在探究中發(fā)展學生的科學思維能力

□張寧素

《義務教育小學科學課程標準（2017年版》指出，親身經(jīng)歷以探究為主的學習活動是學生學習科學的主要途徑。它不僅要求學生掌握良好的科學技能，更要求培養(yǎng)學生嚴謹踏實的科學思維能力?？茖W思維，顧名思義就是運用科學的方法進行思維，是科學方法在個體思維過程中的具體體現(xiàn)，它包括比較力、推理力、論證力、綜合力、抽象力等多個方面的思維能力。科學探究就是用科學的思維方式獲取知識的過程。因此，科學教育就必須聚焦學生的科學思維發(fā)展，通過實施“有結構的材料”“豐富的證據(jù)”和“論辯式交流”等策略，培養(yǎng)學生的比較力、推理力、論證力，真正體現(xiàn)科學探究的本質。

一、運用有結構的材料發(fā)展思維的比較力

比較，是指學生根據(jù)一定標準，對兩種或兩種以上有某種聯(lián)系的事物進行辨別，以區(qū)分差異和高下的思維過程。材料有助于學生觀察周圍世界，發(fā)現(xiàn)各種事物間互相關聯(lián)的概念。通向建構概念的路往往始于學生的經(jīng)歷，而有結構的材料則能引出這種經(jīng)歷。實踐證明，有結構的材料有助于探究活動的有效開展，并能在探究中引發(fā)學生思考，在建構概念的過程中發(fā)展學生思維的比較力。

以六年級下冊《放大鏡》一課為例，教師給每組先后提供了兩套有結構的材料。教師先提供了圖1的材料（1號是普通玻璃片，2號是塑料片，3號和4號是大小一樣、凸度不同的凸透鏡片，5號與3號是大小不同、凸度相同的凸透鏡片，6號是凹透鏡片，7號是球體），引導學生以“猜測—觀察—比較”的方式進行自主探究，歸納出能放大物體像的鏡片特點。接著，學生觀察比較了能放大物體像的鏡片，發(fā)現(xiàn)這些鏡片的放大倍數(shù)與凸起程度有關。最后，教師提供了圖2所示的兩個燒瓶（空燒瓶和裝滿水的燒瓶），學生通過比較進行自主探究，進而歸納得出“具有放大功能的物體必須是實心的”這一結論。

圖1

圖2

《放大鏡》的教學重點是了解放大鏡鏡片“凸”“透”“實心”的特點。教師通過課前測試發(fā)現(xiàn)，學生雖然對放大鏡不陌生，有一些基本的了解，但對放大鏡鏡片“怎樣放大”這一關鍵問題,認識比較模糊，很難清晰地提出一個封閉性的問題。

有結構的材料是指各個材料之間、材料與教學內容、教學目標之間具有緊密聯(lián)系的材料。案例中，教師借助兩套有結構的材料，精心設計了提供材料的先后次序，使學生經(jīng)歷了三次科學、全面又深入的觀察和比較。圖1中七種材料的特性與學生的錯誤概念直接關聯(lián)，是教師有意識選取和組合的，旨在引導學生先進行猜測。為了證明自己的猜想，學生借助有結構的材料開展了有目的的細致的比較，很容易地歸納出能放大物體像的鏡片具有“凸”和“透”的相同特點，指向本課的核心概念。學生對放大物體像的鏡片再次進行觀察比較后，又發(fā)現(xiàn)鏡片凸起程度越大，放大倍數(shù)也越大的特征。在此基礎上，教師提供了圖2材料，學生第三次進行觀察比較，從而發(fā)現(xiàn)空燒瓶并不能放大物體像，而裝滿水的燒瓶能放大物體像，且因瓶身近似于球體，所以放大的倍數(shù)特別大，由此歸納出“實心”的特點。利用有結構的材料形象、直觀、具體、真實的特點進行科學探究，可以幫助學生較為容易地建構概念，理解和突破難點，使思維的比較力得到發(fā)展。

二、運用豐富的證據(jù)發(fā)展思維的推理力

科學探究以證據(jù)為基礎，運用各種信息分析和邏輯推理得出結論。推理，是人們在已有知識所形成的判斷的基礎上，從一個或幾個已知的判斷推出一個新的判斷的思維過程。小學科學中的推理是一種基于事實的講求證據(jù)的推理。其要素為假設、實驗、證據(jù)，其中證據(jù)是科學推理的基礎。學生通過一系列的科學探究活動尋找證據(jù)，運用豐富的證據(jù)解釋自己的觀點。這一過程也是推理力發(fā)展的過程。

如六年級下冊《小蘇打與白醋的變化》一課中，學生把小蘇打倒進裝有白醋的集氣瓶里，發(fā)現(xiàn)冒氣泡了。他們根據(jù)生活經(jīng)驗，認為“氣泡”就是二氧化碳氣體，但如何用證據(jù)證明呢？學生已知“二氧化碳能滅火”的特點，教師又補充“二氧化碳比空氣重”的特點。如果學生能收集相關證據(jù)證明產(chǎn)生的氣體滿足這兩個特點，就能得出“氣泡”是二氧化碳的結論。而這一探究活動分為四個步驟，極好地發(fā)展了學生的推理力。

（1）實驗一：證明新氣體是否支持燃燒。學生實驗前先提出假設：如果火柴繼續(xù)燃燒，說明新氣體不是二氧化碳；如火柴熄滅了，則有可能是二氧化碳。接著，學生把燃燒的火柴伸入集氣瓶觀察火焰的變化，并思考：觀察到了什么？能證明什么？當學生觀察到新氣體不支持燃燒的現(xiàn)象與“二氧化碳能滅火”的特點一致，就能將自己的假設與之聯(lián)系起來。

（2）實驗二：證明新氣體是否比空氣重。學生先將集氣瓶中的氣體倒在蠟燭的火焰上，觀察蠟燭是否會熄滅。教師再次引導學生思考：如果火焰熄滅了，說明什么？如果火焰沒有熄滅，又說明什么？實驗前的推理有助于明確觀察的指向。當實驗結束后，學生就能將觀察到的事實轉化為證據(jù)，推理得出新氣體比空氣重。

（3）分析判斷：通過兩次實驗推理活動，學生不再輕易認為新氣體就是二氧化碳，因為像這樣的氣體還有很多。最后教師補充：科學家收集到了大量的證據(jù)，才得以證明這種氣體是二氧化碳。

（4）判斷氣體：教師引導學生思考：“留在集氣瓶中的液體是什么呢？你有什么辦法可以證明嗎？”對這一問題，學生要運用已經(jīng)收集到的大量證據(jù)來進行推理驗證，在豐富的事實和證據(jù)基礎上，進一步發(fā)展思維的推理力。

從以上案例可看出，學生通過各種方式收集事實，并通過推理將事實轉為證據(jù)以驗證自己的觀點，推理力得到了較好的發(fā)展。

三、開展論辯式的交流發(fā)展思維的論證力

科學論證是重要的科學活動，其內涵是利用證據(jù)建立科學的理由以支持科學主張。在課堂上，學生公布了自己的解釋，別的學生就有機會針對解釋提出質疑、審查證據(jù)、挑出邏輯錯誤、指出解釋中有悖于事實證據(jù)的地方，或者就相同的觀察提出不同的解釋。學生間相互爭辯，無疑是思維碰撞最激烈的過程，能夠引發(fā)新的問題，有助于學生將實驗證據(jù)、已有知識、新的解釋緊密地聯(lián)系起來。同時，學生之間的評價、爭論讓學生明白了別人也可以有不同的解釋，有助于他們擺脫自我為中心的思維傾向；學生之間的互相質疑，可促使他們從觀點的對立及相互指出的邏輯矛盾中，更好地引發(fā)自我反思，深化認識；學生之間的交流、爭議、意見綜合，有助于激起他們的靈感，促進新假設的建構和更深層的理解，在論辯式的交流中促進思維論證力的發(fā)展。

例如，在四年級上冊《水能溶解一些物質》一課中，學生親歷三個富有層次的觀察活動：觀察、比較、描述沙和食鹽入水前后的特點（圖3），觀察描述面粉在水中的特點（圖4），過濾三杯混合物（圖5）。

圖3

圖4

圖5

觀察是描述的基礎，觀察越仔細，描述越準確，結論就越接近科學。案例中，教師有意引導學生觀察比較食鹽和沙子入水前后的特點，通過這兩種物質的顆粒大小的變化，圍繞“根據(jù)什么現(xiàn)象來認為食鹽是溶解了或沙子沒有溶解”的問題來描述食鹽、沙子在水中的現(xiàn)象，展開熱烈的交流，初步建立“溶解”的概念，為后面的論辯交流做好鋪墊。

面粉在水中的狀態(tài)不像食鹽或沙子那樣，可以直接從物質的顆粒大小判斷出是否溶解。以此作為結構材料，容易引起學生的思維沖突，產(chǎn)生尋找證據(jù)來證明的想法，自然地將科學探究引入下一環(huán)節(jié)中。通過食鹽、沙子的實驗，學生已經(jīng)能初步根據(jù)物質在水中的狀態(tài)變化判斷物質是否溶解，他們就把面粉在水中的狀態(tài)變化與食鹽、沙子做比較，觀察面粉在水中的變化更接近哪一種。在論辯式交流活動中，學生的思維是相當活躍的，他們仔細觀察比較三種物質在水中的差異現(xiàn)象，并以此為證據(jù)表達自己的觀點和論據(jù)，接受他人的質疑和補充，建構起溶解和不溶解的概念，發(fā)展了學生思維的論證力。

綜上所述，教師在探究活動中，引導學生操作有結構的探究材料，收集豐富的證據(jù)，參與論辯式交流活動，能較好地發(fā)展學生的科學思維能力，提升學生的科學素養(yǎng)。