指向科學思維培養(yǎng)的教學設(shè)計與實踐

［摘要］有的放矢地培養(yǎng)學生的科學思維是當下科學教學的重要研究課題。小學科學教師結(jié)合兒童思維發(fā)展特點，采用以問引學、以探促學、以辯思學、以用遷學的教學策略，能讓學生在真實的問題情境中通過“探究—研討—應(yīng)用”，參與高水平的思維活動，真正達成讓學生主動參與、實踐探究、合作交流、學以致用的教學目標，有效發(fā)展學生的科學思維能力和科學思維品質(zhì)。［關(guān)鍵詞］小學科學;科學思維;教學策略;教學設(shè)計《義務(wù)教育科學課程標準（2022年版）》指出：“科學思維是從科學的視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認識方式，主要包括模型建構(gòu)、推理論證、創(chuàng)新思維等?！笨茖W學習提倡學生進行與科學家研究類似的科學探究，并在此過程中掌握科學知識和方法，形成科學思維能力，樹立科學工作者態(tài)度。如果說科學探究是學生科學學習的外顯形式，那么科學思維則是學生科學探究的內(nèi)核目標。如何有的放矢地培養(yǎng)學生的科學思維是當下科學教學的重要研究課題?！稖囟炔煌奈矬w相互接觸》是教科版科學教材五年級下冊《熱》單元的第3課，旨在引導(dǎo)學生通過測量冷水在熱水中的溫度變化，了解熱的傳遞過程和方向，對熱傳遞形成初步認知。筆者分析教材后認為，本節(jié)課的教學不應(yīng)局限于達成“熱通常從溫度高的物體傳向溫度低的物體”這一淺顯的概念目標，還應(yīng)引導(dǎo)學生探究熱傳遞發(fā)生的條件與傳遞過程所具有的特點?；诖?，筆者采用以問引學、以探促學、以辯思學、以用遷學的教學策略，對本節(jié)課進行了重新設(shè)計與實踐，在科學探究中培養(yǎng)學生模型建構(gòu)、推理論證、創(chuàng)新思維等科學思維能力，并為后續(xù)學習熱傳導(dǎo)、熱對流與熱輻射做好充足的準備。一、以問引學，自主式驅(qū)動思維科學學習通常從一個好的探究問題開始。一個好的科學探究問題一定是真實、有意義且與學生個人生活經(jīng)驗密切相關(guān)的。這樣的探究問題既能讓學生快速進入學習狀態(tài)，激發(fā)學生的學習內(nèi)驅(qū)力，又能喚醒學生原有的生活經(jīng)驗，引發(fā)思維的高度參與。教材將本課的問題聚焦于“熱水是怎樣使牛奶由涼變熱的”。學生在生活中已積累了用熱水加熱冷牛奶的生活經(jīng)驗，都知道通過浸泡會使冷牛奶變熱、熱水變冷。但熱量的不可見性使得該問題過于抽象，學生的探究熱情不高，最后演變成“師說生做，按步開展”的局面。因此，教師要活用教材，將教學目標轉(zhuǎn)化為真實、有意義的探究問題，調(diào)動學生的已有經(jīng)驗，使學生在運用已有知識解決真實問題的過程中發(fā)展科學思維，從而打造指向科學思維培養(yǎng)的研學課堂。在充分考慮教材、學情與教學目標的基礎(chǔ)上，筆者創(chuàng)設(shè)了以下任務(wù)情境：冬天，當我們想喝一杯熱牛奶時，我們通常會把牛奶放到熱水中泡一會兒，但有時候拿得早了牛奶還不夠熱，拿得遲了又牛奶太燙了，我們該什么時候去拿牛奶？為了解決這個問題，學生一方面要明確牛奶加熱到多少攝氏度適合飲用，另一方面要知道多久能加熱到這個溫度。這樣，學生自然而然地就提出了新的探究問題：加熱過程中，熱水和冷牛奶的溫度會怎么變化？同時，思考出解決方法：測量熱水和冷牛奶的溫度變化。新的探究問題正指向熱傳遞發(fā)生的條件與傳遞過程所具有的特點。學生思考如何解決問題并提出新的探究問題之時，也是科學思維自主參與之時。這樣以問引學，能充分激發(fā)學生的探究欲望，促使學生積極主動地進行思考。二、以探促學，螺旋式激發(fā)思維學習本質(zhì)上是一種思維活動。學生只有經(jīng)歷了具有較高思維含量的學習活動，才能有效發(fā)展科學思維能力。本課教學中，為了幫助學生建構(gòu)熱傳遞概念，筆者在初次執(zhí)教時安排了兩個學習活動。活動1：預(yù)測冷水與熱水接觸后二者的溫度變化情況?；顒?：測量并記錄冷水放入熱水中二者的溫度變化情況。筆者在執(zhí)教后發(fā)現(xiàn)，在活動1中，由于沒有精確測量過熱水加熱冷水這一過程中二者的溫度，學生此時的預(yù)測是沒有依據(jù)的盲目猜測，僅停留在“熱水溫度降低，冷水溫度上升”的低階思維層面。活動2是本節(jié)課的主要環(huán)節(jié)，要求學生每隔2分鐘（共12分鐘）測量并記錄冷水和熱水的溫度變化情況（加上時間損耗，大概需要15分鐘）。該活動實質(zhì)上是一個觀察實驗活動，學生以4人為一組完成實驗探究單。他們要做的只是等待2分鐘，記錄溫度計示數(shù)，再等待2分鐘，再記錄示數(shù)……無須主動思考，也無須科學思維的參與。在這寶貴的15分鐘內(nèi)，學生獲得的只是操作與技能層面上的熟練，科學思維并未得到發(fā)展?；诖?，筆者對上述探究活動進行了整合重構(gòu)。1.“預(yù)測+實測”：動態(tài)修正，拓寬思維在明確探究問題后，學生小組討論，確定哪些證據(jù)是解決問題需要的，以及收集證據(jù)的方法。教師要為學生提供80℃的熱水、20℃的冷水，以及溫度計支架，后者能解放學生雙手，減少手持溫度計導(dǎo)致的測量誤差，保證數(shù)據(jù)的準確性。任務(wù)1：實驗探究，預(yù)測、實測，并記錄熱水和冷水的溫度變化，畫出溫度變化折線圖。筆者將預(yù)測和實測進行整合，改進記錄單（見表1），增設(shè)預(yù)測溫度變化一欄，以提高探究活動中學生思維的參與性。小組4人每人一張記錄單，在記錄初始溫度后預(yù)測2分鐘后的溫度，再實測并記錄2分鐘時的溫度；緊接著預(yù)測4分鐘后的溫度，再實測并記錄4分鐘時的溫度……學生一邊預(yù)測一邊實測，人人參與思維活動，充分暴露對熱傳遞過程中溫度變化的前概念，并比較預(yù)測溫度與實際測量溫度，從而在思維加工的過程中動態(tài)修正原有認知，產(chǎn)生對獲得的實驗數(shù)據(jù)與科學事實的深度思考與探究欲望，發(fā)展科學思維。2.“數(shù)據(jù)+建模”：抽象概括，深化思維科學的實質(zhì)是在觀察證據(jù)基礎(chǔ)上的有效描述。在探究過程中，學生要對觀察到的結(jié)果進行描述、分類和解釋，使探究結(jié)果更科學、具體。模型建構(gòu)是對客觀事物進行抽象和概括，以及運用模型分析、解釋現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、關(guān)系及其變化的過程。它是培養(yǎng)學生科學思維的重要方式，也是縮短證據(jù)與解釋之間差距的過程。為了更好地引導(dǎo)學生建立證據(jù)與解釋之間的聯(lián)系，幫助學生建構(gòu)熱傳遞概念，筆者在任務(wù)1的基礎(chǔ)上設(shè)計了任務(wù)2。任務(wù)2：根據(jù)實驗發(fā)現(xiàn)，利用箭頭畫出熱水與冷水熱傳遞的情況。該任務(wù)支架能很好地引導(dǎo)學生建立證據(jù)與解釋之間的聯(lián)系，輔助學生提煉概念、深入思考。學生需要充分運用分析與綜合、抽象與概括、歸納與演繹等思維方法，將小組獲得的數(shù)據(jù)和科學事實，運用圖示的形式建構(gòu)模型來解釋。圖示的直觀性與思維的結(jié)構(gòu)性、概括性相結(jié)合，能讓探究過程中隱性的思考方法、思維路徑顯現(xiàn)出來，變得可見、可感、可測，從而發(fā)展學生的模型建構(gòu)能力，深化學生的科學思維。三、以辯思學，進階式提升思維高質(zhì)量的研討交流是促使學生思維快速、深入發(fā)展的有效方式。但在日常教學中，教師往往只抽取個別小組的數(shù)據(jù)進行展示，而其他小組也很少提出質(zhì)疑，課堂缺乏廣泛的研討；在匯報時，直接引導(dǎo)學生從數(shù)據(jù)中得出結(jié)論，導(dǎo)致學生的辯證思維缺位；當學生回答不到關(guān)鍵點上時，教師往往采用“挖洞填空”的方式，硬生生地讓學生說出教學設(shè)計所需要的回答，忽視了學生邏輯思維的參與，抹殺了學生思維的批判性。因此，教師要轉(zhuǎn)變教學觀念，改進研討策略，以合理解決探究問題為根本目標，引導(dǎo)學生在探究中積累證據(jù)素材，使其在研討交流中有話可說；要鼓勵學生在真實的問題中，運用觀察得到的證據(jù)形成抽象的概念，運用獲得的知識和觀察到的結(jié)果進行推理解釋。本課的研討主題即結(jié)合小組數(shù)據(jù)，分析熱傳遞發(fā)生的條件及傳遞過程中所具有的特點。1.“說”出理由：逆向研討，引領(lǐng)辯證思維課堂推進至此，學生已經(jīng)積累了許多證據(jù)素材，為深入研討提供了保障。探究結(jié)束后，各小組評選出一張最佳記錄單，教師利用多媒體展示記錄單，開展逆向研討。與先拿出證據(jù)再得出結(jié)論的常規(guī)研討不同，逆向研討是先由學生說說小組的發(fā)現(xiàn)，并提出論證觀點“熱水將熱量傳遞給冷水，熱水溫度下降，冷水溫度上升”，再在全班觀點初步統(tǒng)一的情況下提取證據(jù)，并進行論證。證據(jù)即實驗得到的數(shù)據(jù)與圖表。學生圍繞“一開始是怎么預(yù)測的？為什么這么預(yù)測？實際測量后又有什么新發(fā)現(xiàn)？”展開交流。由展示的數(shù)據(jù)可見，學生起初預(yù)測溫度會出現(xiàn)均勻變化、先慢后快或先快后慢等情況，在實際測量后發(fā)現(xiàn)溫度變化是先快后慢。學生不斷修正接下去的預(yù)測，在修正中發(fā)現(xiàn)溫度的變化規(guī)律，并思考熱傳遞的特點。逆向研討利用數(shù)據(jù)證實或證偽學生提出的論證主張，引導(dǎo)學生分析解釋熱傳遞發(fā)生的條件與過程中具有的特點，有助于發(fā)展學生的辯證思維。通過對比分析，學生更容易聚焦“熱量傳遞引起溫度變化”的觀點，認識到溫度不同的物體由于含有的熱量不同，在接觸時熱量會出現(xiàn)從高到低傳遞的趨勢，最終二者達到溫度（熱量）的平衡，并以此為依據(jù)修改建模圖示。此時，學生對熱傳遞概念的認知是深刻的。通過以上任務(wù)，學生實現(xiàn)了從熱量到溫度再到熱傳遞的概念進階。2.“放”開空間：問題思辨，激發(fā)批判性思維“放”開空間，指教師作為引領(lǐng)者，要將思辨的主導(dǎo)權(quán)交給學生，讓學生在問題情境下展開思維碰撞，接受他人的質(zhì)疑，并表達自己的觀點，最終達成共識。本節(jié)課要解決的問題是牛奶要加熱多久才適合飲用（達到40℃）。通過折線圖，學生很容易找到牛奶從初始溫度上升到40℃的時間點。此時，教師提問：“除了這個時間，還有其他時間能滿足要求嗎？”學生集中注意力，很快發(fā)現(xiàn)再過一段時間，熱水和冷水的溫度都會在某一時刻下降到40℃。教師繼續(xù)追問：“這兩個時間點都能滿足要求，你們覺得哪一個時間去取牛奶更好？為什么？”學生圍繞這個問題展開思考和討論，激發(fā)了批判性思維。有些知識儲備豐富的學生想到，加熱過程中，牛奶中蘊含的蛋白質(zhì)會因溫度過高而變性，飲用后可能對人體造成不良影響。教師可以相機出示相關(guān)資料，讓學生了解到蛋白質(zhì)在60℃的環(huán)境中會開始變性且不可逆，從而引導(dǎo)學生對取牛奶的時間點做出最佳選擇。四、以用遷學，漸進式發(fā)散思維以用遷學，即學以致用，是促進學生認知與思維再發(fā)展的重要策略。教師要引導(dǎo)學生在新的問題情境中遷移應(yīng)用結(jié)論，從不同的角度思考、分析問題，解釋新的現(xiàn)象或提出解決問題的新辦法，發(fā)展學生的創(chuàng)新思維。在本課教學的最后一個環(huán)節(jié)，筆者讓各小組圍繞“夏天，當我們想喝一杯冰涼的飲料時，我們可以怎么做呢？”這一問題展開討論。一方面，該問題的研討既是對本課核心概念的遷移應(yīng)用，又是對學生能否運用熱傳遞知識來解釋制冷過程的考查。通過上面的探究，學生已經(jīng)充分認識到熱傳遞發(fā)生的條件與傳遞過程中所具有的特點，自然能反向推導(dǎo)出制冷的原理：熱飲料將熱量傳遞給冰塊，使飲料溫度降低，冰塊溫度上升。另一方面，這個問題讓學生認識到：常溫水不僅可以成為受熱對象，也可以成為熱源去傳熱，只要與它接觸的物