基础教育数字化发展研究｜尹子娟 张栩凡 陈梦寒 卢璐 杨慧娟：小学STEM学科教科书的科学论证研究
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尹子娟 张栩凡 陈梦寒 卢璐 杨慧娟.小学STEM学科教科书的科学论证研究——以北师大版数学4—6年级为例[J].中国教育信息化,2023,29(6):120-128.DOI:10.3969/j.issn.1673-8454.2023.06.015
基础教育数字化发展研究
小学STEM学科教科书的科学论证研究
——以北师大版数学4—6年级为例
尹子娟 张栩凡 陈梦寒 卢 璐 杨慧娟
摘 要： 科学论证是建立在逻辑话语实践的基础之上，其核心在于思维与推理，对数学学科的学习同样强调培养科学思维与科学推理能力，所以科学论证能力也逐渐成为基础教育阶段学生学习数学需要掌握的重要内容。为考察我国小学高年级数学教材中科学论证的实际编排情况，以北师大版数学教材为研究对象，采用内容分析法对4—6年级上下册共6本教材中呈现科学论证内容的相关栏目进行分类、编码、统计与分析。结果表明：在内容水平上，总体呈现出衔接性不强的特点；在呈现位置上，科学论证内容主要呈现在正文部分；在表征方式上，多以文字实例和插图表格等形式呈现。因此，建议在教材编写中注意以下几个方面：在内容水平上，加强教材年段之间的衔接，提高论证水平的科学性；在呈现位置上，适当增添多学科知识，提升数学文化内涵；在表征方式上，采用灵活多样的表征方式，顺应儿童发展特点。
关键词： 科学论证；小学数学；教材分析；STEM学科；教科书中图分类号： G434；G62文献标志码： B文章编号： 1673-8454（2023）06-0120-09作者简介： 尹子娟，青岛大学师范学院硕士研究生（山东青岛 266071）；张栩凡，北京师范大学教育学部硕士研究生，共同第一作者（北京 100875）；陈梦寒，北京师范大学教育学部硕士研究生（北京100875）；卢璐，青岛大学师范学院硕士研究生（山东青岛 266071）；杨慧娟，青岛大学师范学院副教授、硕士生导师，博士（山东青岛 266071）
基金项目： 教育部教育管理信息中心教育管理与决策研究服务专项 2022 年度委托课题“国外科学教育战略行动研究及其数据库建设”（编号：EMIC-YJC-2022008）
科学教育的目标是提升学生的科学素养。作为科学教育研究领域中一个重要的研究对象，科学论证能力是科学素养的核心。科学论证能力是一种以科学知识为中介，根据收集到的数据资料提出主张和进行推理，反思自己和别人论点的不足以提出反论点，同时能反驳他人的质疑和批判，为自己辩护的高级思维能力。[1]论证是学习科学概念的重要工具，开展基于论证的科学教育活动，可以促进学生对科学概念的理解，深化对合理使用证据的理解，提高连贯和逻辑论证能力，促进学生推理能力和批判反思能力的提高。教材是课程资源的载体，也是教师教学的载体，在培养学生科学论证能力方面起着重要的作用。因此，研究教材中蕴含的科学论证内容有着重要意义，不仅能够加强对教材课程资源的创新，而且能够提升学生的科学素养。
一、科学论证的内涵及研究现状
（一）学术界对论证的理解
关于论证的定义，不同学者的理解存在差异。早在1993年，库恩·迪安娜（Kuhn Deanna）提出论证是收集证据证明自己或质疑他人观点的过程；[2]21世纪，劳森·安东（Lawson Anton E）提出论证是在不确定的问题中建立观点，并且要找到观点和证据之间的联系；[3]国际学界最常用的是亨德森·布莱恩（Henderson Bryan）等人的定义：论证是以学科知识为背景所进行的复杂推理活动，目的是建立证据和观点之间的联系，或者反驳已建立的联系。[4]
虽然不同研究者对科学论证持有不同看法，也各有侧重，但都认同论证要素，即观点、证据、反驳。纵观国际学界论证的理论模型研究，从苏格拉底的论证模式，即用一系列的质问来检查人们潜在的、想当然的假设，强调论证的反驳和观点；再到亚里士多德三段论结构论证模式，其本质上是一种演绎推理的过程。这种论证形式是由已知的两个命题为前提，基于大前提寻找证据、小前提寻找支持理由，从而推论出未知的一个命题即结论，强调了论证的推理和证据；最为经典的是图尔敏·斯蒂芬·埃德尔斯（Toulmin Stephen Edelston）提出的论证模型，它将主张、证据和正当理由这三个组成部分确定为创建有效论证所需的最小结构。[5]劳森·安东的论证模式也让我们了解了科学知识获得的过程，其中的重要成分包括问题、想法、预测、结果、结论等，成分之间的互动关系有假设、归纳、演绎、逆推、比较、推论等。[6]不同学者从形式与结构上回答了“科学论证是什么”的问题，能够帮助学生更好地理解科学论证的具体内容、构成要素与形成过程。
论证有着重要的作用，不仅可以帮助学生理解与转变概念，还能够了解科学本质，更好地发展学生科学探究能力和科学推理能力。所以从论证的视角对数学内容进行解读是发展学生科学思维的必要前提。科学教育中的论证，鼓励学生参与真实的科学实践活动，学生在论证实践中寻找各种资料，形成证据支持科学观点，以及对观点进行公开辩论，以此来发展科学论证能力。[7]
（二）课程标准中对科学论证的研究
1.我国《义务教育数学课程标准（2011年版）》关于科学论证的表述
我国《义务教育阶段数学课程标准（2011年版）》提出小学数学的10个核心素养，即数感、符号意识、空间观念、几何直观、数据分析观念、运算能力、推理能力、模型思想、应用意识、创新意识。[8]其中，运算能力、推理能力和问题解决能力恰巧与论证的内涵一致，都是培养学生论证能力的基础部分，所以将论证能力列入培养学生科学思维的重要组成部分。我国小学有全国统一的课程标准，并且教材的使用也较为统一，教材在小学数学教学中的作用较大，因此本研究选取使用最为广泛的北师大版小学高年级（4—6年级）数学教材对其科学论证内容进行研究。
2. 美国《新一代科学教育标准》关于科学论证的表述
2012年，美国《新一代科学教育标准》（Next Generation Science Standards，NGSS）明确将“基于证据的论证”列为 K-12 年级科学教育的八种重要科学实践之一。[9]其对科学论证的解释如下：科学知识基于证据和解释间的逻辑和概念联系；科学各学科采用一些共同准则来获得和评估实验性证据；科学知识基于实验性证据；科学包括协调证据和当前理论的过程，当多条证据支持某条解释时，该种观点得到强化。[10]这些都是在美国相关科学教育标准下对科学论证的描述，也为我国基础教育阶段科学教育核心理念的实现提供了范本。
3.教材中对科学论证的研究
国内外学术界关于科学论证的研究比较关注教材的使用方面：奥斯本·乔纳森（Osborne Jonathan）的研究发现，教师的专业发展和教师学习对论证的教学有着显著影响。[11]邓阳建构了科学论证能力的一般评价标准，并对学生书面科学论证能力和口头科学论证能力的评价进行分析和总结。[12]教材可以作为预期课程和实施课程之间的桥梁，[13]并经常被用作教学的基础，[14]这限制了教学内容，也影响了教学策略的使用。[15]卡基奇·耶尔马兹（Cakici Yilmaz）认为，对教科书的分析对于支持科学教育改革有着重大意义。[16]任宁生构建了科学论证的教学设计模型，将教材内容进行科学论证的校本化实施，并且具有一定的可操作性。利用该教学模型可以帮助学生提高论证能力，并进而理解科学本质。[17]莫塔·卡罗琳·戈麦斯（Motta Caroline Gomes）等的研究结果显示，基础教育阶段6—9年级教科书中提到的课程教学活动并没有将论证作为一种社会实践能力来对待，很难完成培养学生批判性能力的重任，因此提出论证和教科书应该建立有效伙伴关系的建议。[18]柳苏娜（Ryu Suna）等强调在课堂上持续论证可以促进儿童解决问题技能的发展，加深他们对数学概念的理解。[19]
众多学者都有对理科教材中的科学史进行分析，并进一步在论证视角下对数学教材进行比较研究。朱晓民等从文化视角设计了理科教材中科学史内容的分析量表，对19套理科教材进行分析并提出相应教材存在的问题。[20]阿蒂·约翰·保罗（Attie John Paul）等根据国际学生评估项目（Programme for International Student Assessment，PISA），运用内容分析法，比较了巴西和加拿大数学教科书论证过程中教学的差异，结果显示：巴西相对于加拿大，教科书论证过程过于循规蹈矩，缺乏论证过程中所需的自主分析和批判查证的基本技能。[21]
结合先前研究来看，分析数学教材中科学论证要素的研究相对于其他领域来说数量不多，尤其是对小学教材中科学论证内容的具体分析更少，而本研究主要以小学数学教材中的科学论证进行表征分析研究，其对数学学科论证教与学方面具有借鉴意义。通过对教材进行编码分析，能够以更加客观量化的方式对文本进行深度分析，从而对教材科学论证的内容进行分析，为教材关于科学论证部分的编写提供相应的改革建议。
二、研究设计
小学高年级阶段教材中蕴含的科学论证内容是本研究的重点，小学阶段是学生的基础教育阶段，对其高年级教材进行编码分析能够更好地推进教材改革，符合儿童心理发展阶段，推动学生科学论证水平稳定持续发展，以便探究科学论证这部分内容在这版教材中的设置特点，并对教材编写者提出建议。
因此，本研究提出了两个研究问题：一是小学高年级（4—6年级）数学教材中的科学论证情况如何？二是小学高年级（4—6年级）数学教材中在科学论证编写方面有哪些需要改进之处？在研究对象上，本研究主要选取了北师大版的小学高年级数学教材，包括4—6年级上下册共6本教材。在研究方法上，主要采用内容分析法，用比较规范的方法读取北师大版小学数学教材文本资料的内容，把文本资料上的文字、非量化有交流价值的信息转化为定量数据，建立有意义的类目分解交流内容，并以此来分析教科书中论证的特征。
本研究主要根据科学论证的分析框架，对教材文本进行系统编码、分类、统计、分析，尝试去探讨有关科学论证的相关情况，并以数据图表的形式呈现此教科书的论证维度及其重心分布。
在进行与教科书相关的研究时，开发一个分析框架是至关重要的。[22]本研究基于前人已有的分析框架进一步制定自己的分析框架，把论证纵向维度分为4个一级指标：科学论证的基础、科学论证的条件、科学论证的过程、科学论证的核心；横向维度分为内容水平、呈现位置、表征方式，描述水平按照1—5级水平进行量化统计。其中，每个一级指标分别对应4个二级指标，共计16个二级维度（见表1）。
表 1 本研究的二维分析框架二级指标各维度的评判标准如下：
概念复杂性描述水平的评判标准：涉及孤立的概念为水平I，涉及多个概念为水平II，建立概念间的联系为水平III，建立概念间的联系且解释联系为水平IV，建立概念间的联系、解释联系并创造性地发展概念为水平V。规则的充分性、证据的复杂性、主张的充分性、推理的复杂性、因果的充分性、论点的复杂性、论辩的充分性、概念的复杂性等评判标准大致是一致的，这里就不再赘述。
概念情境性描述水平的评判标准：在孤立的情境中阐述概念为水平I，在详细的情境中阐述概念为水平II，结合生活实际阐述概念为水平Ⅲ，结合生活实际阐述与应用概念为水平IV，结合生活实际阐述、应用与迁移概念为水平V。规则的有效性、证据的情境性、主张的有效性、推理的情境性、因果的有效性、论点的情境性、论辩的情境性、概念的情境性描述水平的评判标准大致是一致的，也不再赘述。表2是教材“科学论证”文本分析之横向内容评定的操作细则。表2 教材野科学论证冶文本分析之横向内容评定的操作细则三、研究结果
（一）教材中科学论证的整体状况
本研究基于对教材文本中科学论证内容的统计分析，图1为科学论证的基础和科学论证的条件年级对比图，图2为科学论证的过程和科学论证的核心年级对比图。从整体上看，在一级指标科学论证的基础、科学论证的条件方面，整体论证水平大致是随着年段的上升而逐步升高的，在5年级达到最高峰，而在6年级这个阶段出现的频次明显比其他年段都要低。而从一级指标科学论证的过程、科学论证的核心整体规律来看，除了描述水平之外，其他内容水平中的二级指标、呈现位置和表征方式方面都比前两个一级指标低，前两个年级整体上是上升趋势，到六年级开始出现下降趋势。
图 1 科学论证的基础和论证的条件年级对比图
图 2 科学论证的过程和科学论证的核心年级对比图
（二）教材中科学论证的内容水平
结合教材分析框架，从横向维度将内容水平维度分为：所占篇幅、出现频次、关联课数、描述水平。所占篇幅反映了科学论证内容在教材中的占比情况；出现频次和关联课数反映了科学论证内容新概念出现的频次和相关内容课程关联节数；描述水平反映了科学论证内容的描述详尽水平和要求学生理解程度的高低。
从图1、图2可知，从整体上来说，在所占篇幅上，前两个一级指标（科学论证的基础、科学论证的条件）明显高于后两个一级指标（科学论证的过程、科学论证的核心）。由科学论证的基础下降到科学论证的条件，科学论证的过程和科学论证的核心是基本上保持一致的。
在出现频次和关联课数方面，4个一级指标大体上是处于持平的状态。在描述水平方面，4个一级指标的规律大体是一致的，都呈现先上升后下降的趋势。从年级分布情况而言，所占篇幅在4个一级指标中的规律基本是一致的，趋势为4—5年级是逐步上升的趋势，5年级达到最高峰，到6年级有所下降。
从中可以明显看出，科学论证的基础和条件明显低于科学论证的过程和核心，越到得到论点、进行论辩的重点部分，其所占比重反而越低。出现频次呈现随着年段的上升而不断降低的趋势，这可能跟课时单元安排有关，到6年级由于要为升学考试作准备，学习内容较多课时单元安排紧凑，可能就会越少。而关联课数则整体呈现4—5年级呈现逐步上升的趋势，到6年级阶段有所下降且达到最低峰。在描述水平方面，其整体规律大体上是一致的，前两个年级阶段是随着年级的上升而不断提高的趋势，并在5年级达到最高峰，到6年级阶段出现下降的趋势。
（三）教材中科学论证的呈现位置
结合教材分析框架，把教材中科学论证内容呈现位置分为：正文部分、引言背景、边栏注释、例题习题、课后拓展5部分。科学论证内容呈现不同位置，不仅反映了教学的顺序性和逻辑性，还反映了教学过程中的重要程度。
从图1、图2结果显示来看，该教材科学论证内容的呈现位置，相较于正文部分和例题习题，课后拓展部分出现的相对较少，只有在科学论证的基础和条件部分出现，且科学论证的过程和核心部分仅在正文部分出现，其他4个部分出现的频次为零，可见论点的核心和论辩的过程都集中在正文重点部分，这部分往往能够引起学生的重视。
从年级分布情况来看，在基础和条件阶段，正文部分和例题习题都呈现4—6级阶段逐步下降的趋势；在课后拓展部分是逐步升高的趋势；在过程和核心阶段，3个年级也是呈现下降的趋势。在呈现位置上，无论是总体趋势还是年级趋势，论证的内容大部分都集中在正文部分和例题习题，其他部分内容很少。
（四）教材中科学论证的表征方式
结合教材分析框架，把教材中科学论证内容的表征方式分为：概念规律、文字实例、学史阐释、插图表格、动手操作、动脑探究。教材内容灵活运用多种表征方式，对学生掌握概念起着重要作用。从图1、图2结果显示：总体来看，教材中这6种表征方式均有出现，相较于文字实例、插图表格、动脑探究而言，概念规律、学史阐释、动手操作出现的频次较少。从年级分布情况来看，在概念规律和学史阐释方面，各个年级4个一级指标都相对较少；在文字实例、插图表格和动手操作方面，3个年级也呈现波动趋势，且4年级出现的频次最多；在动脑探究方面，4个一级指标的上升趋势大体一致，4—5年级呈逐步上升的趋势，到6年级开始有所下降。无论是整体趋势还是年级趋势，在表征方式方面都呈现出多元化的特点。
（五）教材年段描述水平的二级指标分析
由于描述水平是最能够说明科学论证内容描述的详尽水平，更能体现教材要求学生数学概念掌握的程度。为了更好地发现其规律所在，因此在作图时采用上下册拆分的方式进行分析，这样能够更加清晰地分析年段之间的差异，达到可视化的效果。
从4年级阶段上下册的总体情况来看（见图3），概念的情境性、规则的有效性、证据的有效性、主张的有效性都比概念的复杂性、规则的充分性、证据的复杂性、主张的充分性高，也就是论证的内容大多都能结合生活实际情境去进行描述，教材内容也更加贴合学生生活。5年级阶段，其上册、下册的规律不太明显，是波动的；概念的情境性较突出，而且前8个二级指标与后8个二级指标相比较高。6年级阶段上册、下册的描述水平是有一定差别的，上册相对应的每一个二级指标都比下册高，其中推理的情境性和论辩的充分性差值最大。六年级下册阶段偏重小升初考试，因此在教材编排时单元较少，复习的例题、习题较多，这也是为何到6年级下册呈现下降的一个重要原因。
图 3 科学论证描述水平年段表征
无论是总体趋势还是年段趋势，其年级之间的描述都呈现出大幅上升的趋势，这也表明教材中关于科学论证的内容跨度比较和衔接性不够好，可能会对学生理解教材产生一定的难度。
四、结论与建议
北师大版数学教材较为科学地呈现了培养学生科学论证能力所需要的素材，为了更好地促进学生科学思维的培养，基于上述分析，建议在科学论证内容编写方面注意以下问题：
（一）在内容水平上，加强教材年段之间的衔接，提高论证水平的科学性
教材中科学论证的内容应采用逐级递进、螺旋上升的原则，学生对新概念的学习需要一个内化的过程，过多、过繁的概念论证对学生理解教材来说具有一定的难度。因此，建议加强年段教材之间的衔接，其衔接要有度，难度应随着年段的上升逐级增加，不应出现大幅波动的现象。当教材为学生搭建了相应的逻辑认识桥梁，那么学生就逐渐能够把握科学本质，抵达科学的彼岸。北师大版的教材多以情境来展示教学目标，给教师提供了更大的研读空间，教师在研读数学教材时，不能把教材读厚读难，应当是读精读薄，简化教材，更多结合学生生活实际进行教学，这样学生才能更好地适应数学的学习。
（二）在呈现位置上，适当增添多学科知识，提升数学文化内涵
其内容越贴近生活实际，学生就越容易把数学学习应用于生活。北师大版教材强调科学探究活动，在教材中设置“数学好玩”单元，建立了真实的学习情境，也能更好地激发学生的研究兴趣，并对学生增强和提升科学素养起着积极的作用。教材中“你知道吗”栏目设计渗透着数学文化，又有课后阅读拓展的韵味，所以教材可以适度增加融合各科知识的有趣阅读部分，作为课后拓展部分。边栏注释通常是对教材文本的进一步解释，它可以帮助学生和教师预先学习，边栏注释的有机编排能够配合数学学科的特点进行思想教育，能沟通数学与社会、自然的联系，启发学生深入分析思考，指导学生学习方法，掌握知识要领。可在小学数学教材中的边栏注释方面，增添一些整合学科的相关知识窗，渗透数学文化思想，更好地拓展学生的视野。
（三）在表征方式上，采用灵活多样的表征方式，顺应儿童发展特点
小学高年级学生仍处于具体运算思维阶段，其思维还离不开具体事物的支持，所以在数学教学和学习中使用更直观的形式，对提高学生的概念理解是有效的，动手操作能够帮助学生建立具体事物与抽象事物的联系。数学的知识是抽象的，尤其对于一些数学概念和原理的理解往往是难上加难，这个时候在教材中加入动手操作的表征方式，能够让学生不再感觉数学学习的枯燥，积极主动地去建构知识体系，也有利于提高学生的科学论证能力。
单纯的概念规律或文字实例描述的表征方式，对于这个阶段的学生而言是很难建立新概念的，图文结合的方式更能够构建学生的空间概念。学史阐释在教材中出现的频次也比较少，使用科学史方式阐释相关问题，可以借助不同的呈现方式提高科学史分布的均衡性。科学史作为重要的教学资源，对学生知识掌握、能力提升和情感培养都起到一定的促进作用。科学论证的过程更加需要学生去探究和解决问题，不仅能解决数学教材上的知识，还能解决生活实际问题，进而提升学生核心素养。参考文献：
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Scientific Argumentation of STEM Textbooks in Primary Schools：A Case Study of Beijing Normal University Edition Mathematics Grades 4-6
Zijuan YIN1, Xufan ZHANG2, Menghan CHEN2, Lu LU1, Huijuan YANG1
（1.Normal College, Qingdao University, Qingdao 266071, Shandong;
2.Faculty of Education, Beijing Normal University, Beijing 100875）
编辑：李晓萍 校对：王天鹏
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