將“雙螺旋結(jié)構(gòu)”課堂運用于《擰螺絲的學(xué)問》教學(xué)

◇張牧文（江蘇：南京市江寧實驗小學(xué)）

一、“活動-思維”“雙螺旋結(jié)構(gòu)”課堂概述

“活動-思維”“雙螺旋結(jié)構(gòu)”課堂借鑒了生物學(xué)上的DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)，“活動”和“思維”作為貫穿課堂始終的兩條螺旋，通過“問題”和“證據(jù)”貫連?！盎顒印卑ㄓ^察、實驗探究、調(diào)查、讀圖識圖、項目研究等。“思維”主要指科學(xué)思維，在小學(xué)科學(xué)課堂中包括模型建構(gòu)、推理論證、創(chuàng)新思維等，表現(xiàn)為比較與分類、抽象與概括、歸納與演繹、聯(lián)想與重組等邏輯思維的過程和形式，用以感受、提取、理解、推理等，并以此指導(dǎo)科學(xué)探究活動?！皢栴}”是指向一節(jié)課核心知識或概念的關(guān)鍵問題，具有邏輯結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵問題組成問題環(huán)扣，推動活動進(jìn)階。“證據(jù)”是學(xué)生在探究活動中獲得的結(jié)果與發(fā)現(xiàn)，通過對證據(jù)的提取、整理、組合形成具有內(nèi)在邏輯關(guān)系、能夠證實或證偽科學(xué)問題的證據(jù)鏈條。將“活動-思維”“雙螺旋結(jié)構(gòu)”運用于課堂教學(xué)，緊抓關(guān)鍵問題扣和有效證據(jù)鏈，能夠有效推動學(xué)生科學(xué)思維的螺旋上升，讓科學(xué)探究往深處去。

二、基于“活動-思維”“雙螺旋結(jié)構(gòu)”課堂的教學(xué)過程

基于“活動-思維”“雙螺旋結(jié)構(gòu)”課堂，筆者將蘇教版科學(xué)五下《擰螺絲的學(xué)問》一課分為四個層層遞進(jìn)的教學(xué)活動，與學(xué)生思維歷程的對應(yīng)關(guān)系如表1。

表1 《擰螺絲的學(xué)問》進(jìn)階教學(xué)設(shè)計

（一）比較用手和用螺絲刀擰螺絲

活動一的設(shè)計是，教師出示一塊嵌有螺絲釘?shù)能浤緣K，先請學(xué)生嘗試用手將螺絲釘擰進(jìn)去，簡單說一說感受，接著提問：“有什么方法可能會使你更輕松？”在學(xué)生的主動要求下，使用螺絲刀再次嘗試，請學(xué)生將兩次擰螺絲的感受進(jìn)行比較，提出初步主張：使用螺絲刀可以省力。教師通過談話“看來，螺絲刀不簡單，有不少學(xué)問呢！”引入對螺絲刀結(jié)構(gòu)的觀察：“揭秘產(chǎn)品的功能，我們可以從觀察結(jié)構(gòu)開始?！睗B透“結(jié)構(gòu)與功能”的跨學(xué)科概念。之后，將螺絲刀的圖片貼在黑板上，通過師生交流明確螺絲刀主要由刀把、刀桿兩個主要結(jié)構(gòu)組成。教師緊接著提問：“剛剛他是怎么擰螺絲刀的，你們看清楚了嗎？”學(xué)生回答：“他握住螺絲刀的刀把，用力旋轉(zhuǎn)。”教師小結(jié)：“并且他認(rèn)為在刀把上用力，省力?！?/p>

活動一的作用是引出螺絲刀這個研究對象，明確螺絲刀的主要結(jié)構(gòu)和“擰”螺絲刀的方法，拋出核心問題之一——使用螺絲刀省力嗎？教師在這一環(huán)節(jié)有兩個關(guān)鍵操作：一是確保所有學(xué)生能都觀察到，這位同學(xué)是怎么使用螺絲刀擰螺絲的；二是引導(dǎo)學(xué)生將兩次擰螺絲的用力大小進(jìn)行比較，提煉關(guān)鍵詞：省力。在落實兩個關(guān)鍵操作的基礎(chǔ)上，教師通過三個環(huán)環(huán)相扣的問題，一步步引導(dǎo)學(xué)生說出有依據(jù)的觀點。表2 列舉了本環(huán)節(jié)的“問題環(huán)扣”和“證據(jù)鏈條”。

表2 活動一“問題環(huán)扣”和“證據(jù)鏈條”

以上三個關(guān)鍵問題，學(xué)生回答的依據(jù)要么是觀察到的現(xiàn)象，要么是生活經(jīng)驗。其中，將手的感覺或生活經(jīng)驗作為證據(jù)，都是不可靠的，活動三將對這些證據(jù)提出疑問。關(guān)鍵問題1 和問題2作為思維階梯，推動了活動二中，學(xué)生對刀把和刀桿運動方式的觀察，為抽象出輪軸模型打好基礎(chǔ)。問題3 為活動三中，為引導(dǎo)學(xué)生思考四種螺絲刀是否省力搭建腳手架。

（二）觀察螺絲刀主要結(jié)構(gòu)的運動方式，抽象出輪軸模型

在明確螺絲刀主要結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，教師請學(xué)生以小組為單位，使用螺絲刀擰一擰螺絲，并提出兩點要求：觀察刀把和刀桿各自的運動方式；和小伙伴說一說，你是怎么成功擰進(jìn)螺絲的。之所以讓每一個學(xué)生都體驗并觀察擰螺絲的過程，是因為五年級學(xué)生的思維處在具象向抽象的過渡階段，抽象出輪軸模型需要學(xué)生以感性經(jīng)驗作為基礎(chǔ)。學(xué)生體驗之后，能夠描述出刀把和刀桿是一起旋轉(zhuǎn)的，朝向同一個方向。接著，教師出示橫過來的螺絲刀截面圖，將它轉(zhuǎn)動起來，請學(xué)生再次觀察。通過兩次觀察，刀把和刀桿確實朝向同一個方向一起轉(zhuǎn)動，并且它們的運動描繪出了兩個同心圓，這兩個圓組成了螺絲刀的抽象模型。其中，代表刀把、大一點的圓稱為輪，代表刀桿、小一點的圓稱為軸。教師再請學(xué)生完整地描述，自己是怎么成功擰進(jìn)螺絲的。學(xué)生能夠使用“輪”“軸”這樣的詞匯代替“刀把”“刀桿”進(jìn)行描述，并補(bǔ)充道：“軸隨著輪一起轉(zhuǎn)動。”說明學(xué)生已經(jīng)在頭腦中建立起了輪軸的抽象圖示，并且這幅圖示包含輪與軸之間的關(guān)系：輪和軸固定在一起，輪轉(zhuǎn)動時，軸也跟著一起轉(zhuǎn)動。表3 列舉了本環(huán)節(jié)的“問題環(huán)扣”和“證據(jù)鏈條”。

表3 活動二“問題環(huán)扣”和“證據(jù)鏈條”

問題1 是學(xué)生構(gòu)建輪軸模型的基礎(chǔ)，證據(jù)1是學(xué)生通過感性體驗獲得，而證據(jù)2 其實是對圖像的抽象理解，二者在思維層次上有所上升。問題2 提出時，學(xué)生已經(jīng)明白可以用“輪”來稱呼刀把，用“軸”稱呼刀桿，于是學(xué)生可以使用“輪”和“軸”來描述擰螺絲的過程，并且這描述的內(nèi)容，一方面來自學(xué)生擰螺絲的體驗，另一方面來自學(xué)習(xí)過的輪軸模型。因此以上兩個問題和三個證據(jù)之間也是層層遞進(jìn)的。

（三）觀察并體驗四把尺寸不同的螺絲刀

在抽象出輪軸模型的基礎(chǔ)上，教師出示四把不同的螺絲刀和它們的輪軸圖，在圖上標(biāo)記輪和軸的尺寸，向?qū)W生提問：“這四種輪軸有什么不同？”學(xué)生很容易對比得出，它們軸的尺寸相同，輪的尺寸逐漸變大。教師追問：“在它們的輪上用力，省力嗎？”學(xué)生開始提出不同的觀點，有的學(xué)生認(rèn)為輪大的省力，依據(jù)是大一點的輪受力面積大；有的學(xué)生認(rèn)為輪小的省力，依據(jù)是小一點的輪方便握住用力；極少數(shù)學(xué)生依據(jù)直覺認(rèn)為輪的大小與省力程度無關(guān)。教師將這些想法全部記錄下來，不評判對錯，繼續(xù)追問：“你們的猜想是否正確，怎么證明？”學(xué)生提出動手?jǐn)Q一擰，比較一下。教師順勢請四位學(xué)生分別試一試，將最省力的一把舉起來給大家看。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，四位學(xué)生的選擇并不相同，教師趁勢追問：“將感覺作為證據(jù)，可靠嗎？”引導(dǎo)學(xué)生對證據(jù)的可靠性進(jìn)行質(zhì)疑，滲透科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識，接著在師生交流中形成共識：我們要更科學(xué)、更準(zhǔn)確的證據(jù)。表4 列舉本環(huán)節(jié)的“問題環(huán)扣”和“證據(jù)鏈條”。

表4 活動三“問題環(huán)扣”和“證據(jù)鏈條”

活動三中，教師通過有趣的小活動引導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑證據(jù)的可靠性，而不是直接告訴學(xué)生，因為學(xué)生對親歷活動印象更為深刻，更容易動搖學(xué)生的前概念。三個關(guān)鍵問題中，問題1 以活動二中學(xué)生構(gòu)建的輪軸模型為基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生比較四幅輪軸的圖畫，發(fā)現(xiàn)原來輪有大有小，并聯(lián)系到螺絲刀刀把的尺寸有大有小上。問題2 勾起學(xué)生的前概念，且學(xué)生的前概念各不相同，教師不作評價，觀點要靠活動四中收集的科學(xué)、準(zhǔn)確的證據(jù)來證實（證偽）。

（四）推理論證：證明“在輪上用力省力”“軸相同時，輪越大越省力”

1.使用論證框架

教師出示三層輪軸實驗裝置，說明此裝置可以搜集準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)作為證據(jù)，并帶領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識裝置的結(jié)構(gòu)——軸、小輪、大輪，向?qū)W生講解如何在軸上增加阻力、如何測量軸上阻力和小輪、大輪上用的拉力大小。接著向?qū)W生提問：“利用這套裝置，你怎么搜集證據(jù)，證明你的觀點？”學(xué)生提出實驗思路：保持阻力不變，分別測量輪軸到達(dá)平衡時，小輪和大輪上用的力，將兩個數(shù)值進(jìn)行比較。接著，教師通過短視頻介紹實驗步驟，演示如何在學(xué)習(xí)單上記錄數(shù)據(jù)。視頻播放結(jié)束后，定格在學(xué)習(xí)單上，向?qū)W生提問：“這是老師做實驗時，獲得的一組數(shù)據(jù)，請你來找找證據(jù)，證明你的觀點。”學(xué)生此時能初步描述觀點：“大輪上用的力比小輪上用的力小，所以軸相同時，輪越大越省力?！钡P者在長期教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生這樣描述，沒有突出自己的觀點，沒有點明搜集到的證據(jù)，論證質(zhì)量不高。因此，教師出示論證框架，并要求學(xué)生使用框架中的句式“我們的觀點是……”“我們找到的證據(jù)是……”“我們的解釋是……”“我們最后的結(jié)論是……”來描述，使表達(dá)更加完整。并且將這位學(xué)生的匯報提供給其他同學(xué)作為范例，引導(dǎo)學(xué)生使用論證框架，基于證據(jù)展開有序、合理的論證。

證明“在輪上用力，省力”，學(xué)生找到的證據(jù)是阻力值、小輪用力值、大輪用力值，將阻力與用力進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)無論是大輪還是小輪，用力都比阻力小；證明“軸相同時，輪越大越省力”，學(xué)生找到的證據(jù)是小輪用力值、大輪用力值，將二者進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)大輪用力比小輪小。接著，教師提問：“這一組證據(jù)足夠說服你嗎？”學(xué)生提出，要測量多組數(shù)據(jù)。接下來，教師給每個小組發(fā)了一套材料和一張記錄單，請每個小組設(shè)置三個阻力值，記錄三組數(shù)據(jù)。活動完成后，全班共收集到二十四組不同的數(shù)據(jù)。

2.科學(xué)論證

教師請小組圍繞本組數(shù)據(jù)進(jìn)行交流，使用論證框架形成組內(nèi)一致的觀點。接著，請各個小組將記錄單貼在大記錄單上，將二十四組數(shù)據(jù)羅列在一起。在公開論證環(huán)節(jié)，請一個組的學(xué)生一起來匯報，學(xué)生間分工合作，確保每位學(xué)生都知曉數(shù)據(jù)應(yīng)該如何比較和解釋。在小組匯報結(jié)束后，其他小組可以基于證據(jù)進(jìn)行反駁。兩到三個組匯報后，教師提問：“你能結(jié)合全班的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析嗎？”請學(xué)生綜合全班數(shù)據(jù)進(jìn)行匯報。最后，教師點明其中的思維方法：分析本組的少量數(shù)據(jù)，學(xué)生再進(jìn)行比較；結(jié)合全班的數(shù)據(jù)，學(xué)生再進(jìn)行歸納。

3.應(yīng)用遷移

經(jīng)過大量數(shù)據(jù)的驗證，結(jié)論進(jìn)一步確定。此時，教師出示學(xué)生在環(huán)節(jié)二中使用的螺絲刀，提問：“你能想辦法，使它更省力嗎？”學(xué)生思考后提出：“換一個更大的輪?！被蛘摺霸诼萁z刀的輪上套一個更大的殼?！苯處熢傺a(bǔ)充：“你們知道工程師是怎么解決的嗎？”接著演示螺絲刀的三種變形方式。本課中使用的螺絲刀的刀把上有嵌口，可以將另一根刀桿插進(jìn)去從而增大輪的尺寸，也可以將另一把螺絲刀從刀桿一頭插進(jìn)去，使輪的尺寸更大。教師邊演示，邊提問：“請你解釋螺絲刀變形的原理。”學(xué)生依據(jù)本節(jié)課學(xué)到的原理進(jìn)行解釋，將輪軸的抽象規(guī)律又一次具象到了實物上，進(jìn)一步發(fā)展了學(xué)生的科學(xué)思維。表5 列舉本環(huán)節(jié)的“問題環(huán)扣”和“證據(jù)鏈條”。

表5 活動四“問題環(huán)扣”和“證據(jù)鏈條”

三、實施“活動-思維”“雙螺旋結(jié)構(gòu)”課堂教學(xué)的路徑

在上述教學(xué)案例的四個活動中，關(guān)鍵問題與有效證據(jù)相互關(guān)聯(lián)，活動與思維螺旋上升。而要設(shè)計這樣一節(jié)遞進(jìn)的課堂教學(xué)，可以從兩條路徑來探索。

（一）設(shè)計引發(fā)思維的問題環(huán)扣

所謂促發(fā)思維，依據(jù)杜威“做中學(xué)”教育理論、維果斯基“最近發(fā)展區(qū)”理論、顧長明“做思共生”教學(xué)理論等，須強(qiáng)化探究實踐，重視學(xué)生的前概念和最近發(fā)展區(qū)，通過有趣的活動激發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突，找到學(xué)生思維生長的落腳點。而問題環(huán)扣，階梯式抬升，學(xué)生每解決一個問題，認(rèn)知水平勢必有所提高。新問題需建立在學(xué)生新的認(rèn)知水平上，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步提升。因而，科學(xué)教師要基于系統(tǒng)論的思想，把握課堂教學(xué)核心概念的生長路徑，將教學(xué)各個要素進(jìn)行有序規(guī)劃，形成前后遞進(jìn)的問題環(huán)扣。

例如，本課教學(xué)中，圍繞“使用輪軸省力”這個教學(xué)重點，提出的一系列問題有“在螺絲刀的刀把上用力，省力嗎？”“在輪上用力，省力嗎？”“請你找一找證據(jù)，證明你的觀點?！逼渲械诙€問題出現(xiàn)在學(xué)生構(gòu)建起輪軸抽象模型之后，對螺絲刀的認(rèn)知從具象上升到了抽象，第三個問題則引導(dǎo)學(xué)生使用數(shù)據(jù)作為證據(jù)來論證，學(xué)生的抽象思維水平進(jìn)一步提升。

（二）建立獲取、分析有效證據(jù)鏈條的途徑

證據(jù)，是學(xué)生用來證實（證偽）觀點的依據(jù)，因而證據(jù)的有效性影響探究活動的成敗。在探究活動中搜集可靠的證據(jù)，需要學(xué)生具備實證意識，能夠?qū)ψC據(jù)進(jìn)行批判性的處理和分析，并在學(xué)習(xí)共同體中進(jìn)行進(jìn)一步整合?？茖W(xué)教師要引導(dǎo)學(xué)生建立對證據(jù)的批判質(zhì)疑態(tài)度，通過設(shè)計有序的活動為學(xué)生提供科學(xué)的證據(jù)，使用具有思維結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)單使學(xué)生的思維線性化，并運用促進(jìn)學(xué)生參與的測量，促進(jìn)學(xué)習(xí)共同體之間的交流互動。

綜上所述，在教學(xué)中運用“問題環(huán)扣”和“證據(jù)鏈條”能夠增強(qiáng)學(xué)生的實證意識，提高學(xué)生的推理論證水平，而由此構(gòu)建成的“活動-思維”“雙螺旋結(jié)構(gòu)”課堂能夠有效促發(fā)學(xué)生深度思維、促進(jìn)學(xué)習(xí)進(jìn)階。為進(jìn)一步構(gòu)建完善的“雙螺旋結(jié)構(gòu)”課堂，我們今后仍將不斷探索前行。