科學教室中的論證能力培養 趙毓圻國立臺北教育大學自然科學教育學系博士班學生 摘 要 論證是科學與科學教育的核心, 亦是國際評量和各國科學教育政策亟欲強調之能力, 以及近年國內外科學教育的研究趨勢 本文從論證之意義與重要性 在科學教育廣為使用的 Toulmin 論證模式 介紹協助學生搭建論證能力和評量的方法, 以及論證教學題材所包含的科學理論和社會性科學議題, 期盼藉此提供資優教師在科學教學上的實施參考, 培養學生論述有據的論證能力 關鍵詞 : 科學教育 資優教育 論證 Improving Students Argumentation Skills in the Science Classroom Yu-Chi Chao Doctoral Student, Department of Science Education, National Taipei University of Education Abstract Argumentation is not only the core of science and science education, but also the focus skill of international assessment and science education policy, and the trend in science education research. This paper introduced the meaning and importance of argumentation, Toulmin s Argument Pattern which had become popular in science education, the way to scaffold and evaluate students argumentation skills, and materials of argumentation teaching includingscience theory and social scientific/ socioscientific issues. We hope these experiences will benefit gifted teachers in science education, and improving students evidence-based argumentation skill. Keywords: argumentation, gifted education, science education 1
壹 論證的重要性與意義論證是科學與科學教育的核心 : 學者 (Driver, Newton, & Osborne, 2000; Jimenez- Aleixandre & Erduran, 2007) 指出科學教室中的論證有助於學生提升認知及後設認知歷程 培養批判思考 搭配讀寫活動增進科學素養 進行概念學習並發展知識評量準則 促進科學推理 培養探究能力 理解科學認識論, 並透過社會性科學議題進行決策 (decisionmaking); 國際學生評量計畫 (Programme for International Student Assessment, PISA) 在定義科學素養時, 提及學生必須辨認 且應用科學知識建構 證據導向的結論 (evidence-based conclusions), 並列為評量向度 ( 林煥祥 洪瑞兒 洪振方,2007) 在各國相繼把培養學生論證能力列為科學教育政策的同時 (Jimenez-Aleixandre & Erduran, 2007), 我國亦將 推理論證 列為九年一貫課程綱要科學素養中 思考智能 的要項 ( 陳文典,2006a), 陳文典 (2006b) 指出推理論證建立在相信 能作邏輯思考是人的共通性 和 事情發生有其因果關係 兩個基本前提上, 因果關係 使現象的變化有跡可循, 共通性 使人們可以進行溝通產生共識 除我國九年一貫將推理和論證視為不可分割之能力之外, 國內外學者 ( 靳知勤 楊惟程 段曉琳,2010b;Lawson, 2010; McNeill & Krajcik, 2008) 也將二者和科學解釋 (scientific explanation) 進行綜合性的探討及研究 至於 argument 和 argumentation 的差異,Newton Driver 與 Osborne (1999) 指出論證 (argumentation) 中包含若干論點 (argument), 即論證是論點的集合體 綜合前述國內外學者對論點 論證 科學解釋 科學推理的觀點, 我們可以將資料 (data) 理由(reason) 和解釋 (explanation) 等論點形成基本的論證結構, 論證的嚴謹程度由論點的組成完整和品質決定, 從資料形成科學解釋的思考歷程即為推理 (reasoning) 貳 Toulmin 論證模式 Erduran (2007) 指出課堂論證過程中的 論點不容易區辨, 但 Toulmin 於 1958 年發表的 Toulmin 論證模式 (Toulmin s Argument Pattern, TAP) 提供了理論表徵及架構, 讓學生 教師和研究者能理解論證依何種型式進行, 以及使資料到結論的途徑能用更透明的質性和量化編碼分析論證過程, 並在 Erduran Simon 與 Osborne (2004) 依照 TAP 為編碼系統 (coding system) 進行教室對話分析後, 開始廣泛的在科學教育研究中使用 TAP( 圖 1) 包含了主張 (Claim) 資料 (Data) 理由(Warrant) 支持(Backing) 條件限制 (Qualifier) 反駁(Rebuttal) 等六個元素, 根據 Toulmin (2003) 定義 :C 是試圖建立的 主張 結論 或解釋,D 是用來支持 C 的 資料 事實或證據, 二者以 If D, then C. 的關係存在 ;W 不同於 D 的外顯客觀性包含了內隱判斷, 賦予 D 具說服力的正當 理由, 而對 C 形成辯證的依據, 因為 W, 所以 C (since W, so C.) 為日常用語的常見形式 ;B 作為進一步加以強化 W 正當性之基礎 支持 假設,B 與 W 兩者之間的差異在於 W 屬假設性之陳述,B 則為斷言式的事實陳述 ;Q 說明在何種 條件限制 下 C 成立,R 圖 1 TAP 論證模式 (Toulmin, 2003, p. 97) 資料來源 : Toulmin, S. (2003). The uses of argument (Updated ed.). London: Cambridge Univ. 2
則為與 Q 互相對立 描述主張不成立之 反駁 學者 (Jonassen & Kim, 2010; Okada & Shum, 2008; Simon, Erduran, & Osborne, 2006) 針對 TAP 中整體架構及個別因子有進一步詮釋 : 論證過程中,W 用以連結 D 與 C, Q 傳遞 D 和 C 之間的說服力,R 則提出與 C 相反的矛盾論述, 此外由於 W 通常是內隱的陳述, 因此不容易和 B 區別 參 論證教學鷹架與評分 一 論證教學的外顯化鷹架 Zeidler (1997) 指出不理解論證結構會造成學生由資料推導至結論的困難, 因此教師在教學時必須透過鷹架方式進行明示 (explicitly) 教學協助學生建立完整的論證結 構 (Jimenez-Aleixandre, 2007; Okada, 2008), 而 Toulmin 所提出的 TAP 正符合結構完整的外顯架構型式條件 為了使國小學生降低論證過程的難度, 我國學者靳知勤等 (2010a; 2010b) 發展出引導式論證細格工作單, 將論證過程結構化以明確的教導學生 在靳知勤等人的研究中, 引導式論證細格與科學讀寫活動結合, 進行生物複製與基因改造的社會性科學議題教學 (Social Scientific / Socioscientific Issue, SSI), 論證細格工作單 ( 圖 2) 由教師預先填入資料 (D) 和正反主張 (C), 學生從教師給定與教學內容相關的讀寫文本, 填寫完成工作單中的其餘八個論點, 以分別陳述正反主張 林鈺芳 趙毓圻 李乙明 (2010) 參考靳知勤等人 (2010a;2010b) 所發展的引導 圖 2 引導式論證細格工作單 資料來源 : 靳知勤 楊惟程 段曉林 (2010b): 國小學童的非形式推理之研究 以生物複製議題之引導式論證為例 課程與教學季刊,13(1),209-232 3
式論證細格工作單, 進一步開放資料 (D) 和主張 (C) 兩格, 用於資優學生 破解網路流言 之教學中以提升論證能力和批判思考, 研究中透過訪談修正工作單上填寫 論點之引導 重新排列論點間的位置關係並加入連接詞 ( 圖 3), 協助學生搭建鷹架使其更加容易閱讀以進行論證 圖 3 TAP 論證教學細格 ( 林鈺芳,2010, 頁 73) 資料來源 : 林鈺芳 (2010):Toulmin 論證模式在國小資優課堂的教學實踐 國立臺北教育大學自然科學教育學系碩士論文, 未出版, 臺北 二 論證評分至於如何判定論證品質?Erduran 等 (2004) 將論證品質分為五級 ( 表 1), 從第一級的僅包含主張, 接著資料 理由 支持等論點的增加, 到反駁的出現, 論證品質也逐漸提升 從 Erduran 等 (2004) 的判準可以發現, TAP 中各論點的出現與否展現完整的論證結構, 對論證品質有很大的影響, 但是論點在論證中出現的完整性未必可以直接和論證品質劃上等號 為此, 我國學者黃翎斐 張文華與林陳涌 (2008) 將論證品質細訂為四個向度 : (1) 理由的正確性 分成與主張不相關或僅陳述數據的 非理由 (W N ) 僅描述現象而和主張無因果關係的 偽理由 (WP), 和敘 表 1 論證品質分析判準 等級 1 僅包含主張 評判準則 2 包含主張, 資料 理由 支持等論點, 但未包含反駁 3 包含連串的主張, 資料 理由 支持等論點, 以及偶現的弱反駁 4 包含一個清晰可辨的反駁, 且有多個主張及反主張出現 5 包含超過一個的反駁 資料來源 :Erduran, S. Simon, S., & Osborne, J. (2004). TAPping into argumentation: Developments in the application of Toulmin s argument pattern for studying science discourse. Science Education, 88(6), 915-993. 4
述具有因果關係的 真理由 (W G ) ;(2) 反駁面向 則分為 對他人資料的反駁 (R D ) 對他人理由的反駁(R W ) 和 對他人反駁的反駁 (R R ) ;(3) 組成元素的完整 和(4) 主張數目的多寡, 則分別以 TAP 中所出現的元素, 和論證中所包含的主張數目加以 評判 黃翎斐等所制定的論證品質評量表 ( 表 2), 將論證元素的有無出現的評量依據, 進一步深入探討論證元素的層級, 並將論證表現得以轉為量化計分, 將 0-4 5-8 9-12 的總分分別定為第一 二 三級論證 表 2 論證品質評量表 得分項目 0 1 2 3 理由的正確性無理由非理由 (W N ) 偽理由 (WP) 真理由 (W G ) 反駁的面向 組成元素的完整 無反駁 只出現主張或資料無出現理由 出現針對單一因子的反駁 出現主張 資料及理由 出現針對多個因子的反駁 主張 資料 理由和一兩個論證元素 出現多個反駁及反反駁 (R R ) 主張 資料 理由和超過兩個論證元素 主張數目的多寡無主張一個主張兩個主張三個以上主張 資料來源 : 黃翎斐 張文華 林陳涌 (2008): 不同佈題模式對學生論證表現的影響 科學教育學刊,16(4),375-393 肆 論證教學題材 論證教學題材可分為 科學理論 和 社會性科學議題 (Social Scientific/ Socioscientific Issue, SSI), 本文接續分就兩者以林鈺芳 (2010) 所發展之 TAP 細格做為論證教學設計範例進一步介紹 一 科學理論以 科學理論 進行論證能力培養的教學題材又可分為 實驗報告 和 競爭理論 兩類 實驗報告部分, 由於科學探究是獲取證據以解釋種種現象的各種途徑 (National Research Council, NRC, 1996), 其過程涉及問題 證據 解釋 評估 發表等五個特徵 (NRC, 2000):(1) 學習者圍繞科學性問題展開探究活動 ;(2) 學習者要優先考慮證據, 證據可以幫助他們解釋科學性的問題並對提出的解釋予以評價 ;(3) 學習者要從證據中提出解釋, 對科學性的問題做出回答 ;(4) 學習者 通過比較其他的解釋, 特別是那些體現科學性理解的解釋, 來評估他們自己提出的解釋 ;(5) 學習者要交流和論證他們所提出的解釋 因此 TAP 細格探究活動時, 能以實驗報告的形式協助學生思考從資料推導至結論之過程是否合理性? 理由是否有足夠的支持? 在條件限制和反駁的情形下主張是否穩固? 在評估論證的過程中同時可以依此與他人交流精緻自己所提出的科學解釋 Osborne, Erduran 與 Simon (2004) 提及論證教學可以和陳述表 概念圖 POE (Prediction- Observation-Explanation) 等教學策略加以結合, 協助學生完成實驗報告並建構論點 競爭理論則以故事 想法與證據 概念卡通等不同的形式 (Osborne, Erduran, & Simon, 2004), 提供學生兩個以上的理論供其選擇 說明理由, 並反駁其他理論不合理之處, 或在課堂中進行討論 筆者認為其中的概念卡通較為生動有趣, 在網路上以 Concept Cartoon 關鍵字亦可搜尋相關圖 5
片, 在三合充實模式的團體訓練活動中, 做為學生論證能力的培養, 圖 4 為以 方糖加 到水裡後重量會不會改變 設計的概念卡通與學生論證示例 我覺得方糖加入水後重量不會改變 我覺得方糖加入水後重量會變輕 圖 4 概念卡通與學生論證示例 二 社會性科學議題 (SSI) 蘇聯在 1957 年發射的 Sputnik 引發 60 年代美國科學教育的重大改革, 但是過於強調知識結構 以 培養學生成為科學家 的課程目標, 在提升精英學生素質卻造成大部分學生喪失學習科學的興趣後, 課程設計的焦點開始從學科知識的那端慢慢傾回學生中心, 轉向全民科學素養的提升 科學 科技 社會 (Science-Technology-Society, STS) 理念提倡科學教育與三者的結合, 陳文典 (1997) 指出 STS 以生活或社會中的議題出發, 在探討議題的過程中同時學習科學並獲 得解決問題的能力 和 STS 最大不同之處, SSI 涉及爭議性科學議題在倫理道德上的判斷, 使學生從不同觀點討論科學與科技的發展對社會所帶來的正反衝擊, 可以協助學生的情緒與道德發展 (Zeidler & Nichols, 2009) 林樹聲 (2004) 將 SSI 的題材分為四類, 對 環境和生態保育 的影響包含酸雨 全球暖化和各種環境汙染等, 對 倫理道德 的挑戰如胚胎研究 基因治療等, 對 人類健康 的考量有基因食品改良 電磁輻射危害等, 以及 資源使用方式 選擇的各種能源發展之利弊等 以 SSI 進行論證的教學可與 6
角色扮演 辯論 小組討論等方法結合, 能提升學生的批判思考能力 對科學本質的了解, 並在兩難情境中進行決策 圖 5 以基因 食物為 SSI 主題, 讓學生自行收集資料後, 分別對正反兩方進行論證之示例 圖 5 基因食品與學生論證示例 伍 結語 Lee, Wu 與 Tsai (2009) 以近年來三本重要國際科學教育期刊進行內容分析發現, 在 1998-2002 以及 2003-2007 的兩個區間中, 前十名引用次數最高 (highly-cited) 的文獻中, 與論證相關的論文分別高達四篇與三篇 ; 筆者亦從我國科學教育領域與論證相關的 51 篇學位論文中發現, 論證議題在 2002 年起的每三年區間中 (02-04 05-07 08-10), 數量均有倍增以上的發展, 且研究對象在 2005 年有逐漸由高中大學轉向國中小之趨勢 顯示論證不但是科學和科學教育的核心 國際評量和各國科學教育政策強調學生應具備的能力, 亦是國內外科學教育研究所關注的焦點 學者錢致榕指出臺灣社會充斥著理盲而濫情, 從上的政府官員在公共政策進退失據 到下的普羅大眾迷信算命風水 ( 天下雜誌,2010; 錢致榕,2010); 學校層級部分, 張銘秋 謝秀月與徐秋月 (2010) 以我國學生在 PISA2006 表現不佳的試題分析中發現, 臺灣學生不會使用題目給定的資料或證據形成推論, 並無法掌握變因 無法從圖表 中擷取關鍵資訊 在最新一次公布的 PISA2009 排名中, 我國 15 歲學生的科學表現更從前次的第四名大幅退步到第 12 名 臺灣 PISA 國家研究中心 (2010) 提及臺灣學生在科學表現水準五以上的學生僅占 8.8%, 和鄰近城市的上海 (24.3%) 新加坡(19.9%) 日本 (17%) 香港(16.2%) 與韓國 (11.6%) 已形成差距, 水準五之上的優異學生比例對開創高階科學技術, 以促進國家經濟具有關鍵性的影響力 德國在 2000 年 PISA 成績公布後由於學生表現遠不如預期 (PISA shock), 引發史上最大規模的教育改革, 紐約時報教育版頭條在 PISA2009 結果公布的隔天, 也以 Sputnik moment 探討上海學生在 PISA 的優異表現, 將對美國教育帶來如 1957 年蘇聯發射人造衛星 Sputnik 號的衝擊, 而臺灣這些未來公民在具有 10 年後國力預測的 PISA 中表現落後, 是否意味著政府當局應正視此徵兆? 資優學生相對而言有較高的比例將成為明日的社會菁英, 縱使未來走向人文社會科學領域, 依然需要使用以證據為基礎 (evidence-based) 的論證能力進行理性思考 資優科學課程的設計應以科學內容為基 7
礎, 進而搭建學生的高層次思考 ( 趙毓圻, 2011), 本文從論證在科學教學的重要性 Toulmin 論證模式 並介紹協助學生搭建論證能力和評量的方法, 以及論證教學題材所包含的科學理論和社會性科學議題, 期盼藉此提供資優教師在科學教學上的實施參考, 培養學生論述有據的論證能力 參考文獻 天下雜誌 (2010):2010 教育特刊 科學教育決勝未來 臺北, 天下 臺灣 PISA 國家研究中心 (2010):PISA2009 精簡報告 臺南 : 臺灣 PISA 國家研究中心 林煥祥 洪瑞兒 洪振方 (2007): 智育理念與實踐 載於教育部 ( 主編 ), 德智體群美五育理念與實踐 (55-104 頁 ) 臺北 : 教育部 林鈺芳 (2010):Toulmin 論證模式在國小資優課堂的教學實踐 國立臺北教育大學自然科學教育學系碩士論文, 未出版, 臺北 林鈺芳 趙毓圻 李乙明 (2010 年 5 月 ):Toulmin 論證模式教學對國小資優生批判思考及論證能力之影響 發表於 2010 兩岸資優與創造力教育發展研討會, 臺北 林樹聲 (2004): 重視自然與生活科技學習領域中科技爭議議題的融入與探討 載於教育部 ( 主編 ), 九年一貫課程理論基礎叢書 ( 二 )(453-465 頁 ) 臺北 : 教育部 張銘秋 謝秀月 徐秋月 (2010):PISA 科學素養之試題認知成份分析 課程與教學,13(1),20 陳文典 (1997):STS 理念下之教學策略 物理教育, 1(2),85-95 陳文典 (2006a): 推理論證 載於陳文典 ( 主編 ), 科學素養的內涵與解析 (191-202 頁 ) 臺北 : 教育部暨國立臺灣師範大學 陳文典 ( 主編 )(2006b): 科學素養的內涵與解析 臺北 : 教育部暨國立臺灣師範大學 靳知勤 楊惟程 段曉林 (2010a): 引導式 Toulmin 論證模式對國小學童在科學讀寫表現上的影響 科學教育學刊,18(5),443-467 靳知勤 楊惟程 段曉林 (2010b): 國小學童的非形式推理之研究 以生物複製議題之引導式論證為例 課程與教學季刊,13(1),209-232 趙毓圻 (2011):PODE 教學模式在資優科學課程設計之應用,117,25-32 黃翎斐 張文華 林陳涌 (2008): 不同佈題模式對學生論證表現的影響 科學教育學刊,16(4), 375-393 錢致榕 (2010 年 10 月 ): 什麼樣的科學教育? 從現在的社會現象 未來社會的需要談起 發表於臺灣科學教育四十年研討會, 臺北 Driver, R., Newton, P., & Osborne, J. (2000). Establishing the norms of scientific argumentation in classrooms. Science Education, 84(3), 287-312. Erduran, S. (2007). Methodological Foundations in the Study of Argumentation in Science Classrooms. In S. Erduran & M. Jimenez-Aleixandre (Eds.), Argumentation in science education: Perspectives from classroom-based research (pp. 47-69). London: Springer. Erduran, S., Simon, S., & Osborne, J. (2004). TAPping into argumentation: Developments in the application of Toulmin's argument pattern for studying science discourse. Science Education, 88(6), 915-993. Jimenez-Aleixandre, M. (2007). Designing argumentation learning environments. In S. Erduran & M. Jimenez-Aleixandre (Eds.), Argumentation in science education: Perspectives from classroombased research (pp. 91-115). London: Springer. Jimenez-Aleixandre, M., & Erduran, S. (2007). Argumentation in science education: An overview. In S. Erduran & M. Jimenez-Aleixandre (Eds.), Argumentation in science education: Perspectives from classroom-based research (pp. 3-27). London: Springer. Jonassen, D., & Kim, B. (2010). Arguing to learn and learning to argue: design justifications and guidelines. Educational Technology Research and Development, 58(4), 439-457. Lawson, A. E. (2010). Basic inferences of scientific reasoning, argumentation, and discovery. Science Education, 94(2), 336-364. Lee, M., Wu, Y., & Tsai, C. (2009). Research Trends in Science Education from 2003 to 2007: A content analysis of publications in selected journals. International Journal of Science Education, 31(15), 1999-2020. McNeill, K., & Krajcik, J. (2008). Scientific explanations: Characterizing and evaluating the effects of teachers' instructional practices on student learning. Journal of Research in Science Teaching, 45(1), 53-78. Newton, P., Driver, R., & Osborne, J. (1999). The place of argumentation in the pedagogy of school science. International Journal of Science Education, 21(5), 553-576. National Research Council (1996). National Science Education Standards. Alexandria, Virginia, USA: National Academic. ( 文轉第 34 頁 ) 8