论文部分内容阅读
美国《K—12科学教育框架》（以下简称《框架》）确定了8种K—12年级课堂中的科学与工程实践（practices）。这些实践与核心概念、跨领域概念一起共同描述了国家规定的科学学习目标。与稍早的标准（AAAS1993，NRC 1996）相比，它有一个重要的进步，即这些实践并没有被作为独立存在的学习目标，定义成学生应该了解的有关科学过程的内容。相反，科学实践确定了科学活动中核心概念背后的推理过程、对这些核心概念的论述及其运用。
在《框架》中列出的实践类型有：
·提出问题和明确需要解决的难题
·建立和使用模型
·设计和实施调查研究
·分析和解释数据
·利用数学和计算思维
·建构解释和设计解决方案
·基于证据进行论证
·获取、评估和交流信息
本文中，我们分别研究关于解释和论证的第6和第7种实践类型。这两项实践相互依赖：那些尝试建构解释的学生，也必须参与到论证中。
《框架》详细说明了探究在先前的标准中是如何被表述的，以此对于科学的建构意义（sensemaking）的方面进行强调（Bybee，2011）。有关“实践”的观点从把科学视为一系列过程转变为同时强调社会交往和讨论交流，这两者是在课堂中构建科学知识时伴随而来的。这一转变所指向的科学实践，需要我们认识到在建构科学知识时论证所起的作用，因为在设计调查活动、发展模型和构建解释时所做的周到而深入的工作，需要对各种方案进行仔细地比较、评估，并达成一致。在本文中，我们首先分别定义了论证（argumentation）和解释（explanation），然后再通过课堂案例探讨它们之间的关系。
构建解释
课堂上对于“你能解释一下吗？”这个问题会得到各种不同的回答。通过澄清某一想法（提供定义），确定一种因果机制（解释为什么有些事情发生了），或者证明一种观点（解释为什么会相信这种观点），教室里的学习共同体能够进行“解释”（Braaten和windschitl，2011）。《框架》中“解释”被定义为“将科学理论与科学观察结果或现象相联系的描述”
（第3章），它强调科学中（课堂上或专业的）
“解释”的一种核心形式是因果关系的解释，能够识别潜在的因果关系链。对这类解释的评价可以基于它是否能够前后一致地说明——或解释一学生收集到的所有数据（第3章）。
“解释”这种科学实践超越了对指定过程的定义或描述，而是把一系列对需要解释的现象的推理联系起来。因此，与其简单要求学生解释细胞呼吸作用，我们不如让他们解释为什么人体呼出气体中的含氧量比吸入气体中的低。对这个的解释不仅应该描述呼吸作用，而且还要产生一个符合证据的因果链，那些证据引向为什么需要氧气的论断。这样的一个因果链可以详细说明葡萄糖进入体内的位置，以及什么物质可以进出细胞，并得出结论：在细胞内一定发生同时需要葡萄糖和氧气的化学反应，从而把能量转换成一种可使用的形式（第9章）。
为明确“解释”的目标，《框架》强调了“评估各种观点以得到最好的解释”这个过程，包括学生应该能够做到：
·使用原始的或二手的科学证据和模型，支持或反驳对一种现象的解释性说明。
·找出各种解释性说明间的差异或弱点（他们自己的或是别人的解释）。
因此，形成解释性说明不仅仅包括构建，还包括比较和批判。尝试构建新的解释通常需要论证元素，以支持和质疑可能的解释。事实上，为“解释”搭建脚手架的有效课堂教学支持反映了这些论证元素，例如促进学生用证据和推理来支持他们的主张（McNeill和Krajcik，2012；Sutherland等，2006）。我们接下来将具体解析这个方面的科学实践。
基于证据进行论证
基于证据进行论证的实践强调了这样一种认知，即科学知识是通过一种推理过程而建立的，“这种推理过程需要科学家提出一种关于世界的合理化说法。作为回应，其他科学家尝试去找出这种说法的缺陷和局限”（NRC，2011）。当一种说法，可能是一种提出的解释，受到怀疑或有争议时，这种科学论证的过程就出现了（Osborne和Patterson，2011），因此就会激发参与者为他们自己的观点辩护，同时质疑或挑战其他的说法（Berland和Reiser，2009）。《框架》的第3章（NRC，2011）梳理分析了涉及支持和质疑知识论断的几个目标：
·构建科学论证，显示数据是如何支持论断的。
·在科学论证中找出可能的弱点，适合学生的知识水平，利用推理和证据进行讨论。
·识别他们自己论证中的缺陷，根据批评意见进行修改和完善。
科学知识的建立结合了这些实践，构造对自然现象的备选解释，并对这些论断进行论证。由于科学家们对于相同的观察结果考虑了不同的可供选择的解释，他们讨论确认不同解释的缺陷并逐渐形成一致的描述（可能是从多个来源中抽取元素），得到最符合证据的解样。这种相互依偎是实践如何相互关联的一个例子：作为对问题的回答，通过对调查数据进行分析得出解释，并经过论证得到优化。
这些实践由什么构成？
在《框架》中使用“‘实践’取代诸如‘技能（skills）’这样的术语，是为了强调参与科学探究需要同时协调好知识与技能”（NRC 2011，第3章）。Bybee（2011）强调这种把探究拓展到实践的观点是为了学习有关“实验、数据和证据、社交对话、模型和工具”等方面的知识和技能，以及为了使用这些参与到“评价知识论断、进行实证调查研究和形成解释”的活动中。这些“实践”包括在科学领域从事构建知识的工作，以及理解当我们从事这些工作时为什么要构建、测试、评价和完善知识。这涉及到让学生参与并反思实践，以形成对科学共同体是如何构建知识的认识。这在详细阐述了学生应该能够解释他们如何和为什么参与论证的附加目标中得以明确：
·认识到科学论证的主要特征是论断、数据和原因，以及在实例中辨别这些要素。 ·解释一个特定科学概念的发展过程中所存在的争论的性质，描述概念发展初期的辩论，并指出为什么某一特定理论能在争论过程中胜出。
·说明当今科学界是如何对知识的论断进行判断的，并能清晰指出同行评议的优点与局限性，以及关键调查研究需要独立重复进行的必要性。
要形成对科学知识构建的这些理解需要接受这些与实践有关的目标。如果我们希望学生了解科学界是通过构建解释和论证而形成知识的话，那么他们必须亲自应用这些实践去处理他们发现的问题。另外，学生的参与必须是有意义的，这样学生可以通过争论去解决他们解释中不一致的部分，而不是因为他们的老师要求他们这样做（Berland和Reiser，2009）。
我们通过4个课堂教学实例具体说明“有意义地参与到解释和论证中”这一观点。
案例1——对预测的论证加强解释
在第1个案例中（Hammer和van Zee，2006），我们看到学生被鼓励去捍卫他们的预测，建构关于为什么不同形状的物体以不同速率落向地面（核心概念PS2.A和PS2.B）的因果解释。在调查活动的第一天，一年级学生和他们的教师努力去解释当他们从高处丢下一张纸和一本书时发生了什么。他们得出结论：书首先落地是因为它有“更多的力量（strength）”（学生们对于重量的描述）。这次讨论同时引出了与重力和空气阻力相关的概念。第二天，全班同学预测如果在高处丢下一本书和一张揉皱的纸后会发生什么。Brianna预测道：“它们将会同时落地，因为它们都有相同的力量。”这种想法与其他学生关于揉皱的纸比最初的纸“更重”的意见一致。当教师提出重量如何改变的问题时，Rachel补充了Brianna的观点，“这张纸……原来，嗯，确实很轻，但现在它可能已经与这本书有一样火的力量，因为整张纸，嗯，都被揉得团在一起了。”
停顿了一会儿，Brianna说道：“如果把它捏成球形，它也不会重，纸的大小是相同的。”Brianna对自己的解释进行了质疑，这促使全班同学重新考虑他们对纸被揉皱后重量增加的假设。很多学生说他们同意揉皱后的纸将不会改变它的重量。Diamond接着说：
“第一次，纸像这样（平的），然后它被揉成了一个球。”换句话说，纸张改变了形状。Diamond补充说被揉皱的纸张没有像展平的纸那样飘落到地面。正如Brianna所说的那样：“它只是下落，就像那本书一样。”虽然在讨论中还有梳理分析形状和重量等重要的事情要做，但这个案例已展示了如何通过解释事件发生的原因启发学生调查和质疑他们对于纸张和纸张形状与它掉落地面快慢关系的初始假设。
案例2——协调相互矛盾的解释
在第2个案例中，学生们就像案例1一样形成解释来捍卫他们的预测，但同时还将协调他们之间的分歧，帮助他们形成更加科学、准确的理解。在这个案例中，一个由5年级和6年级学生组成的混合班级研究地球构造板块是如何移动和相互作用的（核心概念ESS2.B，6—8）。在这个研究之前，学生讨论地幔对流运动，并构建特定板块边界的模型：三分之一的学生模拟会聚边界，三分之一学生关注于离散边界，另外三分之一学生研究转换边界。在第3天，学生们根据这3种构造板块边界类型形成小组，探索一个出现的问题：随着所有板块的运用，地球是保持着相同的大小，还是变大或者变小了？
在一个有4个学生的小组中，两个学生认为地球会保持相同大小，另外2位则认为它会变大。Pint争辩说恐龙化石“证明”了地球不断变大，因为它们是地层不断变厚的证据。
Pint：你得不断地挖（才能找到恐龙骨骼化石）。这样就意味着地球已经在逐渐变大，因为你必须挖掘得很深才能找到骨骼化石……（1）
Olive：是的，我们看了电影《侏罗纪公园》，我想是这样的。
（2）
额外插入的关于恐龙化石的讨论和教师的中断干预
Fern：我理解你是怎么看待恐龙骨骼化石的。但那些覆盖恐龙骨骼化石的是会聚地壳层。不过，不是所有的会聚地壳层都会形成山峦。一些板块就是相遇[做手势，地壳板块相遇且保持平坦]。因此恐龙骨骼化石在一个板块中，然后板块移动，与另一板块相遇会聚并重叠。
（18）
插入会聚边界是否总能形成山峦的讨论
Fern：因此，比如说一些泥土移动到这里，但还有些并没有移动到那儿。那里可能还留有一些泥土。所以它仍然是平衡的，因为移动到这里的泥土来自那里。所以这个世界是相同的，它并没有增长，因为岩浆可以流进来，但它们也会分流出去或者崩溃。
（24）
学生们选择了自己的代用名
这段对话展示出当学生们有目的地参与实践时，论证和解释之间的关系。这种情况发生在学生们积极地聆听并回应他人发言的时候。例如，在第2行Olive把她自己的经历和Pint的观点结合起来。Fern，在第18行，同样地提到了她的队友关于他们所形成的解释的想法：“我理解你是怎么看待恐龙骨骼化石的……”（第18行）。然后Fern形象化地用语言对Pint的理解进行重新表述——恐龙骨骼化石证明地壳板块是层叠的——把谈话引入她自己的理解上（更加科学和准确），地球“仍然是相同的”（相同大小）。Fern陈述到：“比如说一些泥土移动到这儿，但还有些泥土没有移动到那里……所以它仍是平衡的，因为移动到这里的泥土来自那里。”（第24行）。
学生谈话的自发性——他们不是看着一张工作单或是明显地在考虑老师的期望——表明这些互动是有意义的。学生们积极参与到解决问题的过程中——在建构一种关于板块运动是否以及如何影响地球的形状和大小的解释。不那么有意义的活动是容易想象的——给学生提供一张要求寻找证据的工作单：“这就是说我们需要寻找证据支持我们的观点。”或者，学生可以独自努力回答问题，而没有多少交流，或者要求老师告诉他们问题的答案。然而在这里，学生正参与到看起来有目的的知识建构的互动中。
这种互动同时提供了解释和论证这两种实践的证据。学生努力去建构一种地壳板块运动如何影响地球大小和形状的解释。例如，在第24行，Fern提供了一种关于地壳板块如何能在不改变地球整体大小的情况下运动的解释。学生们一起推断这是如何发生的，并对Pint关于恐龙骨骼化石“被埋”的观察结果进行了解释。当他们参与到《框架》的前两个论证性目标的初期形式时——证明他们自己的想法（第1和第24行）和挑战不同的观点（如Fern挑战Pint的观点），讨论的辩论性质就显而易见了。 案例3——从多种解释中建立共识
在第3个案例中，5年级学生利用他们的想法去辩护、理解和达成共识。学生研究凝结（Kenyon，Schwarz和Hug，2008）并利用关于状态变化的图解模型去描绘水是如何出现在一个冷的易拉罐上的。这个单元的教学目标是建立粒子模型的最初形式（核心概念PS1.A 3—5），其中气体状态下水以粒子形式存在，这能够解释凝结过程中水从哪里来和蒸发过程中又到哪里去。在这个讨论的前一天，学生们分组评价彼此的模型。这里他们已经基于小组各成员的模型达成共识，形成了一个小组一致的凝结现象模型（在这堂课中，教师扩展了PS1.A 3—5的学习目标，同时引入了动能的概念，核心概念PS3.A 6—8，作为解释的一部分）。
Amy：大家等等！我们为什么认为会出现凝结现象？谁能说说吗？（1）
Amy：是的，但是为什么你认为它会在那儿？因为空气中有水吗？
（2）
Jenny：因为，是因为温度……（3）
Amy：寒冷（coldness）正在带走空气中的动能……（4）
Ivan：寒冷不是一个实物词！
（5）
Amy：好吧，所有人都同意动能被从空气中带走，并使它凝结成了一种液体吗？
Ivan：当然！
Amy：我们记下：当气体失去动能（KE），它将变成液体；当液体失去动能，它将变成固体。或者我们可以这样记录：气体减去动能等于液体。液体减去动能等于……（8）
Ivan：那么我们接下来要干什么？
（9）
Amy：解释！（10）
Mary：凝结总是发生在比空气冷的表面。
（11）
Jenny：好的！
（12）
Ivan：当水蒸气失去动能（KE）并变成液体时，凝结发生。
（13）
Amy/Jenny：这正是我们所说的！
（14）
Ivan：我知道！
（15）
Matthew：我们不能说凝结总是在发生！
（16）
Lori：……总是发生在冷的表面！
（17）
Matthew：如果你在一个没有任何湿气的地方，将会发生什么？
（18）
Jenny：史密斯先生说过把温暖的罐子放在一个加湿器前，什么也不会发生。
（19）
Matthew：好的。
（20）
这场试图填补空缺的谈话，涉及了一些重要的阐明完整解释的重述技能。“空气中的水分”“温度”和稍后的“动能”的出现是这个机制中的重要步骤。3次对于他们已经想出的内容进行明确阐述的尝试（第8、11、13行）导致了Ivan的总结，提到了水蒸气失去动能，和变成液体。Matthew提出最后一个关注向题（第16、18行），澄清凝结发生的条件。作为回应，Lori（第17行，表面必须比空气冷）和Jenny（第19行，空气中必须有足够的水分）添加了重要的附加条件。因此，Matthew提出的问题也通过修正Ivan提出的解释而产生一个新的综合体而得到解决，这些都反映在小组表述清晰的模型中（见图1）。
案例4——评论导致清晰的解释
最后一个案例展示了评论是如何促使学生完善和澄清他们的解释的。在这个案例中，一组8年级学生进行了一项种群变化的调查（核心概念 LS4.B）。学生们分享他们对加拉帕戈斯地雀种群数量随时间而变化的原因的分析。学生们发现在某一次干旱期，大多数鸟类死亡，他们试图解释为什么一些鸟死亡而其他鸟却能幸存的原因。
（Tabak和Reiser 2008）
N先生：因此，我已经知道Ina思考的方向了。有谁能换一种说法？你们说的“种群适应”是什么意思？Ina，现在轮到你了，你可以请别人发言，当然你也可以继续阐述你的观点（1）
[Ina请Joe发言]（2）
Joe：嗯，就像是喙的长度这样。为什么那么多鸟类有着更大的喙，是因为，拥有更大的喙的鸟生存了下来，它们交配，有了自己的后代，这些后代有着一样的特征——更大的喙。这就是为什么它们大多数的后代和成鸟有着更大的喙而不是中等或者小的喙，因为这个特征帮助它们在干旱时期生存了下来。[Joe请Jeff发言]（3）
Jeff：种群适应的原因是为了生存。如果它们不适应，那么将会死亡，它们的种群也将会消失，所以……是吧？Kelly！
（4）
Kelly：嗯，我想正是因为短喙的鸟类的死亡，有着长喙的鸟类才能够繁殖后代，它们的后代也拥有较长的喙，因此它们生存下来，这个特征才得以长久地延续。Ina，你认为呢？
（5）
Ina：嗯，我不这么认为。因为我们的这张图显示从1975年的湿季到1978年的旱季，过渡得非常迅速。期间不只是那些短喙的鸟死亡。在1978年，即使是最长喙的鸟也与种群中中等长度喙的鸟类数量基本持平，是这样的吧？N先生！
（6）
N先生？那么你是说并不总是短喙的鸟全都会死亡了？
（7）
Ina：是的。
（8）
N先生：好吧。这对飞蛾也适用吗？是不是白桦尺蛾全都死了吗？[学生在之前已经解释过为什么一些变种的白桦尺蛾生存下来渡过了19世纪后期的污染。]
大多数学生：不。（9）
N先生：只是，即使是飞蛾，它就像是几率发生了一些变化，对吗？
（10）
大多数学生：是的。
（11）
教师：好的，我想我明白了你们正在争论的内容了。
（12）
这一段情节分享了之前片段的一些重要方面。与案例2一样，有提出的解释性描述和产生的评论。一个解决方案被提了出来（在这个案例中，由教师引入了一个先前解释的特性）。这使得进行评论时，保证了所提出解释的核心内容（提出，一种性状的优势更像是“几率变化”，而不是“每一个”缺失这种性状的鸟类或飞蛾总是会死亡）。尽管这个先前解释的引用并没使得学生们清晰表达出能解决这一评论的共识，但全班都同意教9币所提出的关于Ina所关注的情况（第6行）的改变方案，同时也设法保留了Joe（第3行）和Kelly（第5行）所提出的因果链的核心部分。在这个简短的实录中，学生们形成了一个反映自然选择中一些最为重要的步骤的逻辑链：一种先前存在的性状变异（喙的长度）一改变的环境条件（干旱）一生存差异（短喙的鸟类死亡）一性状的遗传（传递了许多）。（描述中缺失的是对为什么长喙的鸟类更容易生存下来的解释）总结
通过这4个案例，我们可以看到学生对他们的解释进行争论的过程，能够加强那些解释，并帮助构建出一致同意的解释。我们在案例1和3中看到了这个现象，其中支持、辩护和共识的建立，使得解释更加详尽和精确；在案例2和4中，这个论证使得解释能够更好地处理可能的矛盾。通过这种方式，解释在《框架》所列出的几个维度都得到了提高，完善因果关系的描述（填补空缺），以及清晰表达和提高它们与证据的符合度。
另外，在每个案例中，学生参与到有意义的科学实践方式中——他们努力去理解科学现象，而不是去复制书本或者其他权威所传播的知识。这些案例都说明了学生参与到了科学实践当中，而不是科学过程或技能当中。总之，这些案例都说明“论证”这项科学实践在把解释带入K—12年级科学课堂中所起作用的重要性。
这些案例及其相关研究表明课堂环境可能会支持对这种科学实践的积极参与。作为教育工作者，我们必须创设情境，使学生能够展示出“解释”和“论证”这两类实践是他们在建构知识的活动中能够合理使用的方式（Berland和Hammer，2012）。这需要关注想法产生的原因，而不是仅仅关注一个特定概念的准确性（Sutherland等，2006）。需要创造出一种宽松的氛围，使学生在形成更为完整的解释的过程中不怕犯错。还需要向学生提出丰富的、具有多种合理答案的问题，这样学生才能够进行讨论和协调各种答案，最终形成一致的解释。
在《框架》中列出的实践类型有：
·提出问题和明确需要解决的难题
·建立和使用模型
·设计和实施调查研究
·分析和解释数据
·利用数学和计算思维
·建构解释和设计解决方案
·基于证据进行论证
·获取、评估和交流信息
本文中，我们分别研究关于解释和论证的第6和第7种实践类型。这两项实践相互依赖：那些尝试建构解释的学生，也必须参与到论证中。
《框架》详细说明了探究在先前的标准中是如何被表述的，以此对于科学的建构意义（sensemaking）的方面进行强调（Bybee，2011）。有关“实践”的观点从把科学视为一系列过程转变为同时强调社会交往和讨论交流，这两者是在课堂中构建科学知识时伴随而来的。这一转变所指向的科学实践，需要我们认识到在建构科学知识时论证所起的作用，因为在设计调查活动、发展模型和构建解释时所做的周到而深入的工作，需要对各种方案进行仔细地比较、评估，并达成一致。在本文中，我们首先分别定义了论证（argumentation）和解释（explanation），然后再通过课堂案例探讨它们之间的关系。
构建解释
课堂上对于“你能解释一下吗？”这个问题会得到各种不同的回答。通过澄清某一想法（提供定义），确定一种因果机制（解释为什么有些事情发生了），或者证明一种观点（解释为什么会相信这种观点），教室里的学习共同体能够进行“解释”（Braaten和windschitl，2011）。《框架》中“解释”被定义为“将科学理论与科学观察结果或现象相联系的描述”
（第3章），它强调科学中（课堂上或专业的）
“解释”的一种核心形式是因果关系的解释，能够识别潜在的因果关系链。对这类解释的评价可以基于它是否能够前后一致地说明——或解释一学生收集到的所有数据（第3章）。
“解释”这种科学实践超越了对指定过程的定义或描述，而是把一系列对需要解释的现象的推理联系起来。因此，与其简单要求学生解释细胞呼吸作用，我们不如让他们解释为什么人体呼出气体中的含氧量比吸入气体中的低。对这个的解释不仅应该描述呼吸作用，而且还要产生一个符合证据的因果链，那些证据引向为什么需要氧气的论断。这样的一个因果链可以详细说明葡萄糖进入体内的位置，以及什么物质可以进出细胞，并得出结论：在细胞内一定发生同时需要葡萄糖和氧气的化学反应，从而把能量转换成一种可使用的形式（第9章）。
为明确“解释”的目标，《框架》强调了“评估各种观点以得到最好的解释”这个过程，包括学生应该能够做到：
·使用原始的或二手的科学证据和模型，支持或反驳对一种现象的解释性说明。
·找出各种解释性说明间的差异或弱点（他们自己的或是别人的解释）。
因此，形成解释性说明不仅仅包括构建，还包括比较和批判。尝试构建新的解释通常需要论证元素，以支持和质疑可能的解释。事实上，为“解释”搭建脚手架的有效课堂教学支持反映了这些论证元素，例如促进学生用证据和推理来支持他们的主张（McNeill和Krajcik，2012；Sutherland等，2006）。我们接下来将具体解析这个方面的科学实践。
基于证据进行论证
基于证据进行论证的实践强调了这样一种认知，即科学知识是通过一种推理过程而建立的，“这种推理过程需要科学家提出一种关于世界的合理化说法。作为回应，其他科学家尝试去找出这种说法的缺陷和局限”（NRC，2011）。当一种说法，可能是一种提出的解释，受到怀疑或有争议时，这种科学论证的过程就出现了（Osborne和Patterson，2011），因此就会激发参与者为他们自己的观点辩护，同时质疑或挑战其他的说法（Berland和Reiser，2009）。《框架》的第3章（NRC，2011）梳理分析了涉及支持和质疑知识论断的几个目标：
·构建科学论证，显示数据是如何支持论断的。
·在科学论证中找出可能的弱点，适合学生的知识水平，利用推理和证据进行讨论。
·识别他们自己论证中的缺陷，根据批评意见进行修改和完善。
科学知识的建立结合了这些实践，构造对自然现象的备选解释，并对这些论断进行论证。由于科学家们对于相同的观察结果考虑了不同的可供选择的解释，他们讨论确认不同解释的缺陷并逐渐形成一致的描述（可能是从多个来源中抽取元素），得到最符合证据的解样。这种相互依偎是实践如何相互关联的一个例子：作为对问题的回答，通过对调查数据进行分析得出解释，并经过论证得到优化。
这些实践由什么构成？
在《框架》中使用“‘实践’取代诸如‘技能（skills）’这样的术语，是为了强调参与科学探究需要同时协调好知识与技能”（NRC 2011，第3章）。Bybee（2011）强调这种把探究拓展到实践的观点是为了学习有关“实验、数据和证据、社交对话、模型和工具”等方面的知识和技能，以及为了使用这些参与到“评价知识论断、进行实证调查研究和形成解释”的活动中。这些“实践”包括在科学领域从事构建知识的工作，以及理解当我们从事这些工作时为什么要构建、测试、评价和完善知识。这涉及到让学生参与并反思实践，以形成对科学共同体是如何构建知识的认识。这在详细阐述了学生应该能够解释他们如何和为什么参与论证的附加目标中得以明确：
·认识到科学论证的主要特征是论断、数据和原因，以及在实例中辨别这些要素。 ·解释一个特定科学概念的发展过程中所存在的争论的性质，描述概念发展初期的辩论，并指出为什么某一特定理论能在争论过程中胜出。
·说明当今科学界是如何对知识的论断进行判断的，并能清晰指出同行评议的优点与局限性，以及关键调查研究需要独立重复进行的必要性。
要形成对科学知识构建的这些理解需要接受这些与实践有关的目标。如果我们希望学生了解科学界是通过构建解释和论证而形成知识的话，那么他们必须亲自应用这些实践去处理他们发现的问题。另外，学生的参与必须是有意义的，这样学生可以通过争论去解决他们解释中不一致的部分，而不是因为他们的老师要求他们这样做（Berland和Reiser，2009）。
我们通过4个课堂教学实例具体说明“有意义地参与到解释和论证中”这一观点。
案例1——对预测的论证加强解释
在第1个案例中（Hammer和van Zee，2006），我们看到学生被鼓励去捍卫他们的预测，建构关于为什么不同形状的物体以不同速率落向地面（核心概念PS2.A和PS2.B）的因果解释。在调查活动的第一天，一年级学生和他们的教师努力去解释当他们从高处丢下一张纸和一本书时发生了什么。他们得出结论：书首先落地是因为它有“更多的力量（strength）”（学生们对于重量的描述）。这次讨论同时引出了与重力和空气阻力相关的概念。第二天，全班同学预测如果在高处丢下一本书和一张揉皱的纸后会发生什么。Brianna预测道：“它们将会同时落地，因为它们都有相同的力量。”这种想法与其他学生关于揉皱的纸比最初的纸“更重”的意见一致。当教师提出重量如何改变的问题时，Rachel补充了Brianna的观点，“这张纸……原来，嗯，确实很轻，但现在它可能已经与这本书有一样火的力量，因为整张纸，嗯，都被揉得团在一起了。”
停顿了一会儿，Brianna说道：“如果把它捏成球形，它也不会重，纸的大小是相同的。”Brianna对自己的解释进行了质疑，这促使全班同学重新考虑他们对纸被揉皱后重量增加的假设。很多学生说他们同意揉皱后的纸将不会改变它的重量。Diamond接着说：
“第一次，纸像这样（平的），然后它被揉成了一个球。”换句话说，纸张改变了形状。Diamond补充说被揉皱的纸张没有像展平的纸那样飘落到地面。正如Brianna所说的那样：“它只是下落，就像那本书一样。”虽然在讨论中还有梳理分析形状和重量等重要的事情要做，但这个案例已展示了如何通过解释事件发生的原因启发学生调查和质疑他们对于纸张和纸张形状与它掉落地面快慢关系的初始假设。
案例2——协调相互矛盾的解释
在第2个案例中，学生们就像案例1一样形成解释来捍卫他们的预测，但同时还将协调他们之间的分歧，帮助他们形成更加科学、准确的理解。在这个案例中，一个由5年级和6年级学生组成的混合班级研究地球构造板块是如何移动和相互作用的（核心概念ESS2.B，6—8）。在这个研究之前，学生讨论地幔对流运动，并构建特定板块边界的模型：三分之一的学生模拟会聚边界，三分之一学生关注于离散边界，另外三分之一学生研究转换边界。在第3天，学生们根据这3种构造板块边界类型形成小组，探索一个出现的问题：随着所有板块的运用，地球是保持着相同的大小，还是变大或者变小了？
在一个有4个学生的小组中，两个学生认为地球会保持相同大小，另外2位则认为它会变大。Pint争辩说恐龙化石“证明”了地球不断变大，因为它们是地层不断变厚的证据。
Pint：你得不断地挖（才能找到恐龙骨骼化石）。这样就意味着地球已经在逐渐变大，因为你必须挖掘得很深才能找到骨骼化石……（1）
Olive：是的，我们看了电影《侏罗纪公园》，我想是这样的。
（2）
额外插入的关于恐龙化石的讨论和教师的中断干预
Fern：我理解你是怎么看待恐龙骨骼化石的。但那些覆盖恐龙骨骼化石的是会聚地壳层。不过，不是所有的会聚地壳层都会形成山峦。一些板块就是相遇[做手势，地壳板块相遇且保持平坦]。因此恐龙骨骼化石在一个板块中，然后板块移动，与另一板块相遇会聚并重叠。
（18）
插入会聚边界是否总能形成山峦的讨论
Fern：因此，比如说一些泥土移动到这里，但还有些并没有移动到那儿。那里可能还留有一些泥土。所以它仍然是平衡的，因为移动到这里的泥土来自那里。所以这个世界是相同的，它并没有增长，因为岩浆可以流进来，但它们也会分流出去或者崩溃。
（24）
学生们选择了自己的代用名
这段对话展示出当学生们有目的地参与实践时，论证和解释之间的关系。这种情况发生在学生们积极地聆听并回应他人发言的时候。例如，在第2行Olive把她自己的经历和Pint的观点结合起来。Fern，在第18行，同样地提到了她的队友关于他们所形成的解释的想法：“我理解你是怎么看待恐龙骨骼化石的……”（第18行）。然后Fern形象化地用语言对Pint的理解进行重新表述——恐龙骨骼化石证明地壳板块是层叠的——把谈话引入她自己的理解上（更加科学和准确），地球“仍然是相同的”（相同大小）。Fern陈述到：“比如说一些泥土移动到这儿，但还有些泥土没有移动到那里……所以它仍是平衡的，因为移动到这里的泥土来自那里。”（第24行）。
学生谈话的自发性——他们不是看着一张工作单或是明显地在考虑老师的期望——表明这些互动是有意义的。学生们积极参与到解决问题的过程中——在建构一种关于板块运动是否以及如何影响地球的形状和大小的解释。不那么有意义的活动是容易想象的——给学生提供一张要求寻找证据的工作单：“这就是说我们需要寻找证据支持我们的观点。”或者，学生可以独自努力回答问题，而没有多少交流，或者要求老师告诉他们问题的答案。然而在这里，学生正参与到看起来有目的的知识建构的互动中。
这种互动同时提供了解释和论证这两种实践的证据。学生努力去建构一种地壳板块运动如何影响地球大小和形状的解释。例如，在第24行，Fern提供了一种关于地壳板块如何能在不改变地球整体大小的情况下运动的解释。学生们一起推断这是如何发生的，并对Pint关于恐龙骨骼化石“被埋”的观察结果进行了解释。当他们参与到《框架》的前两个论证性目标的初期形式时——证明他们自己的想法（第1和第24行）和挑战不同的观点（如Fern挑战Pint的观点），讨论的辩论性质就显而易见了。 案例3——从多种解释中建立共识
在第3个案例中，5年级学生利用他们的想法去辩护、理解和达成共识。学生研究凝结（Kenyon，Schwarz和Hug，2008）并利用关于状态变化的图解模型去描绘水是如何出现在一个冷的易拉罐上的。这个单元的教学目标是建立粒子模型的最初形式（核心概念PS1.A 3—5），其中气体状态下水以粒子形式存在，这能够解释凝结过程中水从哪里来和蒸发过程中又到哪里去。在这个讨论的前一天，学生们分组评价彼此的模型。这里他们已经基于小组各成员的模型达成共识，形成了一个小组一致的凝结现象模型（在这堂课中，教师扩展了PS1.A 3—5的学习目标，同时引入了动能的概念，核心概念PS3.A 6—8，作为解释的一部分）。
Amy：大家等等！我们为什么认为会出现凝结现象？谁能说说吗？（1）
Amy：是的，但是为什么你认为它会在那儿？因为空气中有水吗？
（2）
Jenny：因为，是因为温度……（3）
Amy：寒冷（coldness）正在带走空气中的动能……（4）
Ivan：寒冷不是一个实物词！
（5）
Amy：好吧，所有人都同意动能被从空气中带走，并使它凝结成了一种液体吗？
Ivan：当然！
Amy：我们记下：当气体失去动能（KE），它将变成液体；当液体失去动能，它将变成固体。或者我们可以这样记录：气体减去动能等于液体。液体减去动能等于……（8）
Ivan：那么我们接下来要干什么？
（9）
Amy：解释！（10）
Mary：凝结总是发生在比空气冷的表面。
（11）
Jenny：好的！
（12）
Ivan：当水蒸气失去动能（KE）并变成液体时，凝结发生。
（13）
Amy/Jenny：这正是我们所说的！
（14）
Ivan：我知道！
（15）
Matthew：我们不能说凝结总是在发生！
（16）
Lori：……总是发生在冷的表面！
（17）
Matthew：如果你在一个没有任何湿气的地方，将会发生什么？
（18）
Jenny：史密斯先生说过把温暖的罐子放在一个加湿器前，什么也不会发生。
（19）
Matthew：好的。
（20）
这场试图填补空缺的谈话，涉及了一些重要的阐明完整解释的重述技能。“空气中的水分”“温度”和稍后的“动能”的出现是这个机制中的重要步骤。3次对于他们已经想出的内容进行明确阐述的尝试（第8、11、13行）导致了Ivan的总结，提到了水蒸气失去动能，和变成液体。Matthew提出最后一个关注向题（第16、18行），澄清凝结发生的条件。作为回应，Lori（第17行，表面必须比空气冷）和Jenny（第19行，空气中必须有足够的水分）添加了重要的附加条件。因此，Matthew提出的问题也通过修正Ivan提出的解释而产生一个新的综合体而得到解决，这些都反映在小组表述清晰的模型中（见图1）。
案例4——评论导致清晰的解释
最后一个案例展示了评论是如何促使学生完善和澄清他们的解释的。在这个案例中，一组8年级学生进行了一项种群变化的调查（核心概念 LS4.B）。学生们分享他们对加拉帕戈斯地雀种群数量随时间而变化的原因的分析。学生们发现在某一次干旱期，大多数鸟类死亡，他们试图解释为什么一些鸟死亡而其他鸟却能幸存的原因。
（Tabak和Reiser 2008）
N先生：因此，我已经知道Ina思考的方向了。有谁能换一种说法？你们说的“种群适应”是什么意思？Ina，现在轮到你了，你可以请别人发言，当然你也可以继续阐述你的观点（1）
[Ina请Joe发言]（2）
Joe：嗯，就像是喙的长度这样。为什么那么多鸟类有着更大的喙，是因为，拥有更大的喙的鸟生存了下来，它们交配，有了自己的后代，这些后代有着一样的特征——更大的喙。这就是为什么它们大多数的后代和成鸟有着更大的喙而不是中等或者小的喙，因为这个特征帮助它们在干旱时期生存了下来。[Joe请Jeff发言]（3）
Jeff：种群适应的原因是为了生存。如果它们不适应，那么将会死亡，它们的种群也将会消失，所以……是吧？Kelly！
（4）
Kelly：嗯，我想正是因为短喙的鸟类的死亡，有着长喙的鸟类才能够繁殖后代，它们的后代也拥有较长的喙，因此它们生存下来，这个特征才得以长久地延续。Ina，你认为呢？
（5）
Ina：嗯，我不这么认为。因为我们的这张图显示从1975年的湿季到1978年的旱季，过渡得非常迅速。期间不只是那些短喙的鸟死亡。在1978年，即使是最长喙的鸟也与种群中中等长度喙的鸟类数量基本持平，是这样的吧？N先生！
（6）
N先生？那么你是说并不总是短喙的鸟全都会死亡了？
（7）
Ina：是的。
（8）
N先生：好吧。这对飞蛾也适用吗？是不是白桦尺蛾全都死了吗？[学生在之前已经解释过为什么一些变种的白桦尺蛾生存下来渡过了19世纪后期的污染。]
大多数学生：不。（9）
N先生：只是，即使是飞蛾，它就像是几率发生了一些变化，对吗？
（10）
大多数学生：是的。
（11）
教师：好的，我想我明白了你们正在争论的内容了。
（12）
这一段情节分享了之前片段的一些重要方面。与案例2一样，有提出的解释性描述和产生的评论。一个解决方案被提了出来（在这个案例中，由教师引入了一个先前解释的特性）。这使得进行评论时，保证了所提出解释的核心内容（提出，一种性状的优势更像是“几率变化”，而不是“每一个”缺失这种性状的鸟类或飞蛾总是会死亡）。尽管这个先前解释的引用并没使得学生们清晰表达出能解决这一评论的共识，但全班都同意教9币所提出的关于Ina所关注的情况（第6行）的改变方案，同时也设法保留了Joe（第3行）和Kelly（第5行）所提出的因果链的核心部分。在这个简短的实录中，学生们形成了一个反映自然选择中一些最为重要的步骤的逻辑链：一种先前存在的性状变异（喙的长度）一改变的环境条件（干旱）一生存差异（短喙的鸟类死亡）一性状的遗传（传递了许多）。（描述中缺失的是对为什么长喙的鸟类更容易生存下来的解释）总结
通过这4个案例，我们可以看到学生对他们的解释进行争论的过程，能够加强那些解释，并帮助构建出一致同意的解释。我们在案例1和3中看到了这个现象，其中支持、辩护和共识的建立，使得解释更加详尽和精确；在案例2和4中，这个论证使得解释能够更好地处理可能的矛盾。通过这种方式，解释在《框架》所列出的几个维度都得到了提高，完善因果关系的描述（填补空缺），以及清晰表达和提高它们与证据的符合度。
另外，在每个案例中，学生参与到有意义的科学实践方式中——他们努力去理解科学现象，而不是去复制书本或者其他权威所传播的知识。这些案例都说明了学生参与到了科学实践当中，而不是科学过程或技能当中。总之，这些案例都说明“论证”这项科学实践在把解释带入K—12年级科学课堂中所起作用的重要性。
这些案例及其相关研究表明课堂环境可能会支持对这种科学实践的积极参与。作为教育工作者，我们必须创设情境，使学生能够展示出“解释”和“论证”这两类实践是他们在建构知识的活动中能够合理使用的方式（Berland和Hammer，2012）。这需要关注想法产生的原因，而不是仅仅关注一个特定概念的准确性（Sutherland等，2006）。需要创造出一种宽松的氛围，使学生在形成更为完整的解释的过程中不怕犯错。还需要向学生提出丰富的、具有多种合理答案的问题，这样学生才能够进行讨论和协调各种答案，最终形成一致的解释。