2019年4月27日

科學論證與批判性思考的教學運用

在談科學論證和批判思考之前，還是要來想想為什麼要談這個主題。

在課綱裡，學生在學校教育應該學會的東西稱之為「學習重點」，這分成兩個部分，一個叫做「學習內容」，另外一個就是「學習表現」。

學習內容是什麼？當你問學生，學校教了你什麼，通常最直接回答出來的那些課程內容，就是了。


而學習表現是什麼呢？它包含了「探究能力」和「科學的態度與本質」。在這篇要講的論證與批判思考就是在「探究能力」裡的「思考智能」的其中兩項，分別叫做「推理論證」與「批判思辨」。

註：探究能力包含了兩塊，分別是「思考智能」和「問題解決」，2017年的時候因為演講的關係，我特別整理了一系列的文章，在講問題解決裡頭的分析與發現。
請從此文章開始【探究課程工作坊之分析與發現(1)-「分析與發現」是什麼】，足足寫了十篇呢。



記得當初在看到論證這項能力的時候，其實是茫然的，因為從來也沒有上過一門課叫做論證，所以對於它到底是什麼東西，其實是處在一種似懂非懂的狀態。既然不懂，就會上網去查看看，到底論證是什麼東西？

先看看課綱裡的文件怎麼說





Toulmin論證模式是什麼？
再來看看網路上還可以查到什麼論證資料，查了之後，看到大部分的論證文章都會提到Toulmin論證模式。這是一個很完整的架構，包含了
結論主張(Conclusion、Claim)
資料(Data)
限制條件(Qualifier)
保證、擔保、理由、依據(Warrent)
反駁(Rebuttal)
背後的支持(Backing)


這裡也提一個Toulmin的論證例子-亨利是不是英國人。完整的論述是這樣的「 亨利出生於百慕達群島，因為在百慕達群島出生的人，就是英國人。根據英國的殖民地法規定，只要是英國或英國殖民地出生者，就是英國人，由於亨利符合這些限制，所以亨利是英國人。
但是，如果亨利的雙親都是外國人，他就不是英國人了」

整段論述的分析就像這樣
  • 資料：亨利出生於百慕達群島
  • 依據：因為在百慕達群島出生的人，就是英國人
  • 背後的支持：根據英國的殖民地法規定，只要是英國或英國殖民地出生者，就是英國人
  • 限制條件：亨利符合這些限制
  • 反例：但是，除非亨利的雙親都是外國人
  • 主張宣稱：所以亨利是英國人


雖然已經有很多科教論文都有用這個在教學生，不過我覺得實在不好教，因為自己在某些案例中一直分不清楚warrent和backing有什麼差異。然後也覺得元素很多，似乎不容易教學生學習使用。


更好使用的論證架構-CER架構
不過在某次閱讀外國教學研究的文章時，看到一個叫做CER的論證架構，讓我看到執行的可能性啊。我再去閱讀參考文獻列出的書，是波士頓學院的Katherine L. McNeill 和密西根州立大學的Joseph S. Krajcik撰寫的【Supporting Grade 5-8 Students in Constructing Explanations in Science: The Claim, Evidence, and Reasoning Framework for Talk and Writing】。又繼續找這些作者寫的文章還有相關的引用或被引用文獻。找到很多資源，看了之後，就有那種「喔，這樣做就可以了啊」的感覺。



這幾個是值得花時間細看的網站或書籍
網站：The Argumentation Toolkit  http://www.argumentationtoolkit.org
網站：SCIENTIFIC ARGUMENT http://sciencearguments.weebly.com/
網站：Argument Driven Inquiry https://argumentdriveninquiry.com/
書籍：Science As Inquiry In The Secondary Setting
書籍：Scientific Argumentation in Biology, 30 Classroom Activities
線上文件：http://ciese.org/media/live/pisa2/scientific_explanation.pdf



原來他們和我有同樣的感覺，Toulmin的論證是很好，不過需要修改與簡化，才更容易讓學生上手使用。他們修改出來的論證架構叫做CER論證架構(Claim Evidence Reasoning Framework)，然後他們把用這個架構的科學論證稱為科學解釋(Science explanation)。

雖然叫CER，但基本元素是四個：主張(Claim)、證據(Evidence)、推理(Reasoning)和反駁(Rebuttal)。



1.主張：
對議題和問題的回應。例如問題是「如果藻類的族群量減少了，鯊魚會發生什麼事情？」，你的主張就是「鯊魚的族群會減少」

2.證據：
證據是什麼？包含了資料(Data)、圖表(figure、plot)和解讀(interpretation)。資料包含了從自然界觀察或測量的資料，或是經過有控制的實驗得到的結果。像課本實驗活動產生的紀錄表格或圖表都是屬於證據，另外還有對資料或圖表的解讀，說明圖表中呈現了什麼資訊，這可以用引導句讓學生寫出句子，像是「這張圖指出....」「這張圖顯示了...」，用這些引導句來說明圖表呈現了什麼趨勢，例如「此圖顯示當單擺的重量改變時，沒有影響單擺的週期」

證據應該要適當且足夠。適當指的是證據必須和主張相關，加入無關的證據只會削弱論證的強度。以下會用例子說明

證據的來源可以是由學生第一手實驗或觀察獲得的資料，也可以是第二手資料，例如來自科學家的實驗數據，由於有些現象太小如原子，有些太大如宇宙，或者太久如演化，因此需要使用第二手資料，例如使用他人的研究結果來當證據。



3.推理：
這結合了Toulmin的warrent 和 backing，是用來說明證據如何支持主張，它必須是有邏輯的，而且使用適當的科學原理去連結的。對於學生來說，這是有難度的，因為不只要能理解科學原理，還要能應用。

培養學生的推理能力，不只能讓學生能應用學習的科學知識，也能讓學生有能力察覺新聞或廣告裡的問題。



在他們的文章裡提到的一個教學觀察例子，可以說明證據和推理是怎麼應用的。

學生在課程裡學到了物質，教師要學生回答脂肪和肥皂是否是相同物質，當然老師就會安排很多不同的小實驗，讓學生做物理測量，像是測量密度、顏色、硬度、溶解度等。最後就讓學生回答「脂肪和肥皂是一樣的東西嗎？為什麼？請寫出你的科學解釋」

結果學生回答「因為一個是煮東西用的，一個是洗東西用的，所以兩個是不同物質」。你給學生做好多實驗，結果實驗歸實驗，根本沒有把實驗結果拿來應用。

接下來，再讓學生重新寫一次科學解釋，這次好一點了，他會用五種測量數據來當證據，主張兩種是不同的物質。他的理由是「因為這五種測量值是不同的性質，因為脂肪和肥皂有不同的性質，所以我認為他們是不同的物質」這樣的理由已經比一開始學生使用「用途」來當證據好多了。不過這樣還不夠好，因為推理要能使用科學證據和科學概念來連結證據和主張。白話一點的說就是，你在推理那個部分應該要能回答這個問題「為什麼密度、顏色、硬度、溶解度不同就代表是不同的物質？為什麼不用體積來比？為什麼不用質量來比？」

在推理的部分要能用到科學原理，那就應該是這樣說「顏色、熔點、溶解度、密度都是物質的性質，而物質的性質特性是不會因為物質的量多寡而改變的，所以這些性質可以分辨物質是否相同，由於這些物質的性質不同，因此我認為它們是不同的物質」


在這裡也可以看到證據應該如何使用

證據應該要適當：要分辨脂肪和肥皂是否是相同物質時，有學生使用「用途」來分辨兩者，這就不是一個適當的證據。使用硬度、密度、顏色等資料，才是適當的證據。那麼使用體積和質量來做證據呢？雖然這是實驗測量出來的數值，但是使用上必須把這些證據組合起來使用變成「密度」，它才會和主張相關。

證據應該要足夠：支持主張的證據也通常不會只有一個，例如分辨物質的實驗，使用了五個證據(顏色、密度、硬度、溶解度、熔點)。只是學生通常會只提出一個證據而已。



4.反駁
第四個元素就是反駁，在科學上，一種現象或問題通常會有多種可能的解釋，也就是有多種不同的主張。反駁的過程是找出另有解釋，即其他的主張，並且證明它是錯誤的。

我們在選擇主張一是對的，而主張二是錯的的過程，也是循著前面「主張 證據 推理」的過程，為主張一找到支持的證據和合邏輯的推理，而對主張二則是要找出不支持的證據，且也是合邏輯的推理。

在教學上由於學生的經驗不足，所以剛開始訓練論證時，可以僅用前三個元素，即主張證據和推理，當學生已經有了經驗再引入反駁這個元素，




關於四項元素的使用，以下以此書的例子，舉一些在不同科目的例子：




論證和批判性思考
老實說，我以前對論證和批判性思考沒什麼好感，不是因為難，也不是因為內容。純粹是因為「字」。論證的英文叫做argument，這個字又可以被翻譯成爭論。你看喔，「爭」、「批」、「判」，這些感覺就是要吵架的字眼啊，我最討厭吵架了啊。

不過這些都是誤解啊，做論證或批判思考根本就沒有要吵架，它是以道理去組合或分析事物的過程。論證就像是蓋了一棟磚房，房子就是「論證」，地面是「議題或問題」，磚塊就是「證據」，屋頂則是「主張或結論」，把磚塊和屋頂連結的膠或結構就是「推理」。磚塊要夠多要夠好，結構要夠強，屋頂才不會垮，房子才夠穩。而批判性思考則是分析與解構這個磚房，分析時一步一步把屋頂拆下來，看看屋頂長什麼樣？看看屋頂是怎麼蓋上去的？算算有多少磚塊，這些磚塊品質夠好嗎？磚塊哪裡來的...




批判性思考也就是在問這類的問題：

  • 主張是什麼？
  • 想回應的問題是什麼？
  • 有哪些證據？這些證據品質夠好嗎？有多少可信度？證據來源是什麼？
  • 你的證據如何支持你的主張？為什麼這些證據可以推出這個主張或結論？


這些問題也就可以轉化成為論證的教學策略，以下就來一一介紹



論證的教學策略-從文章找主張和證據

從文章中找到主張和證據的方法，我以這篇文章來說

這是一篇學生寫出關於樹蛙的論證。
問題：在這池塘裡，樹蛙是捕食者還是獵物？
在這個池塘裡，樹蛙同時是捕食者也是獵物。我們觀察到樹蛙會吃飛行的昆蟲，像是住在池邊的豆娘。在兩天內，我們觀察到七隻飛行的生物被吃，我們也觀察到樹蛙吃了兩隻蝌蚪。此外，我們在圖鑑裡讀到，樹蛙會吃這些生物。所有的證據都指出樹蛙在這個池塘裡是掠食者。然而我們也觀察到一隻大魚吃了一隻樹蛙，我們從圖鑑裡讀到像浣熊和鷹也會吃樹蛙。這些都是樹蛙是獵物的例子。因此樹蛙在這個池塘裡是捕食者也是獵物。
文章來源：A Guide to Developing Argumentation Practices in Science:Reteaching Loop: Reading Arguments
從文章中可以分析出以下資訊
主張
在這個池塘裡，樹蛙同時是捕食者也是獵物。
支持是捕食者的證據和推理：
我們觀察到樹蛙會吃飛行的昆蟲，像是住在池邊的豆娘。在兩天內，我們觀察到七隻飛行的生物被吃，我們也觀察到樹蛙吃了兩隻蝌蚪。此外，我們在圖鑑裡讀到，樹蛙會吃這些生物。所有的證據都指出樹蛙在這個池塘裡是掠食者。
支持是獵物的證據和推理：
然而我們也觀察到一隻大魚吃了一隻樹蛙，我們從圖鑑裡讀到像浣熊和鷹也會吃樹蛙。這些都是樹蛙是獵物的例子。




論證的教學策略-比較證據的強度
針對文章中的不同主張，找出各自支持的證據，並比較其強度。你可以在路上搜尋台東大學生命科學系教授劉炯錫發表的文章-《當消失蹤影40年的雲豹在阿塱壹森林現身》

在文章中找到對不同主張支持與反對的證據，並計算數量與評估證據的強度。

主張：雲豹還存在
主張：雲豹已經消失
支持的證據


反對的證據

論證的教學策略-需要哪些證據來支持主張
在課堂上很少用到論證的其中一個原因，教學時教師就不常使用論證，我們經常是直接說明主張，例如：「生物生存的環境稱為生物圈，生物圈的範圍是海平面上下約一萬公尺」

這樣一段看似敘述文的句子，其實本來是個論證。這個論證要論的問題是「生物圈的範圍有多大？」，主張是「生物圈的範圍是海平面上下約一萬公尺」。

當教師在教這簡單的兩句話時，可以用這些提問來訓練批判思考的能力

  • 請問要提出這樣的主張，需要哪些支持的證據？
  • 這些證據要如何取得？
  • 在某處發現了某種生物就代表它在那裡生存嗎？



論證的教學策略-寫出推理

我覺得推理是架構裡比較難的部份，因為要能夠應用科學原理或科學概念。
以下使用的例子來自A Guide to Developing Argumentation Practices in Science:Reteaching Loop:Using the Reasoning Tool to Develop a Strong Written Argument


這是一個關於蔬菜的論證
主張：多吃蔬菜有益健康
證據：蔬菜含有纖維素和維生素C
提問：「為什麼含有纖維素就會有益健康？為什麼含有維生素C就會健康？」也就是寫出推理
證據
推理：這個證據很重要，因為...
主張
蔬菜含有維生素C
維生素c可以幫助癒合傷口和抗氧化
多吃蔬菜有益健康
蔬菜含有纖維素
纖維素可以幫助排便




論證的教學策略-證據的分類
針對某個問題，給學生許多證據，讓學生從這些證據中挑選相關的證據，並提出推理的過程，說明這些證據如何支持主張。

這部份可以參考我之前的文章《科學論證：證據分類【世上是否有性狀相同的兩個人】》


論證的教學策略-你支持哪個主張？
在真實世界裡，我們會遇到需要考慮科學知識來做決定的時刻，舉凡電廠的興建與否、環境開發問題等，這些都是社會科學論證(Socioscientific argument)的範疇。這些論證不只會用到科學證據，也會包含了個人觀點或價值觀。

以下使用的例子修改自sciencearguments.weebly.com在Talking Assessment的Critique and co-construction lesson

情境是這樣的
學校有一個池塘，旁邊有樹、草、水生植物、青蛙、魚、鳥和許多昆蟲。許多班會在池塘盤邊做活動，無論是生物觀察或是素描。但最近發現，池塘裡出現孑孓，附近開始出現蚊子。

因此有些課程開始不會帶到池塘邊進行，因為學生們總是抱怨被蚊子叮咬。父母們擔心這些蚊子可能攜帶危險的疾病。一位老師建議放養蓋斑鬥魚到池塘裡來解決這個問題，因為這些魚吃蚊子。另一位老師則建議到池塘邊只要噴防蚊液就可以。


以下是一些各種證據

  • 蓋斑鬥魚可以產出超過100隻的子代，這麼多的魚可以把孑孓都吃光。
  • 蓋斑鬥魚棲息於池塘、沼澤地帶、稻田等水流和緩的地區，因此在學校池塘也可以生存。
  • 大多數的防蚊液可以使用在學童身上。
  • 蓋斑鬥魚會吃很多種生物，這會使得原本在池裡的蜻蜓幼蟲或其他原有魚類吃不到食物。
  • 蓋斑鬥魚平均每日可吃掉3百多隻孑孓。
  • 使用防蚊液可以避免被有登革熱的蚊子叮咬。
  • 如果防蚊液接觸到眼睛或嘴，可能會造成危險。
  • 蓋斑鬥魚是對人類無害的生物




教師引導學生使用這些證據，讓學生思考應該使用哪些證據來支持主張。並且要思考如何用適合的證據反駁另外的主張。


以下還有很多可以作為材料的論證題材

  • 運動員可以使用自體輸血來增強運動表現嗎？
  • 學校應該禁止碳酸飲料嗎？
  • 是否該為有遺傳疾病或心智障礙的人強制節育(https://theinitium.com/article/20190305-international-japan-wasedachronicle-sterilisation/)
  • 熱的菜是否應該放在冰箱？
  • 是否禁止使用農藥巴拉刈？
  • 為何不能近親通婚？


如何寫出論證的文章
論說文就是一篇論證的文章，內容當然也就包括了論證的元素，你想討論的問題是什麼？你的主張是什麼，你所持的證據和推理又是什麼？而更好一層的論證，還必須提出其他的主張，並且說明他們是基於什麼證據和推理而提出這樣的主張，而又有什麼證據可以反駁這個主張？

在科學探究的過程中，最後撰寫的研究報告就是一篇論說文，也就是說應該要也有這些元素。不過學校裡的研究報告通常都只是呈現實驗結果而已，或者再多一些對結果的解讀。比較少做到的是寫出推理的過程，以及做到反駁其他主張。


這裡列出一個在Argument Driven Inquiry的論證報告格式，它包含了以下內容。

  • 簡介
    • 在課堂上我們已經學習了...
    • 在研究開始之前，我們知道了....
    • 這個研究，我們的目標是....
    • 我們要研究的問題是....
  • 方法
    • 為了要回答這個問題，我需要獲得資料。我的方法是....
    • 接下來，我這樣分析我收集的資料...
  • 論證主張
    • 我的主張是...
    • 證據
      • 圖表製作
      • 分析：在此圖中，顯示了......
      • 解讀：這個分析指出....
    • 推理
      • a.當我分析我收集的資料後，我猜想...
      • b.這個證據是重要的，因為...
      • c.我決定使用這個證據來支持主張，因為...



而在進行一份探究實驗前，還會有研究計畫書，說明你要怎麼進行觀察或實驗。
像這份是描述性研究的探究計畫書
研究問題

你將會收集什麼樣的資料







你會如何收集資料

你的步驟














安全注意事項
你會如何分析資料





你的實驗結果






而如果是比較性質的，或是有實驗設計的，則是會提出不同的假說，並說明這些假說成立時，應該會觀察到什麼現象。

I研究計畫書：比較性或實驗研究(兩假說)

問題
假說一
如果...
假說二
如果...

步驟
你會收集什麼資料


你會怎麼分析資料





有什麼安全注意事項




如果假說一是正確的，預期結果是...





如果假說二是正確的，預期結果是...
實際結果






 


評估論證
具有好的論證能力，批判思考的能力不可少。前面所提的教學策略多數是只針對論證的其一或其二元素，像是找出主張，分類證據等。如果要做得更進階，就必須要有能力評估整份論證文本。

以下列出的科學論證的指標(Rubrics)，可以讓學生用此指標評估其他同學書寫的論說文外，也可以用此指標評估科學新聞報導，或是科普文章的好壞。

多數rubric的內容會用一個指標，根據程度不同給予不同分數。例如提出主張一項，可能會像這樣【0分:沒有提出主張， 1分:有提出主張，但主張不明確 2分:有提出主張，並清楚說明主張。】。不過給學生實際使用時，學生常常會分不清一些模糊不清的界線。改用這種y/n的分類就會方便一些。

科學論證的指標(Rubrics)

項目
是(1)
否(0)
意見或建議
主張
主張是正確的



清楚說明主張



證據
利用實驗資料、測量或觀測的資料當證據，而非個人經驗或個人想法



說明資料來源或取得的方式



包含對資料的分析，例如說明趨勢變化



提出多項證據，或提出足夠的證據



證據和主張相關



推理
解釋證據為什麼重要，或是證據和主張為什麼相關



將證據與重要的科學概念或科學原理做連結



反駁
提出其他的主張



以證據解釋其他主張為什麼是不正確的、或是不相關、不重要的



科學語言
合適及正確地使用科學名詞



架構
使用完整的句子說明



句子的順序和編排有助於理解



沒有錯字，標點符號正確





引導學生思考的提問與提示
在沒有引導之下，學生提出的主張常常會是依據個人的經驗或看法，並非以科學證據。透過教師的提問和提示，可以避免學生在推理上出現的漏洞。你可以做的提問或提示包括這些：
  1. 你的主張或推論的依據是什麼？
  2. 你收集到什麼證據來支持你的主張、你的想法或是你的假設？
  3. 為什麼你會覺得是這樣？
  4. 你的意思是什麼？
  5. 這個證據支持或是反駁你的主張？
  6. 這個資料是不是公正的？是否可信？
  7. 你會怎麼解釋這個資料或證據？
  8. 操縱變因和應變變因有什麼關係？
  9. 這個資料怎麼說，或是這個資料意味著什麼？
  10. 從這個證據你會下什麼結論？
  11. 這個證據怎麼證明你的主張或是反駁你的主張？
  12. 從你收集到的證據，你會提出怎樣的解釋？
  13. 這個結果如何支持你的預期？
  14. 關於這個現象你已經知道的事情，這個結果如何支持那個你已經知道的事？
  15. 你能解釋一下這個結果嗎？
  16. 你可以建立一個模型來支持你的解釋嗎？
  17. 關於這個問題，你一開始設想的是對的嗎？
  18. 你會如何為你的發現辯護？



論證結果的呈現與同儕回饋的方法
以論證為基礎做的探究實驗不一定非要每個人都寫一篇報告，也可以同組將某個實驗的結果展示在分組小白板上。上面依照CER架構呈現了問題、主張、證據和推理。

隨後每組留下二人解說展示成果的小白板，其他人則是到各組聽他們的成果。在ArguentDriverInquiry的網站上介紹了一個幫助學生做論證回饋的方法。可以發給學生四色便利貼或紙卡，而上面已經有印製了回饋的句子，分別是：

  • 你可以再多解釋一些.....
  • 我喜歡這個，因為....
  • 我們建議你可以增加...
  • 我們建議你可以把....改成....


學生在看了別人的小白板成果之後，就可以用引導句完成回饋後，把這些便利貼或紙卡貼在對方的作品上給予對方回饋。


論證語言
我看了這些大量資料後，整理了一些論證時可以使用的引導句，或稱為論證語言，都可以幫助學生在口說或文字表達時敘述得更完整。
  • 當你要說明證據和主張的關係，你可以這樣說
    • 我認為這個證據支持主張....，因為....
    • 我不認為這個證據支持主張....，因為....
    • 這個證據很重要，因為...
    • 主張A更有說服力，因為...
    • 主張B比較弱，因為.....
    • 我認為這個證據支持主張，因為....
    • 我不認為這個證據支持主張，因為....
    • 我同意，因為....
    • 我不同意，因為,...
  • 回應對方的論證時，你可以這樣說
    • 你認為這個證據支持主張嗎？為什麼？
    • 你可以解釋你的想法嗎？
    • 為什麼你會認為...？
  • 別人在發表時，你可以這樣說
    • 所以，我聽到你說的是....
    • 聽起來你的意思是....，對嗎？
    • 你說的是....，對嗎？
    • 你所說的主要是...，是嗎？
  • 當你同意對方所說的，你可以這樣說
    • 我贊成某某所說的...，因為
    • 基於你所說的，我想我們可以說....
    • 我補充某某所說的..
    • 可以支持這個主張的另一個證據是....
    • 某某說得有道理，因為...
  • 當你不同意對方所說的，你可以這樣說
    • 我不同意你，因為
    • 我想這有一些不同..
    • 我不覺得你說的是合理的，你說...
    • 你的想法裡的有一個問題是...
  • 在團體討論時，可以對大家這樣說
    • 有沒有人有些話想說
    • 有沒有人有不同的意見
    • 因為我們還沒有聽到他的意見，所以讓我們給某某一個機會聽聽他的說法
  • 在團體討論時做結論時，你可以這樣說
    • 我們可以同意...
    • 看起來大多數人都覺得...，對嗎？
    • 所以我們可以這樣說嗎？.....
    • 記得關於這個問題，我們正在討論的答案是...
    • 我認為我們可能可以回到這主題，這和我們的主要問題的關係是...？
    • 我們是不是離答案越來越近了？


布魯姆的教育目標分類表裡的論證和批判性思考
在布魯姆的教育目標分類表裡，從簡單到複雜分成了六個層次，知識、理解、應用、分析、綜合與評鑑。我會透過行為動詞來檢視自己是不是可以達到不同層次的認知目標(例如這份文件或是這份文件)。
在教師講述的教學中，所能達成的認知目標，大多是在知識和理解層次的。而如果要能讓學生做到應用、分析、綜合、評鑑則需要不同的教學方式了。而我認為結合了論證和批判思考的探究教學，更能達成這些較高層次的教育目標，例如提案或撰寫一篇研究的計畫、評論或評估他人的論述。

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