《Chemistry Education Research and Practice》：A comparative study of the effectiveness of two argumentation scaffolds – reasoning flow scaffold (RFS) and claim–evidence–reasoning (CER) – in developing students' written argumentation skills in chemistryOpen Access
编辑推荐：
本研究比较了两种论证支架——推理流支架（reasoning flow scaffold, RFS）与主张–证据–推理（claim–evidence–reasoning, CER）——在促进高中生化学书面论证能力发展方面的有效性。来自一所高级中学两个班级的95名
本研究比较了两种论证支架——推理流支架（reasoning flow scaffold, RFS）与主张–证据–推理（claim–evidence–reasoning, CER）——在促进高中生化学书面论证能力发展方面的有效性。来自一所高级中学两个班级的95名十年级学生参与了本研究。对两个班级（A班，N = 47；B班，N = 48）的学生实施了前测和后测。A班使用CER完成两项书面科学论证作业，B班则使用RFS完成相同的作业。研究人员以可观察学习结果结构（structure of observed learning outcome, SOLO）分类理论作为分析框架，对前测和后测的作答进行评价。数据分析结果表明，RFS组学生在推理（reasoning）与反驳（rebuttal）方面的表现显著优于CER组，而两组在主张（claim）或证据（evidence）方面无显著差异。本文最后提出了对实践与未来研究的启示和建议。
**研究背景与问题** 科学论证是指基于证据与推理构建和评价主张的过程，在科学教育尤其是化学教育中具有重要意义，但学生开展科学论证仍面临较大困难。科学论证通常包含主张、证据、推理和反驳等核心成分，其中反驳——即通过识别例外或限定条件来限定主张——是特别具有挑战性、体现高阶思维的成分，需要针对性的教学支持。教学支架是应对学生论证障碍的关键策略，主张–证据–推理（CER）是广受青睐的支架，它简化了Toulmin六成分模型，但其格式相对固定，难以适应不同论证主题的特殊性与丰富性，限制了灵活性。推理流支架（RFS）则清晰描绘了各论证成分（包括初始主张与最终主张、证据、理由和反驳）之间的逻辑联系与序列流程，其形式随主题变化，作为可视化工具引导学生关注隐含特征并作出更有意识的决策，被认为是有助于提升论证技能的有效教学干预工具。以往研究表明支架能有效改善学生论证技能且不同支架效果不同，但缺乏对两种具体支架的直接比较，尤其是在综合推理与有效反驳等高阶技能培养方面。为此，本研究旨在比较RFS与CER对高中生书面论证能力发展的有效性，并以SOLO分类理论作为分析框架评价学生作答的结构复杂性与质量，提出两个研究问题：（1）接受RFS教学与接受CER教学的高中化学学生在书面论证整体质量上有何差异？（2）接受RFS教学与接受CER教学的学生在书面论证中推理与反驳的质量上有何差异？
**研究设计与主要结论** 本研究选取中国广州某国家级高级中学两个十年级班共95名学生（A班47人，B班48人），在前测与后测中测量其科学论证水平，每套测试含两道题，内容依据中国高中化学课程标准与教材编制，并经三位专家进行内容效度审查，另以10名背景相似学生开展预研究以评估难度与作答时间。干预前两个月设计测试与教学材料，选定"氯气的性质"与"铁的氧化物和氢氧化物"两个教学主题，分别于第7周和第12周施教；第6周实施前测，第7周A班以CER、B班以RFS完成"氯气的性质"课后论证作业，第12周两班分别以相应支架完成"铁的氧化物和氢氧化物"课后论证作业，每次作业后均进行20分钟课堂反馈（教师呈现参考答案并解答学生疑问），第13周实施后测。研究人员以前测和后测的书面论证（含主张、证据、理由、反驳）为数据，依据SOLO分类理论的五个水平分别编码，将各题得分相加后按总分划定水平（0–2分为L1，3–4分为L2，5–6分为L3，7–8分为L4，9–10分为L5）。结果表明，RFS组在推理与反驳上显著优于CER组，而在主张与证据上两组无显著差异。研究结论认为，RFS作为一种工具，在发展高中生高阶科学论证技能（尤其是推理与反驳）方面比传统CER框架更有效；两种支架在支持主张与证据的基本构建上效果相当，而RFS以问题为导向、分层递进的设计独特地促进了高级论证所需的逻辑联系与迭代思维，B班学生尤其在构建反驳能力上的显著提升，凸显了RFS作为软支架适应推理任务复杂性的价值。其意义在于为教学实践提出"先CER后RFS"的递进顺序建议，并为支架设计提供可借鉴的原则。
**主要关键技术方法** 本研究采用准实验比较设计，选取广州某高级中学两个十年级班共95名学生（A班47人、B班48人）作为样本队列，两班分别以CER与RFS完成相同的两次书面科学论证作业；以前测和后测的书面科学论证测试为测量工具（经专家内容效度审查与预研究修订）；以SOLO分类理论为分析框架对主张、证据、推理、反驳四成分进行五级编码评分，并由前两位作者独立评分以检验评分者一致性（一致性率94%，Cohen's kappa为0.94），分歧经协商达成共识；采用Mann–Whitney U非参数检验比较两班前后测成绩差异。
**研究结果** 4.1 研究问题一：RFS组与CER组整体论证质量的差异。通过统计两班在前测与后测中各论证成分五个SOLO水平的人数频率与百分比（表4）并绘制分组柱状图（图3）进行比较得出：在主张成分上，两班前后测水平分布一致，多数学生处于L3和L4；在证据成分上，前测多数学生处于L2和L3，教学后两班L4和L5人数均增加，表明支架引导学生关注充分信息并有机联系以更好支持其论断；在理由成分上，前测A班与B班比例最高的两个水平均为L3（A：51.1%；B：45.8%）和L2（A：36.2%；B：39.6%），干预后A班最高比例仍为L3（46.8%）和L2（29.8%），而B班转移至L3（52.1%）和L4（27.1%），B班最高推理水平（L5）比例由0%显著增至8.3%，A班仅由2.1%增至4.3%；在反驳成分上，前测两班多数学生处于L1和L2，后测B班（RFS）改善较A班（CER）更明显，A班L1比例由21.3%降至14.9%，B班则由35.4%降至2.1%。进一步采用Mann–Whitney U检验（表5）得出：前测中两班在主张（U = 1086.500，p = 0.750）、证据（U = 1126.500，p = 0.991）、理由（U = 1118.000，p = 0.939）、反驳（U = 1103.000，p = 0.847）上均无显著差异，说明两班起点相当；后测中主张（U = 1116.500，p = 0.929）与证据（U = 1112.000，p = 0.904）无显著差异，而理由（U = 849.500，p = 0.034）与反驳（U = 831.000，p = 0.021）存在显著差异，即B班（RFS）构建的推理与反驳质量高于A班（CER）。4.2 研究问题二：RFS组与CER组推理与反驳质量的差异。通过比较两班前后测理由与反驳成分的SOLO水平（图4）得出：在理由成分上，最显著的变化是低水平L2学生减少（A班：17至14；B班：19至6），最高水平L5学生增加（A班：1至2；B班：0至4）；在反驳成分上，L1学生人数在A班减少（由10至7），在B班减少更为显著（由17至1），反之L5人数在A班增加（由0至1），在B班增加（由2至4）。
**讨论与结论** 讨论部分指出，尽管有观点认为只要给予明确提示，无论支架形式如何学生都能有效纳入核心论证成分，本研究证实了这一点：两班后测在主张与证据上无显著差异，但RFS组在推理与反驳上显著优于CER组，表明两种支架均能有效引导学生识别和呈现论证基本成分，而RFS在需要高阶认知加工的维度上促进作用更突出。关于推理成分，RFS的优势主要源于其证据组织的分层设计：强论证需要充分且相关的证据以及证据与主张间的逻辑联系，构建此类论证本身具有层级化的认知难度；以"铁的氧化物和氢氧化物"任务为例，RFS将证据分为三个递进层次，基础层依据日常化学知识识别氧浓度为影响白色Fe(OH)?沉淀持续时间的因素，第二层通过分析连续实验逐步确定FeSO?浓度为影响因素（需序列因果推理），第三层要求选择性比较不连续实验推断NaOH浓度为影响因素，这一三层设计为学习者铺设了从单变量直觉判断到多变量系统比较的认知上升路径，契合科学推理从非系统到系统、从依赖内容到依赖策略的发展轨迹；其次，RFS信息的模块化与序列化呈现有效降低了无关的外部认知负荷，同时逐步提高内部任务复杂度，使学生能将有限的工作记忆资源集中于因果关系的深层加工；更重要的是，RFS不仅分层呈现证据，还要求学生在每引入一层新证据后不断评价和修正主张，这一"演化解释"过程促使学生通过多次迭代建立更深的概念联系，从而增强推理的连贯性与逻辑深度。关于反驳成分，其优势更直接地与RFS的"迭代修正"机制相关：前测中两班多数学生处于L1或L2的低水平，表明日常学习中反驳意识较弱；干预后两班均有提升，但RFS组L1学生比例由35.4%降至2.1%，降幅显著大于CER组（21.3%→14.9%）。这一差异可由两种支架处理反驳的方式解释：CER虽包含反驳成分，但其反驳仅作为孤立项目存在，缺乏与具体证据和相应主张的明确联系，无法引导学生通过将新引入证据与已有证据联系来修正初始主张，难以引导学生完成从"为何反驳"到"如何修正"的完整认知回路；与之不同，RFS将反驳嵌入整个论证过程，要求学生考虑替代证据、用新证据反驳初始主张，并据此完善和改进主张，最终得出最终主张。结论部分指出，本研究提供了实证证据，表明推理流支架（RFS）作为工具在发展高中生高阶科学论证技能（特别是推理与反驳）方面比传统主张–证据–推理（CER）框架更有效；两种支架在支持主张与证据的基本构建上效果相当，而RFS以问题为导向、分层、循序渐进的设计独特地促进了高级论证所需的逻辑联系与迭代思维；本研究中B班的显著提升，尤其是学生构建反驳能力的提升，凸显了RFS作为软支架在适应推理任务复杂性方面的价值。对教学的启示是：后测中RFS组学生在推理与反驳上显著优于CER组，表明RFS在增强论证深度上具有显著优势，但这并不意味着RFS可以取代CER；CER结构简单，适合尚不熟悉论证基本成分的初学者，而RFS分层组织证据、渐进调节认知负荷并应用基于反驳的修正，从而将初始主张精炼为最终主张并强化论证，因此建议教学实践中采用"先CER后RFS"的递进顺序：第一阶段以CER作为初学者的基础支架，帮助其识别和表达论证的基本成分，其简洁清晰的结构有助于降低认知负荷并初步理解论证；第二阶段当学生理解论证基本成分后，引入RFS引导其构建更复杂的推理链和反驳，RFS并非一次性呈现所有证据，而是分层呈现，让学生逐步填补空白，同时引导学生区分反驳与支持反驳的证据，并区分初始主张与最终主张。这种递进设计避免了支架成分间的冗余，两种支架不同时应用于同一学生作业，而是用RFS精炼学生已有的CER文本，通过分层呈现证据、区分初始与最终论证，引导学生在现有基础上深化论证，而不重复原有论证或证据。CER通过将论证分解为四个不同成分帮助学生将先前模糊的思维外化，这种固定结构对初学者有益，但当学生面对需要考虑替代解释或边界条件的复杂任务时，僵化格式可能导致认知局限，RFS通过保留全部四个成分并引入更细致的区分、呈现不同复杂度的证据、引导学生识别支持其反驳的证据并在整个过程中提示比较初始与最终主张，克服了这一局限。教师设计论证支架时可借鉴RFS所体现的原则——以问题为导向、视觉逻辑清晰、在复杂推理过程中循序渐进地提供针对性支持、依次解决学生的认知困难；RFS的设计包括两步：首先分析任务，分解论证任务中的关键推理步骤和潜在认知困难；其次提出引导性问题以激发学生的推理与反驳，这一基于支架原则的两步设计过程能够开发出针对特定教学主题和学生困难的定制化论证支架。研究局限包括：样本量相对较小、来自单一机构、仅涉及一名教师，限制了发现的普适性；评估仅依赖书面论证任务，可能无法充分捕捉论证作为社会实践的对话性与协作性；干预持续时间相对较短，可能不足以产生学生论证技能的显著提升。未来研究有望采用更大、更多样化的样本、严谨的实验设计、更长的干预周期和更全面的评估工具（包括对话性或表现性测量）来扩展这些发现，并需要纵向研究检验RFS的长期效果及其在不同科学主题和学生群体中的适用性，以进一步巩固其作为化学教育中循证实践的地位。
