基于科學(xué)思維能力結(jié)構(gòu)模型建構(gòu)科學(xué)教學(xué)思維能力進(jìn)階模型*

梁榮君|浙江省溫嶺市城南中學(xué)

阮慶元|浙江省溫嶺市教育發(fā)展研究室

教學(xué)思維是教育者針對教學(xué)現(xiàn)象和教學(xué)問題，通過自身的比較、分析、概括和預(yù)見等，形成教學(xué)觀念或理念，從而作出判斷、計(jì)劃和決策，以此來影響教學(xué)行為的思維活動(dòng)。教學(xué)效果受教師的教學(xué)理念、教學(xué)行為、教學(xué)水平和教學(xué)方法的影響，但它們之間的正相關(guān)程度很低。對不同層次教師進(jìn)行的研究表明，教學(xué)思維是教師能否有效實(shí)施教學(xué)的重要因素，也是教學(xué)行為的心理基礎(chǔ)和內(nèi)在根源［1］。因此，發(fā)展教師的教學(xué)思維能力對于提升教學(xué)質(zhì)量具有關(guān)鍵性作用。

一、初中科學(xué)教學(xué)思維及其與科學(xué)思維的關(guān)系

初中科學(xué)教師所具備的教學(xué)思維稱為初中科學(xué)教學(xué)思維。由于教學(xué)思維具有學(xué)科屬性［2］，因此初中科學(xué)教學(xué)思維具有科學(xué)學(xué)科的特征，其對象包括“科學(xué)教什么”和“科學(xué)怎么教”兩個(gè)方面，可簡稱為科學(xué)內(nèi)容和科學(xué)教學(xué)。

科學(xué)思維具有兩個(gè)基本特征：一是竭力追求科學(xué)事實(shí)，二是竭力追求與普遍自然規(guī)律相符［3］。教學(xué)思維是一種使教學(xué)過程符合教學(xué)規(guī)律和教學(xué)理性的須遵循的認(rèn)知模式［4］。二者都具有規(guī)律性和客觀性，即教學(xué)思維符合科學(xué)思維的特征，其中，科學(xué)事實(shí)表現(xiàn)為科學(xué)內(nèi)容事實(shí)和科學(xué)教學(xué)事實(shí)，普遍規(guī)律表現(xiàn)為科學(xué)知識(shí)規(guī)律和科學(xué)教學(xué)規(guī)律。因此，將科學(xué)思維研究的相關(guān)結(jié)論應(yīng)用到初中科學(xué)教學(xué)思維的研究上是演繹式的、合理可行的。

二、基于科學(xué)思維能力結(jié)構(gòu)模型建構(gòu)科學(xué)教學(xué)思維能力進(jìn)階模型的分析框架

科學(xué)思維能力的結(jié)構(gòu)模型是關(guān)于科學(xué)思維能力的組成要素及其發(fā)展規(guī)律的理論模型［5］。結(jié)構(gòu)模型由思維內(nèi)容、方法和品質(zhì)三個(gè)維度構(gòu)成：思維內(nèi)容包括科學(xué)現(xiàn)象、科學(xué)概念、科學(xué)規(guī)律和科學(xué)問題；思維方法包括分析綜合、比較分類、抽象概括和科學(xué)推理；思維品質(zhì)包含深刻性、靈活性、批判性、敏捷性和獨(dú)創(chuàng)性。三個(gè)維度中任一因子皆可構(gòu)成思維單元，而思維單元的整合則反映出教師的科學(xué)思維能力。

科學(xué)思維能力的結(jié)構(gòu)模型具有三個(gè)特點(diǎn)。其一，整體性?？茖W(xué)思維能力是由思維內(nèi)容、方法和品質(zhì)有序組成的有機(jī)整體，這些要素互相制約、互相促進(jìn)、共同發(fā)展，在一定階段內(nèi)處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。其二，動(dòng)態(tài)性。受到教師的經(jīng)驗(yàn)積累或?qū)嵺`體驗(yàn)等外界信息的刺激影響后，科學(xué)思維能力會(huì)發(fā)生變化，具體表現(xiàn)為思維單元的形成、改進(jìn)或重組。其三，自調(diào)性。當(dāng)外界信息刺激引起思維能力結(jié)構(gòu)變化時(shí)，教師會(huì)通過自身的調(diào)整形成新的思維能力結(jié)構(gòu)，從而適應(yīng)新環(huán)境，達(dá)到新平衡。利用結(jié)構(gòu)模型可以研究初中科學(xué)教學(xué)思維能力，得到其構(gòu)成要素和發(fā)展路徑，從而建構(gòu)初中科學(xué)教學(xué)思維能力進(jìn)階模型?；诳茖W(xué)思維能力結(jié)構(gòu)模型建構(gòu)科學(xué)教學(xué)思維能力進(jìn)階模型的分析框架詳見圖1。

圖1 基于科學(xué)思維能力結(jié)構(gòu)模型建構(gòu)科學(xué)教學(xué)思維能力進(jìn)階模型的分析框架

三、初中科學(xué)教學(xué)思維能力的構(gòu)成要素

（一）思維內(nèi)容

初中科學(xué)教學(xué)思維能力中的思維內(nèi)容包括科學(xué)教學(xué)現(xiàn)象、科學(xué)教學(xué)概念、科學(xué)教學(xué)規(guī)律和科學(xué)教學(xué)問題（詳見表1）。由于實(shí)驗(yàn)在科學(xué)教學(xué)中具有突出的地位，因此在具體示例中涉及實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容較多。

表1 初中科學(xué)教學(xué)思維內(nèi)容一覽

（二）思維方法

初中科學(xué)教學(xué)思維能力中的思維方法包括分析綜合、比較分類、抽象概括和科學(xué)推理。

分析綜合：分析指將對象分解成部分或要素進(jìn)行研究；綜合指把部分或要素重新整合為整體再進(jìn)行研究。

示例（科學(xué)內(nèi)容方面）：力具有三要素，研究重力時(shí)先從重力方向、大小和作用點(diǎn)分別進(jìn)行研究，這是分析過程；再通過力的示意圖表征重力，在作受力分析時(shí)用示意圖或圖示表示重力，這是綜合過程。

示例（科學(xué)教學(xué)方面）：在進(jìn)行用高錳酸鉀制取氧氣的實(shí)驗(yàn)過程中，教師收集不同層次學(xué)生的實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)，這是分析過程；針對學(xué)生的問題，如怎樣操作才能收集到更純凈的氧氣等來改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，這是綜合過程。

比較分類：比較指把握不同對象的差異或相同點(diǎn)；分類指按照一定的依據(jù)將研究對象分門別類。

示例（科學(xué)內(nèi)容方面）：在鹽酸和硫酸溶液中分別滴加紫色石蕊試液，溶液均變紅色；在氫氧化鈉溶液中滴加紫色石蕊試液，溶液變藍(lán)色。比較鹽酸和硫酸溶液得到相同點(diǎn)，比較鹽酸（或硫酸）和氫氧化鈉溶液得到不同點(diǎn)，然后進(jìn)行分類。

示例（科學(xué)教學(xué)方面）：在測量小石塊密度的實(shí)驗(yàn)中，有些學(xué)生先測量小石塊的質(zhì)量再利用排水法測體積，有些學(xué)生先用排水法測體積再測量小石塊的質(zhì)量。教師對兩種方案進(jìn)行比較、評(píng)價(jià)，指出后者由于小石塊會(huì)不可避免地帶出水而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，以此對學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰M(jìn)行分類。

抽象概括：抽象指從許多對象中舍棄次要和個(gè)別的要素，將主要和本質(zhì)的要素抽取出來的過程；概括指將主要和本質(zhì)的要素進(jìn)行聯(lián)系組合的過程。

示例（科學(xué)內(nèi)容方面）：當(dāng)水沸騰時(shí)，溫度不再上升，恒定在某值，但如果撤掉加熱的酒精燈，盡管溫度保持某值，但水會(huì)停止沸騰，由此抽象出水沸騰需要的條件。類比其他液體沸騰情況進(jìn)行概括，得出液體沸騰所需的條件：達(dá)到一定溫度以及持續(xù)吸熱。

示例（科學(xué)教學(xué)方面）：在學(xué)習(xí)比熱這一概念時(shí)，學(xué)生對水和煤油的相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究，得出水和煤油的吸熱能力不同的結(jié)論。從這一過程可抽象出比熱概念教學(xué)，首先是“創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境，讓學(xué)生建立水和煤油吸熱能力不同的表象”，由此類比其他概念，可概括出概念教學(xué)的第一個(gè)環(huán)節(jié)為“創(chuàng)設(shè)情境，建立科學(xué)表象”。

科學(xué)推理：根據(jù)已有判斷推出另一判斷的思維過程，主要有歸納推理、演繹推理和類比推理等。

示例（科學(xué)內(nèi)容方面）：高處的水自發(fā)地流向低處，到達(dá)抽水機(jī)處，抽水機(jī)又將水抽到高處，由此形成不斷循環(huán)的水流。將這一過程類比到電流的形成中，可得出電源的作用相當(dāng)于抽水機(jī)。

示例（科學(xué)教學(xué)方面）：在計(jì)算溶液稀釋的題目中，要求學(xué)生計(jì)算所加水的質(zhì)量。某學(xué)生將稀溶液的質(zhì)量作為答案，另一學(xué)生將稀溶液中溶劑的質(zhì)量作為答案，盡管兩種答案都是錯(cuò)誤的，但我們可以推理出后一個(gè)學(xué)生的理解程度更深，更接近于正確。

（三）思維品質(zhì)

初中科學(xué)教學(xué)思維能力中的思維品質(zhì)指在科學(xué)教學(xué)的過程中，教師對某些思維內(nèi)容進(jìn)行思維活動(dòng)并作出反應(yīng)的一種狀態(tài)。初中科學(xué)教學(xué)思維品質(zhì)包含深刻性、靈活性、批判性、敏捷性、獨(dú)創(chuàng)性等方面，其含義和具體表現(xiàn)如下。

深刻性：思維的抽象程度和邏輯水平。

具體表現(xiàn)：善于深入地思考科學(xué)知識(shí)或科學(xué)教學(xué)問題；善于抓住事物的本質(zhì)，并能全面和系統(tǒng)地思考科學(xué)教學(xué)問題。

靈活性：思維活動(dòng)的靈活程度。

具體表現(xiàn)：善于通過不同的角度分析、思考科學(xué)教學(xué)問題；善于整合不同的思維方法；善于利用多種方法解決和處理科學(xué)教學(xué)問題；能靈活地遷移應(yīng)用知識(shí)。

批判性：準(zhǔn)確評(píng)估自身思維的能力。

具體表現(xiàn)：善于結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，反思自身科學(xué)教學(xué)的觀念、策略和行為；善于審視自身的知識(shí)結(jié)構(gòu)和不足；注重對科學(xué)知識(shí)的批判性理解，并將其轉(zhuǎn)化為學(xué)生可以學(xué)習(xí)的材料。

敏捷性：思維過程的速度。

具體表現(xiàn)：能及時(shí)抓住學(xué)生學(xué)習(xí)的反饋并迅速作出策略調(diào)整；善于利用自身的知識(shí)儲(chǔ)備，迅速對科學(xué)問題作出準(zhǔn)確的判斷。

獨(dú)創(chuàng)性：獨(dú)特的思維方式、新穎的思維方法及寬廣的思維面。

具體表現(xiàn)：善于根據(jù)具體的科學(xué)教學(xué)問題，進(jìn)行發(fā)散性思維；結(jié)合學(xué)習(xí)目標(biāo)，采用獨(dú)特的方式進(jìn)行教學(xué)，注重學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的持續(xù)提升和科學(xué)本質(zhì)的體認(rèn)；善于辯證和深度理解科學(xué)知識(shí)的本質(zhì)內(nèi)涵。

需要加以說明的是，由于思維品質(zhì)是在具體的思維內(nèi)容和思維方法中表現(xiàn)出來的，所以未涉及具體示例。另外，各種思維品質(zhì)是相互影響的，如獨(dú)創(chuàng)性和批判性都以深刻性為前提，因此應(yīng)側(cè)重于對深刻性的培養(yǎng)。

四、初中科學(xué)教學(xué)思維能力的發(fā)展路徑

（一）注重整體性，形成思維單元

教師通過一個(gè)完整教學(xué)周期的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)積累，針對思維內(nèi)容、方法和品質(zhì)實(shí)現(xiàn)整體性的發(fā)展，進(jìn)入教學(xué)思維的前穩(wěn)定階段。完整的教學(xué)周期指教師完成某學(xué)科整個(gè)學(xué)段的課堂教學(xué)任務(wù)所對應(yīng)的時(shí)間。由于受到外界信息的刺激，教師會(huì)在課堂實(shí)踐的過程中形成某個(gè)或某些思維單元。

例如，在“質(zhì)量守恒定律”教學(xué)中，思維內(nèi)容是“質(zhì)量守恒定律”這一核心科學(xué)規(guī)律及“如何通過實(shí)驗(yàn)探究，結(jié)合三重表征，讓學(xué)生理解該定律”這一科學(xué)教學(xué)問題，這些必須依托于“比較分類”“科學(xué)推理”等思維方法，具體表現(xiàn)為“選擇哪些具體實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生進(jìn)行探究”“如何從宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象轉(zhuǎn)入到微觀層面，最后利用符號(hào)進(jìn)行表征”等。選擇“將硫酸銅和氫氧化鈉溶液反應(yīng)、過氧化氫制氧氣、白磷燃燒三個(gè)實(shí)驗(yàn)作為具體實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究”體現(xiàn)了教學(xué)思維的深刻性，表現(xiàn)為對不同實(shí)驗(yàn)的開放程度具有全面思維?！安捎萌乇碚魃罨|(zhì)量守恒定律”體現(xiàn)了思維的靈活性，表現(xiàn)為對“質(zhì)量守恒定律”可從不同的角度進(jìn)行研究。通過這一過程，教師就形成了關(guān)于“質(zhì)量守恒定律”的思維單元，且其將在一定階段內(nèi)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（二）順應(yīng)動(dòng)態(tài)性，改進(jìn)思維單元

教學(xué)思維會(huì)以思維單元的形成而處于穩(wěn)定階段，直至出現(xiàn)反常信息打破原平衡。這種反常信息的來源包括外部的實(shí)踐研訓(xùn)和內(nèi)部的自省反思。此時(shí)，教師會(huì)對已有的教學(xué)理念或教學(xué)行為重新作出審視，這是結(jié)構(gòu)模型中動(dòng)態(tài)性的表現(xiàn)。簡言之，當(dāng)原有教學(xué)思維能力狀態(tài)與反常信息不相符、不再適應(yīng)教學(xué)需要時(shí)，就會(huì)順應(yīng)于變化，某些思維單元會(huì)改進(jìn)或剔除，進(jìn)入教學(xué)思維能力的調(diào)整階段。

例如，在“天平結(jié)構(gòu)”教學(xué)中，教師將思維內(nèi)容定為“如何讓學(xué)生通過觀察并記錄結(jié)構(gòu)的名稱以及功能”，將思維方法定為“分析不同學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果”，將思維品質(zhì)定為“較淺層次的思維活動(dòng)深度”。這一思維過程對應(yīng)的結(jié)果是讓學(xué)生的認(rèn)知層面停留在識(shí)記層次，學(xué)生沒有得到深度發(fā)展。而當(dāng)教師通過外在途徑接觸并內(nèi)化了STEAM 理念和模型建構(gòu)思想之后，就會(huì)進(jìn)行自省反思并形成反常信息，這就使思維內(nèi)容轉(zhuǎn)變?yōu)椤叭绾卧谔炱浇Y(jié)構(gòu)的教學(xué)中滲透STEAM 理念，利用模型建構(gòu)思想讓學(xué)生逐步建構(gòu)天平”，思維方法轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩μ炱皆薪Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，解構(gòu)為各元件的作用”和“逆向推理到最為簡易的天平結(jié)構(gòu)雛形”等。這時(shí)的思維品質(zhì)中就具有“較深的思維活動(dòng)深度”和“獨(dú)特的思維方式”，表現(xiàn)為思維的深刻性和獨(dú)創(chuàng)性。這是對原有教學(xué)思維單元的改進(jìn)，短時(shí)間內(nèi)教師無法適應(yīng)這種思維單元，于是試圖調(diào)整教學(xué)思維能力狀態(tài)。

（三）適應(yīng)自調(diào)性，重組思維單元

當(dāng)教學(xué)思維中的多數(shù)思維單元發(fā)生改進(jìn)時(shí)，教學(xué)思維能力會(huì)進(jìn)入到新的階段。從結(jié)構(gòu)模型的角度而言，這體現(xiàn)了自調(diào)性，即教師經(jīng)過重新適應(yīng)，使教學(xué)思維能力達(dá)到新的穩(wěn)定階段。此時(shí)，教師適應(yīng)了反常信息，將其轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌某Ｒ?guī)信息，并表現(xiàn)出更高水平的思維結(jié)果，其思維能力發(fā)生了進(jìn)階。

例如，在“人類對宇宙的認(rèn)識(shí)”教學(xué)中，對“日心說和地心說”部分的內(nèi)容，教師通過自省反思形成了諸如“地心說是錯(cuò)誤的和日心說是正確的這種‘非此即彼’的錯(cuò)誤思維，導(dǎo)致學(xué)生批判性能力缺失”之類的反常信息。于是，教學(xué)思維內(nèi)容除了有“日心說和地心說的簡單科學(xué)史回顧”外，還有“讓學(xué)生理解兩種學(xué)說的差別并不是現(xiàn)在呈現(xiàn)的那么明顯”等，比如“地心說也是科學(xué)，其中含有實(shí)證和理性等科學(xué)本質(zhì)要素”等，這一思維內(nèi)容屬于科學(xué)教學(xué)概念中的科學(xué)本質(zhì)教學(xué)。思維方法涉及比較分類、抽象概括和科學(xué)推理等。思維品質(zhì)包括“極深的思維深度”“對科學(xué)知識(shí)的批判性理解”“新穎的教學(xué)思維方法”，表現(xiàn)為深刻性、批判性和獨(dú)創(chuàng)性。這種對“日心說和地心說”對應(yīng)的多個(gè)思維單元的調(diào)整，促進(jìn)了高層次思維單元的不斷積累和整合，既使教師的教學(xué)思維能力得到提升，也使其適應(yīng)了原先的反常信息。對處于新的思維階段的教師而言，原先的反常信息轉(zhuǎn)變成了新的常規(guī)信息。

五、初中科學(xué)教學(xué)思維能力的進(jìn)階模型

初中科學(xué)教學(xué)思維能力的發(fā)展過程是受信息影響，教師形成、改進(jìn)和重組思維單元，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡的過程。其進(jìn)階模型詳見圖2。以下，筆者簡要闡述其構(gòu)成要素和作用機(jī)制。

（一）構(gòu)成要素

進(jìn)階模型由信息、思維單元和初中科學(xué)教學(xué)思維能力狀態(tài)三個(gè)要素構(gòu)成。信息影響思維單元中的某個(gè)因子，引起思維能力狀態(tài)變化，符合思維信息論的相關(guān)內(nèi)容［6］。教師接收的信息致使思維內(nèi)容和方法更新，引起思維品質(zhì)改變。而思維品質(zhì)在不同思維過程中都有所表現(xiàn)，因此思維品質(zhì)的訓(xùn)練是思維能力提升的突破口［7］。

信息的具體形式為常規(guī)信息和反常信息，取決于教師的教學(xué)思維能力狀態(tài)。常規(guī)信息指與教師的教學(xué)思維能力狀態(tài)相符的信息，反常信息指與教師的教學(xué)思維能力狀態(tài)不相符的信息。教學(xué)思維能力狀態(tài)通過思維單元的形成、改進(jìn)和重組實(shí)現(xiàn)改變，在不同階段表現(xiàn)為不同層級(jí)水平。對圖2中層級(jí)水平的描述，筆者是這樣考慮的：將科學(xué)現(xiàn)象、科學(xué)概念和科學(xué)規(guī)律整合為科學(xué)知識(shí)進(jìn)行表述，把科學(xué)問題滲透于思維內(nèi)容之中；將科學(xué)教學(xué)部分的內(nèi)容融合到思維方法中進(jìn)行表述；科學(xué)觀念和科學(xué)思想具有科學(xué)內(nèi)容和科學(xué)教學(xué)雙重成分；評(píng)價(jià)和反思以及遷移能力是初中科學(xué)思維能力的總體描述。

圖2 初中科學(xué)教學(xué)思維能力進(jìn)階模型

（二）作用機(jī)制

進(jìn)階模型的核心功能是反映初中科學(xué)教學(xué)思維能力進(jìn)階的作用機(jī)制。教師以接收的常規(guī)信息為進(jìn)階起點(diǎn)，常規(guī)信息的刺激促使教師形成多個(gè)思維單元，這些思維單元經(jīng)過整合后，就使教師的初中科學(xué)教學(xué)思維能力處于第一層級(jí)水平。此時(shí)，該狀態(tài)與常規(guī)信息相互適應(yīng)，處于穩(wěn)定階段。當(dāng)反常信息出現(xiàn)，與教師的思維能力狀態(tài)不適應(yīng)時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致某些思維單元發(fā)生改進(jìn)或重組，致使平衡被打破，進(jìn)入調(diào)整階段。多個(gè)思維單元重新組合，逐步適應(yīng)反常信息刺激后，教師的思維能力進(jìn)入第二層級(jí)水平，平衡重新建立，思維能力得以進(jìn)階。此時(shí)，反常信息轉(zhuǎn)變?yōu)榱诵碌某Ｒ?guī)信息。經(jīng)過類似過程，穩(wěn)定階段不斷變更為前穩(wěn)定階段，教師的初中科學(xué)教學(xué)思維能力不斷得到進(jìn)階，最終達(dá)到第三層級(jí)水平。

綜上，初中科學(xué)教學(xué)思維是初中科學(xué)有效教學(xué)的根源性保障，它是具有內(nèi)隱性的意識(shí)層面活動(dòng)，因此筆者利用顯化的科學(xué)思維能力結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，從而建構(gòu)起初中科學(xué)教學(xué)思維能力的進(jìn)階模型，為初中科學(xué)教師的專業(yè)成長提供參考。當(dāng)然，教學(xué)思維能力的進(jìn)階并不能一蹴而就，具有長期性和復(fù)雜性，教師需要在不斷學(xué)習(xí)、反思的過程中逐步提高?！酲?/p>