用以论证为中心的元认知支架（AMS）支持小学生的科学论证

作者：秦银霞 东南大学脑与学习科学系，儿童发展教育研究所

研究生导师：柏毅 夏小俊

【摘要】：

学生在科学论证方面的困难在文献中得到了广泛报道。研究人员认为，这些困难主要是由于学生对论证的目标和规范缺乏理解。因此，设计和实施适当的教学支架，以促进这种基本的论证知识具有教学意义。在这项定性案例研究中，设计并集成了两种以争论为重点的元认知支架（AMS，Argument-focused Metacognitive Scaffolds）——提问和提示以及思维建模。一位科学老师和她的19名学生参加了这个案例研究。为了探索AMS的教学贡献，从多个来源收集了数据，包括课堂观察、对学生的采访和学生的作品。本研究中的AMS支持学生反思性地参与论证，因为这些支架有助于培养学生对论证目标和证据相关规范的理解，以及在论证过程中元认知监控的能力。这些影响也得到了学生们的认可和赞赏。当AMS逐渐减少时，学生的论证知识和元认知监控能力得到了保留，并影响了他们在新环境下进行论证的方式。最后讨论了这些发现的教学意义。

【关键词】：

科学论证；元认知支架；基础科学

1、前言

论证作为科学素养的核心实践，在科学课堂上得到了鼓励，但论证实践对学生来说仍然具有挑战性，他们经常在识别、利用证据和阐明理由方面遇到困难。研究人员认为，这些困难主要是因为学生对论证的目标和规范缺乏了解。因此，设计和实施适当的教学支架，以促进这种基本的论证知识，具有教学意义。本研究介绍了以论证为中心的元认知支架（AMS）及其在基础科学课堂上实施的教学意义，并探讨了这些支架是否以及如何促进学生的论证，特别是它们是否提高了学生对论证目标和规范的理解。

1.1

支持学生论证的支架

当知识渊博的其他人为学习者提供支架时，他们比学习者有更好的理解能力水平或更高的能力水平（在特定任务、过程或概念方面），学习者可以完成更高级的活动并参与更高级的思考。当支架连接到维果茨基的近端发育区（ZPD）时，研究人员认为支架需要位于学生当前的ZPD内，以提高学生的能力，因为提供过多信息的支架不会激励学生学习更多。因此，支架应该是一个灵活的过程，这取决于学习者知道什么、他们处理信息的认知能力以及学习任务的特点。许多研究表明，随着时间的推移，支架会不断调整，而不是保持不变，因为学习者的知识和能力是通过学习过程发展起来的。根据这一建议，本研究中的AMS在实施时进行了调整，学生的知识和论证能力是通过参与论证实践而发展起来的。

本研究中的论证支架整合了沉浸、结构和社会科学背景的取向。本研究中的AMS有一个结构重点，包括科学界重视的证据和理由类型，以及对科学家互动的社会过程的对话关注。

基于SSI的教学是培养学生科学素养的有效方法，这需要在日常生活中理解科学并做出明智的决定。SSI是复杂的、开放式的，并且经常引起争议，因此，没有明确或明确的答案；气候变化、替代能源和转基因食品可能是SSI的例子。在这项研究中，研究人员和教师参与者合作设计了两个与论证相关的项目（这些项目将在下一节中详细描述）。这两个项目，美国宇航局的技术设计和降落伞设计和建造，是为了帮助学生了解社会中的科学和技术。在这些项目中，鼓励学生考虑科学和技术实施对未来社会的作用和影响（例如，“你可以考虑思考，你的技术设计将给美国国家航空航天局和更广泛的社会带来的任何好处，以及潜在的劣势 … 包括你的论点。”）以及对话和民主讨论对于做出关于科学和技术发展的决策，以追求特定利益的重要性（例如“我们是美国宇航局的小组，负责决定美国国家航空宇航局是否支持特定的设计。那么，我们应该如何思考？”;“在你的小组中，如果你不同意你的（降落伞）设计，你需要思考如何用证据说服，而不是试图强迫你的同龄人接受你的，对吗？”）通过提供这些项目，教师试图整合SSI环境中决策的复杂性，以强调对话论证的重要性。

1.2

元认知支架激发学生的元认知体验

元认知是指一个人关于认知过程的知识，以及对这些过程的主动监控和随后的调节。其中一些方法建议通过向学生提出元认知要求来改变学习环境，例如使用提示、线索和问题或教师思维过程建模，其他方法通过反思性写作和对思维和学习的小组讨论为学生提供元认知活动。为了更好地促进元认知发展，学者们建议，元认知支架应该嵌入日常科学学习活动中，而不是与科学概念和技能分开。这个建议与以沉浸式为导向的论证支架一致。

本研究中的元认知支架是与教师参与者史密斯女士（化名）根据她的教学偏好合作设计的。具体来说，在课堂上收集数据之前，我们与史密斯女士讨论了教师和研究人员在文献中讨论和采用的多种可能的支架，以刺激学生的元认知体验。例子包括使用隐喻（即学习隐喻）来产生元认知冲突，使用问题和线索来激发元认知体验，教师对思维和学习过程的建模，明确的元认知活动，如反思性写作和对思维和元认知的课堂讨论，以及概念映射和其他视觉辅助工具来展示思维。在这些支架中，史密斯女士对教师建模和使用提示、线索和问题感到很满意，因为正如她与我们分享的那样，“它们（这两种支架）符合她的教学方式。”

1.3

研究目的

在本研究期间，两种特定类型的AMS被整合到日常科学课堂教学中：（1）教师对论证思维过程的建模（简称思维建模）；（2）在论证过程中质疑和激发学生的思维（简称提问和提示）。通过这些针对学生思维的支架，Smith女士试图帮助她的学生反思自己的论证知识（例如，理解论证的目标和证据相关规范），并帮助学生在论证过程中意识到自己的思维和理解（例如，了解和监控他们是否完全理解同龄人的证据或主张）。通过研究这个教师支架的课堂实践，这项研究的目的是双重的。首先，它旨在探索AMS是否以及如何影响学生的论证，特别是学生对论证目标和规范的理解。在文献中，意识到自己的思维过程和检查理解也被讨论为元认知监控。因此，本研究的第二个目的是调查AMS如何在科学论证背景下影响学生的元认知监控技能。

2、研究

2.1

案例研究

这项为期四个月的研究被设计为具有描述性和解释性重点的定性案例研究。采取了文献中建议的方法：粗描述和多个数据源的三角测量。在下一节中，我们广泛描述了学生参与者的争论练习和元认知体验的背景。当一个复杂的现象需要阐明时，例如学生在课堂环境中的科学论证时，三角化作为一种验证方法是合适的。为了使研究结果有效，三角测量的一个特殊做法是定性研究人员提供通过多种方法收集的证据来确定主题。以下各节描述了如何收集和交叉检查来自多个来源的数据，以确保研究结果的可信度。

2.2

过程

这项研究在加拿大西部一所公立学校的5/6年级科学教室进行。一位老师史密斯女士和她的19名学生（6年级12名，5年级7名学生）参加了这项研究，包括4名女孩和15名男孩。史密斯女士在研究时有10年的科学教学经验，在这个教学年级上大约有7年的教学经验。研究期间包括两个单元：（1）天空科学，（2）空气、空气动力学和飞行。根据史密斯女士的教学计划，这两个单元被设计为项目化学习。表1提供了这两个单元的概述。

表1 科学单元概述

天空科学单元是作为一个论证建设项目开发的：美国宇航局技术设计。在这个单元中，史密斯女士开发了一个场景。学生们被要求像美国国家航空航天局的创新技术人员一样，设计一种技术来推进美国宇航局当前的太空探索。这个项目从几次“美国宇航局会议”开始，在此期间，班级根据省级科学课程回顾了科学概念。然后，学生学习了论证构造，以设计和证明他们的技术与支持证据的合理性（见表1）。学生们从这个项目一开始就知道，他们将做一个演讲，他们的技术必须得到美国宇航局小组的批准和支持，该小组由他们的老师和同学组成。他们的设计将基于他们的经验、在这个单元学到的知识以及关于其主题的在线研究的信息。

    空气、空气动力学和飞行的单元围绕着一个降落伞设计项目，重点是通过对话论证解决问题。在学生开始设计降落伞之前，他们根据课程学习了科学概念。然后，史密斯女士将学生分成小组来执行他们解决问题的任务（见表1）。学生被要求就他们的降落伞设计（例如材料、尺寸、形状）做出决定并达成共识。当一个群体内部出现分歧时，学生应该通过基于证据的推理进行谈判。通过这种方式，论证的对话形式发生在小组解决问题的上下文中。

根据文献中关于支架的建议，AMS在整个研究期间进行了调整，而不是保持不变。具体来说，AMS主要在天空科学单元内提供，并在空气、空气动力学和飞行单元中逐渐消失。在整个天空科学单元中，提供AMS来促进学生的论证构建，包括他们对论证目标和证据相关规范的理解，以及在此过程中的元认知监控。下面的表2显示了Smith女士如何实施AMS（即提问、提示和思维建模）的例子，以及学生在教师主导的全班讨论中对教师支架的即时反应。

表2 史密斯女士的AMS和学生在天空科学单元的回应示例

2.3

数据来源和分析

为了对数据源进行三角测量和分析，通过多个来源收集数据，包括访谈、研究人员课堂观察的现场笔记、课堂活动的视频记录以及学生的写作和绘画。作为主要数据来源，学生访谈有三种类型：课堂非正式访谈、刺激回忆访谈（SRIs，stimulated recall interview）和半结构化访谈。在课堂观察中，我们注意到一些“具体事件或行为”，这些事件或行为被用作后续课堂非正式访谈的参考点。通过非正式采访，我们调查了学生在这些事件和行为发生时背后的内在意识和思维过程。SRI具有相同的目的，即获取学生的意识和思维过程，但具有追溯性。在SRI期间，学生回顾了他们任务表演的录像带中的情节，然后反思他们当时的想法。八名学生在完成美国宇航局的论证建设项目后参加了第一轮SRI。七名学生参加了降落伞项目结束时的第二轮。半结构化访谈与第二轮SRI一起进行，旨在揭示学生对科学论证的理解以及他们对教师AMS的看法。所有采访都是单独进行的，并进行了录像。每次面试时长40到50分钟。

根据两个学习单元将与学生论证相关的数据组织成两个主要集群：（1）天空科学单元的论证构建和（2）空气、空气动力学和飞行单元的对话论证。在每个主集群中，数据被进一步划分为子集群。这个数据子集群包括（a）小组辩论对话的课堂记录；（b）与Nadia、Xander和Luis的SRI，他们分享了他们在参与对话时的想法；（c）小组的降落伞模型设计文件；（d）他们实际构建的降落伞模型；以及（e）研究人员关于小组工作的现场笔记。通过这种方式，我们总共收集了36个子集群的数据。

每个子集群中的数据和教师AMS的数据一起进行分析，以进行理论化，以解释学生与AMS的论证发展。我们首先分别分析了数据。当我们比较最初的分析时，出现了一些分歧。2个子群（36个中的2个，5.6%）出现重大分歧，4个子群中有4个（36个，11.1%）出现小分歧。然后，通过讨论和批判性地审查彼此的解释，我们达成了共识，并实现了集体数据解释。

3、发现

在学习期间，特别是通过AMS，史密斯女士支持学生反思性地进行论证。老师的AMS帮助学生理解科学论证的目标和规范，并学会在论证过程中监控自己的理解和思维。这些影响也得到了学生的认可和赞赏。当AMS在第二单元中消失时，学生的论证知识和元认知监控的能力被保留下来，并影响了他们在新环境中进行论证的方式。在本节中，我们用示例来描述这些发现。

3.1

学生对论证目标和证据重要性的理解

在课堂上，我们观察到学生接受并欣赏他们的目标是用证据说服。他们也知道“良好证据”的标准和收集所需证据的策略。他们与这些标准和策略相关的意识、知识和技能告知他们如何构建和发展他们的论点。在采访中，学生进一步承认，他们从老师的AMS那里学到了这些知识和技能。以下示例是说明这一概念的众多情节之一。

示例#01：Derek的论点构造

德里克的技术是一辆探测木卫二的漫游车。他支持他的说法“美国国家航空航天局应该支持我的技术”，解释了为什么美国国家航空宇航局应该考虑探索木卫二，以及他的技术如何有助于探索。在SRI期间，Derek分享了他在整个论点构建过程中的思考过程。

我是创新技术专家，需要说服美国宇航局......为了有说服力，我专注于获取和提供更多信息，比如，更多的理由和证据，因为，你知道提供足够的东西非常重要。我试图收集尽可能多的证据......我需要好的证据，那就是可靠、相关和当前的证据。

在这种情况下，Derek意识到他的论点构建的目标是“说服美国宇航局”，他需要提供“足够”和“可靠、相关和当前的良好证据”来支持他的论点。在SRI期间，Derek还分享了他为寻找良好证据而采用的策略，具体如下：

不要只是进行谷歌搜索并使用第一张

，也许可以尝试阅读一点。就像我用了木卫二的照片一样。当我搜索它时，有很多木星，第一个实际上是木星。当我谈论木卫二时，我不能使用木星的

......你喜欢真正使用一些关于你的主题的东西......我试图获得并使用好的资源和东西作为我的证据。不要使用1960年的书，它可能不会像我2018年的书那么可靠......对于这个项目，我真的很喜欢美国宇航局网站和其他航天局网站。你知道它们通常是新的，非常好......因为它们是国际性的，不应该撒谎。

到目前为止，Derek分享了他对论证的目标和证据相关规范（充分、可靠、相关和当前）的理解，以及这些知识如何影响他论证构建的表现。“为了有说服力”，他设法提供了足够的证据。他还评估了在线信息的相关性（例如谷歌图像）和在线信息来源的可靠性（例如美国宇航局网站）用于收集相关和有效的证据。

关于他如何理解这些想法，Derek将其归因于老师的支架。他分享道：“我知道这个，所有这些，因为我学到了，Smith女士给我们看，我们在课堂上交谈。”在半结构化采访中，Derek进一步分享了他如何看待Smith女士的教学支持。

史密斯女士总是质疑并告诉我们如何思考[他强调了这个词]，这很有帮助，比如，思考如何有说服力......我们有不同的话题，我的是漫游者，开尔文正在研究冰沙......但我们以同样的方式说服美国宇航局......开尔文做了他对营养、维生素和风味的研究。他还要求亚当向他的父亲征求建议，你知道亚当的父亲是一名医生。但我的研究主要围绕着空间材料和力量。我不能通过研究营养来制作我的......我们没有被告知我们应该做什么，我们只是知道该怎么做，以说服美国宇航局购买，支持我们的技术。

德里克证实了老师的元认知支架的丰硕成果（即“提问并教我们如何思考”）。正如他分享的那样，正是通过老师的AMS，他学会了论证的目标以及如何思考来实现这些目标。知道如何思考，“[学生]只知道该做什么”和该怎么做，因为尽管主题不同，“[他们]以同样的方式思考，以说服美国宇航局。”因此，尽管学生致力于各种主题，如飞机和宇航员的食物，但良好证据的重要性就在他们的脑海中。老师关于如何争论的指导帮助他们参与争论练习。

Derek的论证结构作为一个例子，展示了老师的AMS如何帮助学生学习和意识到他们的论证知识，并促进学生的论证技能。确定了许多其他可以说明这个过程的例子。通过比较不同学生的论证结构，我们发现学生接受说服作为论证的目标，并意识到引用证据提出主张的必要性和重要性。

3.2

不断发展学生对论证规范的理解

学生们继续围绕什么是“好证据”以及如何找到和使用“好证据”来证明他们的主张进行思考。当他们的想法不同且相互冲突时，学生们反思并谈判了他们认为有证据支持的好论点。这些反思和讨论为学生提供了进一步了解与证据相关的论证规范的机会。

篇幅有限，未举其余的例子。

讨论和影响

在这项研究中，AMS通过（1）促进学生学习和意识到他们的论证知识，特别是他们对论证的目标和证据相关规范的理解，以及（2）协助学生在论证练习中监控自己的思维和理解，从而帮助改善学生的论证。这些知识和这些技能在整个研究期间继续练习，即使AMS在后来的单元中逐渐消失。学生们分享说，他们了解在新情况（即小组解决问题的背景下）需要做些什么来发展有说服力和值得信赖的论点。老师的支架得到了学生的认可和赞赏。在模拟回忆采访（SRI）中，学生们承认，老师强调了如何用证据进行良好的论据，并向他们展示了她如何监控自己的想法。他们说，这有助于他们检查自己的思维，并在嵌入他们探究科学学习的论证中发展与他人的互动。

查阅原文：Qingna Jin & Mijung Kim 2021 International Journal of Science Education

DOI：10.1080/09500693.2022.2150986

转自：“百研工坊”微信公众号

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