小學(xué)科學(xué)探究活動中科學(xué)思維培養(yǎng)的實(shí)踐研究

韓春蓉

（大連市金普新區(qū)教育科學(xué)研究院）

一、科學(xué)思維的概述

（一）科學(xué)思維的內(nèi)涵

科學(xué)思維是指從科學(xué)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(rèn)識方式。在自然科學(xué)中，它以自然界與自然現(xiàn)象作為研究對象，探索其現(xiàn)象背后的本質(zhì)與規(guī)律。人們認(rèn)識規(guī)律的過程是復(fù)雜且曲折的，需要經(jīng)歷對感性認(rèn)識材料進(jìn)行加工處理、合理改造、去粗取精?？梢?，科學(xué)思維是在頭腦中不斷形成的對真理的清晰認(rèn)識，是人類實(shí)踐活動的產(chǎn)物。

（二）科學(xué)思維的要素

1.模型建構(gòu)

模型建構(gòu)是指在真實(shí)情境中，依據(jù)前科學(xué)概念或已經(jīng)積累的科學(xué)知識，根據(jù)研究問題，對客觀事物進(jìn)行抽象概括，建構(gòu)形成便于研究并反映研究對象本質(zhì)屬性的模型。依據(jù)問題特點(diǎn)，模型可分為物理模型、數(shù)學(xué)模型和概念模型。

2.科學(xué)推理

科學(xué)推理是指運(yùn)用各種科學(xué)方法，如分析、綜合、歸納、演繹、比例、概率、控制變量等方法，根據(jù)現(xiàn)有條件從定性和定量兩個方面進(jìn)行推理，從而尋求科學(xué)規(guī)律及理論。它用來解釋自然現(xiàn)象，推理表面現(xiàn)象中普適性或可推導(dǎo)性，以期解決實(shí)際問題并保存于已有經(jīng)驗(yàn)中，為未來解決同類或相似問題做準(zhǔn)備。

3.科學(xué)論證

從實(shí)證角度出發(fā)，科學(xué)論證是在問題情境中篩選解決問題的關(guān)鍵數(shù)據(jù)或資料，整理形成證據(jù)，并運(yùn)用其對研究問題進(jìn)行描述、解釋和預(yù)測，提煉出的觀點(diǎn)。具體體現(xiàn)在有恰當(dāng)?shù)目茖W(xué)證據(jù)的意識、評估科學(xué)證據(jù)的能力以及展現(xiàn)出的質(zhì)疑與批判的高級思維能力。

4.質(zhì)疑創(chuàng)新

質(zhì)疑創(chuàng)新是思維發(fā)展的較高層次，指對所研究事物具有批判性思維的意識，能夠善于基于證據(jù)提出質(zhì)疑、大膽猜測，整合思維能力從不同角度思考問題，產(chǎn)生新奇想法，并付諸實(shí)踐研究，追求科技上的創(chuàng)新。

（三）科學(xué)思維的價值

第一，科學(xué)思維是認(rèn)識客觀世界的方式?？茖W(xué)是人類探究客觀世界的途徑與知識類型總和，通過分析、推理、歸納所得出來的序列化知識系統(tǒng)?？茖W(xué)不是客觀世界在大腦中的鏡像，而是在人類發(fā)展進(jìn)程中，環(huán)境和自身不斷改變過程中進(jìn)化出來的一套應(yīng)對和研究世界的方式，也是大腦對所獲取的信息進(jìn)行能動加工的產(chǎn)物。科學(xué)探究過程是思考活動的過程，科學(xué)的結(jié)論是思考的結(jié)果，科學(xué)是通過科學(xué)思維實(shí)現(xiàn)對客觀世界的描述與解釋的。

第二，科學(xué)思維是科學(xué)知識系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)的邏輯推演工具，無論是縱向的概念發(fā)展，還是橫向的概念之間的聯(lián)系，都是結(jié)構(gòu)化的思維模型。科學(xué)學(xué)習(xí)的目標(biāo)是通過掌握這些思維模型，在相似背景中調(diào)動結(jié)構(gòu)化的科學(xué)思維模型，激活相關(guān)知識經(jīng)驗(yàn)?？梢?，思維是科學(xué)學(xué)習(xí)的必備工具。

第三，科學(xué)思維是科學(xué)創(chuàng)新的手段。培養(yǎng)創(chuàng)新性人才、構(gòu)建新型社會，是國家層面的需求，也是人類不斷進(jìn)步的訴求?？茖W(xué)思維能力是創(chuàng)造能力的智力支撐，知識、技術(shù)與技能是科學(xué)創(chuàng)造的材料基礎(chǔ)，思維能力是核心，基礎(chǔ)材料可以通過模仿與機(jī)械訓(xùn)練獲得，真正核心的體現(xiàn)是具有創(chuàng)新價值的思維能力。

（四）科學(xué)思維的培養(yǎng)

《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》強(qiáng)調(diào)，“以探究實(shí)踐為主要方式開展教學(xué)活動”。學(xué)生通過親身參與探究實(shí)踐活動，實(shí)現(xiàn)科學(xué)探究能力的發(fā)展，核心素養(yǎng)的形成。科學(xué)探究的目標(biāo)就是培養(yǎng)學(xué)生的這種理性思維方式，可以說“科學(xué)思維是科學(xué)教育的核心和靈魂”，缺少科學(xué)思維的探究活動是一種形式上的探究?？茖W(xué)思維包括邏輯思維、辯證思維、批判性思維、發(fā)散性思維以及創(chuàng)新性思維等，也是學(xué)生核心素養(yǎng)的綜合體現(xiàn)?；诳茖W(xué)探究與科學(xué)思維之間密不可分的關(guān)系，科學(xué)課堂探究實(shí)踐活動中就必須把焦點(diǎn)置于發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力當(dāng)中。

很多學(xué)校在此過程中都進(jìn)行了一些探索實(shí)踐。以金州區(qū)治平小學(xué)為例，首先，學(xué)校鼓勵學(xué)生以家庭為單位進(jìn)行STEAM項(xiàng)目實(shí)施，如紙竿托球、神奇的結(jié)構(gòu)、吸管橋承重、發(fā)射器等，引起了學(xué)生和家長的極大興趣，他們的各種奇思妙想層出不窮，各種作品更是琳瑯滿目。其次，學(xué)校新建了STEAM專屬教室，成立STEAM社團(tuán)，組織學(xué)科教師研發(fā)STEAM教材，用于實(shí)際教學(xué)。最后，學(xué)校組織各種相關(guān)活動，如“校長杯”STEAM競賽、STEAM科學(xué)微課堂等，在活動中促進(jìn)了學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)。

很多教育專家也基于教材進(jìn)行了一些課例研究，如在遼寧省科學(xué)學(xué)科骨干教師馬長森的“機(jī)械手”STEAM教學(xué)課例中，神奇的機(jī)械手讓學(xué)生在動手動腦中開拓了思路、開發(fā)了思維。此外，馬老師還編排了一個情景劇《神奇的機(jī)械手》，在精妙的故事情節(jié)中蘊(yùn)含了豐富的科學(xué)道理，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維。

二、科學(xué)探究活動中科學(xué)思維的培養(yǎng)

思維與創(chuàng)新、交流與合作是學(xué)生需要的技能，《中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)報告》中提出的“學(xué)會學(xué)習(xí)”“主動適應(yīng)與創(chuàng)新”等大部分內(nèi)容涉及思維與創(chuàng)新?！皩W(xué)會學(xué)習(xí)”主要是指學(xué)生面對新的情境或者具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)時，所表現(xiàn)出來的在思維、認(rèn)知策略和自我調(diào)控等方面的綜合能力?？茖W(xué)教育研究重視科學(xué)論證與模型思維，其有助于科學(xué)探究能力的發(fā)展，建構(gòu)科學(xué)知識并促進(jìn)科學(xué)概念轉(zhuǎn)變與理解，提升科學(xué)認(rèn)識水平，提升推理能力、批判思維能力和交流能力。在教學(xué)中，科學(xué)探究的各個環(huán)節(jié)都應(yīng)該伴隨著學(xué)生的思維活動，教師在引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究的過程中必須注重科學(xué)思維能力培養(yǎng)。

（一）提出問題

敢于提出問題、善于提出問題，是激發(fā)創(chuàng)造力的有效途徑。問題是思維的發(fā)源地，沒有問題就不會引起思考。在提出問題階段，學(xué)生需要觀察與分析現(xiàn)實(shí)情境，展開聯(lián)想，激活先驗(yàn)知識，在發(fā)散性思維與集中性思維的基礎(chǔ)上，分析、比較問題的可行性與可操作性，進(jìn)一步明確研究問題。

發(fā)現(xiàn)問題、提出問題是學(xué)生科學(xué)思維活動的重要體現(xiàn)。在教學(xué)過程中，教師要精心地創(chuàng)設(shè)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生闡述有邏輯的思想和觀點(diǎn)。

例如，在學(xué)習(xí)蘇教版科學(xué)教材四年級上冊“摩擦力”一課時，教師開課就設(shè)計“抓泥鰍”的活動，對比水中泥鰍不易抓起，但在沙堆里卻很容易抓起，教師問學(xué)生影響抓取效果的原因可能是什么。學(xué)生通過兩次實(shí)驗(yàn)的對比，觀察到非常豐富的信息：泥鰍的形狀、體表特征、對刺激的反應(yīng)、運(yùn)動方式、生活的環(huán)境等，而兩次實(shí)驗(yàn)的不同之處在于一個是在水里，一個是在黃沙中。兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同，可以引導(dǎo)學(xué)生分析推理，初步得出材料的不同影響到了抓取的難度。

（二）猜想與假設(shè)

猜想與假設(shè)是研究者根據(jù)已知材料和科學(xué)知識，對所研究的問題作出一種猜測性陳述，是針對問題中事物的因果性、規(guī)律性初步的假定性解釋，這個過程是純粹的思維過程。

針對問題引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行合理的猜想，對學(xué)生邏輯思維能力的培養(yǎng)具有十分重要的意義。教師在教學(xué)中要引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合具體事實(shí)進(jìn)行有依據(jù)的猜想。例如，蘇教版科學(xué)教材一年級上冊“樹葉黃了”一課，根據(jù)樹葉變黃一般是從邊緣向中心發(fā)展，猜想這種變化規(guī)律的原因，通過有依據(jù)的猜想，訓(xùn)練學(xué)生符合邏輯地猜想，注重因果關(guān)系。

（三）制訂方案

學(xué)生從問題導(dǎo)向出發(fā)，圍繞猜想假設(shè)，提出探究活動的大致思路，為科學(xué)驗(yàn)證做好鋪墊。教師精心設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案，可以培養(yǎng)學(xué)生思維的深刻性與邏輯性。

在設(shè)計實(shí)踐探究方案環(huán)節(jié)，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生深入思考，全面考慮各種因素對實(shí)驗(yàn)的影響，嚴(yán)格控制變量，讓學(xué)生對實(shí)驗(yàn)方法、方案展開討論，在討論過程中使學(xué)生的思維深刻性得到發(fā)展。

例如，在蘇教版科學(xué)教材四年級上冊“摩擦力”一課的教學(xué)中，教師引導(dǎo)學(xué)生探究如何“減小固體間的摩擦力”，小組合作設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案，選取材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在對比實(shí)驗(yàn)中，變量的控制是教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。怎樣控制實(shí)驗(yàn)中的變量才能得到科學(xué)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析得出正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，制訂方案顯得至關(guān)重要，在這個過程中也能深層次培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

（四）實(shí)施探究

實(shí)施探究是教師引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)研究計劃或方案開展探究活動，驗(yàn)證猜想、假設(shè)，得出科學(xué)結(jié)論的過程。在這個過程中，教師要引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)制訂好的探究方案，開展觀察、實(shí)驗(yàn)、制作、考察、調(diào)查、參觀、采訪、搜集、種養(yǎng)等探究活動，在活動中應(yīng)注意獲取相關(guān)信息，對信息進(jìn)行歸類、歸因分析，以獲取規(guī)律性的認(rèn)識，得出問題結(jié)論。

例如，在蘇教版科學(xué)教材五年級上冊“光的傳播”一課中，教師讓學(xué)生用手電光通過小孔不在一條直線上的三張紙屏照射效果和小孔在一條直線上的三張紙屏照射效果，思考光線的傳播路徑，認(rèn)識到光線無法拐彎，只能通過直線傳播，得出科學(xué)結(jié)論。實(shí)驗(yàn)探究中的證據(jù)是學(xué)生建立科學(xué)概念的思維素材，教師引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注實(shí)驗(yàn)中獲得的相關(guān)證據(jù)，并進(jìn)行信息加工處理，進(jìn)而形成自己的觀點(diǎn)。

（五）展示與交流

語言是思維的外殼，是智慧的結(jié)晶，是表達(dá)思維的工具。加強(qiáng)科學(xué)課堂中學(xué)生的語言訓(xùn)練，在表達(dá)中不斷提煉、反復(fù)加工語言和邏輯，有助于學(xué)生科學(xué)思維的提升，是發(fā)展學(xué)生思維的有效途徑。學(xué)生需要在科學(xué)推理的基礎(chǔ)上，從收集的信息中得出某現(xiàn)象如何發(fā)生或?yàn)槭裁窗l(fā)生的合理解釋，通過比較和分析不同的理論與證據(jù)，進(jìn)一步評估調(diào)查中形成的解釋。表達(dá)交流是一個合作學(xué)習(xí)的探究過程，包括明確地公開分享自己的證據(jù)和觀點(diǎn)，通過交流和辯駁捍衛(wèi)自己的觀點(diǎn)。教師要注意引導(dǎo)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)結(jié)論的展示與交流，促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)真理的深刻理解，強(qiáng)化表達(dá)說理，提升學(xué)生思維。例如，教師要多引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行辯論、討論等交流活動。辯論、討論交流是學(xué)生建構(gòu)科學(xué)概念、形成科學(xué)思維的重要過程。

在項(xiàng)目活動課程的過程中，展示與交流對促進(jìn)學(xué)生形成科學(xué)的工程思維有非常重要的作用。

例如，開發(fā)“設(shè)計LED小手環(huán)”項(xiàng)目實(shí)踐活動，其工程設(shè)計制作教學(xué)過程中，學(xué)生在制作前進(jìn)行交流設(shè)計方案，如前期的調(diào)查，了解了制作LED小手環(huán)的電路知識，需要哪些電路元件，怎樣連接電路，畫出了什么樣的設(shè)計圖。第二階段的交流是制作完畢交流，比一比哪個小組的設(shè)計更合理，有什么需要改進(jìn)的，交流后提出改進(jìn)意見。通過第一階段的交流，學(xué)生可以自由表達(dá)自己獨(dú)特的設(shè)計思路，促進(jìn)了小組間的互相學(xué)習(xí)，為進(jìn)一步改進(jìn)制作方案奠定基礎(chǔ)。而第二階段的交流，一方面可以展示學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，另一方面，學(xué)生可以大膽質(zhì)疑，提出下一步的產(chǎn)品改進(jìn)措施。

再如，蘇教版科學(xué)教材四年級下冊第五單元“環(huán)境變化以后”一課，學(xué)生圍繞“在藏羚羊遷徙必經(jīng)之地如何修建一條鐵路”這個問題進(jìn)行大膽假設(shè)。在表達(dá)與交流環(huán)節(jié)，有學(xué)生表達(dá)出為什么這樣設(shè)計鐵路，傾聽的學(xué)生則給予修改的意見。在這樣的過程中，學(xué)生的批判思維會得以發(fā)展，他們會意識到人在改造自然的同時也可能破壞了自然，樹立起批判性辯證的思維習(xí)慣。

可以說，每一步交流都反映了學(xué)生精彩的探究活動過程，這些在師生之間、生生之間交流中產(chǎn)生的思維碰撞，增強(qiáng)了思維的廣度和深度，形成工程思維意識。

（六）拓展創(chuàng)新

1.擴(kuò)展學(xué)生思維的廣度和深度，培養(yǎng)遷移能力

教師要引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)，遷移應(yīng)用于生活，解釋自然現(xiàn)象，解決實(shí)際問題，進(jìn)行改進(jìn)、發(fā)明等創(chuàng)造活動，使學(xué)生在學(xué)習(xí)中學(xué)會舉一反三，觸類旁通，嘗試從不同角度去分析思考問題。

例如，通過學(xué)習(xí)蘇教版科學(xué)教材五年級下冊“形狀與結(jié)構(gòu)”這一單元，學(xué)生已經(jīng)認(rèn)識了各種世界著名建筑，教師就可帶領(lǐng)學(xué)生當(dāng)一回“小建筑師”去“造房子”?！霸旆孔印边@節(jié)課結(jié)束以后，學(xué)生寫了實(shí)踐的體會——他們很欣喜地驚嘆，自己也可以當(dāng)個建筑師，像建筑師那樣設(shè)計心目中的房子的外形與結(jié)構(gòu)。通過小組分工與合作的形式，學(xué)生大膽地制作，感受到了當(dāng)建筑師的不容易，同時也體驗(yàn)到了創(chuàng)造的樂趣，從而培養(yǎng)了創(chuàng)新和實(shí)踐的意識。從造房子前的設(shè)計，到怎樣分工與合作，再到怎樣制作，這每一個過程都滲透了學(xué)生思考問題的方法和過程。無論房子造得成功還是失敗，其結(jié)果都是不重要的，探究的過程更重要，探究過程中的每一個思維過程都顯得彌足珍貴，會為學(xué)生形成科學(xué)的思維奠定基礎(chǔ)。

2.提升學(xué)生思維的多維性，培養(yǎng)創(chuàng)新能力

科學(xué)思維既不是一種簡單孤立的思維活動類型，也不是幾種思維活動類型的簡單疊加，而是多種思維方法綜合作用的結(jié)果。

例如，在蘇教版科學(xué)教材五年級下冊“造房子”一課中，學(xué)生設(shè)計房子時除了要用到科學(xué)知識以外，還要用到數(shù)學(xué)知識、美術(shù)知識以及工程技術(shù)知識。所以，科學(xué)思維體現(xiàn)多個方面思維品質(zhì)的特征，通過“造房子”這樣的STEAM主題探究活動，學(xué)生的觀察、比較、分析、查閱資料、調(diào)查等多種思維方法融合到一起，共同促進(jìn)了科學(xué)思維的發(fā)展。

總之，科學(xué)實(shí)踐活動中，學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，是像科學(xué)家那樣的思考者與行動派。在科學(xué)探究過程中，科學(xué)思維是貫穿整個過程的，課堂教學(xué)活動必定與學(xué)生的思維活動密切相關(guān)，科學(xué)探究能力更是與思維能力相伴。教師在教學(xué)設(shè)計中要有長遠(yuǎn)意識，要在大概念和模擬真實(shí)情境中帶學(xué)生體會科學(xué)探究的過程，從而實(shí)現(xiàn)學(xué)生科學(xué)思維的創(chuàng)造性發(fā)展。