言、语调、眼神和群体认同感等社会情境要素的提示, 降低了学习者参与论辩的兴趣或积极性。[44]这些消极效应抵消了协作学习的积极作用, 教学组织形式与学习环境可能存在一定的交互作用。
(四) “说”与“写”并用的论证活动发挥高阶认知功能
口头论辩的效果量最低 (g=0.632) , 研究者在话语分析中发现学习者倾向于寻找支持自己观点的证据, 而忽视与之不一致的信息和解释[45], 甚至有学生重新解读证据来匹配自己错误的主张, 也不愿修正观点[46], 而重复地解释观点很难实现新知识的生成。除此之外, 对话者的回应影响论辩的继续[47], 缺乏有效的同伴评估也将弱化论辩促进概念学习的效应。书面论证的效果量高于口头论辩 (g=1.124) , 书面论证需要建立日常语言、科学语言和读者语言的关系[48], 这种转换要求不断反思和澄清对概念的理解, 有助于激发提升认知水平的潜能。
也有研究者认为“写”与“说”一起才能发挥语言的高阶认知功能——读者意识、多重形式表征和类比推理[11], 从而获得更深层次的学习结果, 与本研究结论一致 (g=1.132) 。读者意识促使学习者对彼此的观点督责, 这种意识可以通过多回合的口头论辩迁移至书面论证中;读者的存在促进了言语互动, 从而引导学生进行类比推理;科学是抽象的, 推理过程的表征形式影响学习者建构概念理解的心智模型, 只有建立口头论辩中的说明与书面论证中的文本、图表等多样化表征的联系和一致性, 才能发生丰富而完整的概念理解。
五、不足与展望
本研究细致地分析了论证教学对科学概念学习的影响, 也存在一些不足:一是虽然采用了全面的文献检索策略, 但仍有可能遗漏相关研究;二是个别文献因缺乏计算效应量的足够数据, 无法纳入本研究的再分析;三是纳入分析的研究对于调节变量特征未描述或描述模糊, 使得某些调节变量水平上的研究较少。
论证已成为国际科学教育的主流范式, 对未来研究的展望:第一, 借鉴本研究的经验证据, 并进一步探索在回归分析和亚组分析中分别发现的可能的中介、交互效应;第二, 新近文献关注教师生成性的教学实施如何影响学习者掌握和内化论证的学习结果[49], 目前成果量尚少不足以进行元分析, 将会持续关注;第三, 当前国际科学教育的实践转向对论证引入教育情境提出了更高要求, 研究者愈发关注“论证怎样发生”、“论证如何发展”等问题, 因此聚焦课堂话语, 采用质性研究范式, 通过语言理解特定情境下师生互动的意义必将为促进学生平等有效的参与论证提供更多的经验证据。
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注释：
1 TAP (Toulmin Argument Pattern, 图尔敏论证模式) 模型由图尔敏本人于1942年提出, 认为论证包含6个基本的结构要素:主张、证据、保证、支持、模态限定词和例外条件。
2 Leit?o指出一个完整的论证序列由论证 (arguments) 、反驳 (counterarguments) 和回应 (responses) 组成。
3 内部脚本是学习者已有的程序性知识, 外部脚本是研究者设计开发的促进学习者学习的活动规范和内容工具。
