指向科學(xué)思維發(fā)展的小學(xué)科學(xué)進(jìn)階實(shí)驗(yàn)串設(shè)計(jì)研究

摘要 在探究實(shí)踐中發(fā)展科學(xué)思維是小學(xué)科學(xué)探究的重要目標(biāo)之一，但是目前科學(xué)課堂的實(shí)踐探究存在時(shí)間短探究淺、少設(shè)計(jì)難引導(dǎo)、重結(jié)論弱反思等問題，這使得科學(xué)探究難以深入，學(xué)生的科學(xué)思維得不到充分的發(fā)展。因此，以進(jìn)階實(shí)驗(yàn)串為抓手，從明確實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、優(yōu)化探究過程、科學(xué)反思結(jié)論三方面入手，提出以進(jìn)階實(shí)驗(yàn)串為核心的科學(xué)探究鏈，以期發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維，讓學(xué)生在進(jìn)階實(shí)驗(yàn)中能夠獲得連續(xù)的、內(nèi)化的、延伸的學(xué)習(xí)增量。

關(guān)? 鍵? 詞 小學(xué)科學(xué) 進(jìn)階實(shí)驗(yàn)串 科學(xué)思維 實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo) 探究過程 科學(xué)反思

引用格式 方麗麗.指向科學(xué)思維發(fā)展的小學(xué)科學(xué)進(jìn)階實(shí)驗(yàn)串設(shè)計(jì)研究[J].教學(xué)與管理，2023（32）：46-49.

在探究實(shí)踐中發(fā)展科學(xué)思維是小學(xué)科學(xué)探究的重要目標(biāo)之一，但是目前科學(xué)課堂的實(shí)踐探究存在時(shí)間短探究淺、少設(shè)計(jì)難引導(dǎo)、重結(jié)論弱反思等問題，使得科學(xué)探究難以深入，學(xué)生的科學(xué)思維得不到充分發(fā)展。這主要是由于探究目標(biāo)不明確，探究過程機(jī)械化，結(jié)論反思不充分造成的。因此，本文以進(jìn)階實(shí)驗(yàn)串為抓手，從明確實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、優(yōu)化探究過程、科學(xué)反思結(jié)論三方面入手，提出以進(jìn)階實(shí)驗(yàn)串為核心的科學(xué)探究鏈，以期發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維，讓學(xué)生在進(jìn)階實(shí)驗(yàn)中能夠獲得連續(xù)的、內(nèi)化的、延伸的學(xué)習(xí)增量。進(jìn)階實(shí)驗(yàn)串的設(shè)計(jì)是在實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)之下，對(duì)學(xué)生首次實(shí)驗(yàn)后提出的新疑問、獲得的新發(fā)現(xiàn)、學(xué)到的新知識(shí)進(jìn)行再次深入思考的過程。它以多個(gè)進(jìn)階實(shí)驗(yàn)的形式，幫助學(xué)生解決新疑問、解釋新現(xiàn)象、重構(gòu)新經(jīng)驗(yàn)。在進(jìn)階實(shí)驗(yàn)串的探究實(shí)踐中，學(xué)生通過反思、辯證看待進(jìn)階實(shí)驗(yàn)探究中的一個(gè)個(gè)結(jié)論，促進(jìn)其發(fā)展模型建構(gòu)、推理論證和創(chuàng)新思維的能力。

如圖1是以進(jìn)階實(shí)驗(yàn)串為核心的指向科學(xué)思維發(fā)展的小學(xué)科學(xué)探究實(shí)踐操作過程：首先，在實(shí)驗(yàn)操作時(shí)為了讓探究目標(biāo)更加明確，需要提前收集學(xué)生在這一領(lǐng)域的疑問和已有的前概念，明確學(xué)生的探究需求。其次，在探究過程中充分尊重學(xué)生的新發(fā)現(xiàn)、提出的新疑問及在遷移應(yīng)用時(shí)產(chǎn)生的新問題，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)進(jìn)階實(shí)驗(yàn)，以期讓學(xué)生在探究中通過建構(gòu)問題模型自主解答疑問、解釋新發(fā)現(xiàn)、重構(gòu)新經(jīng)驗(yàn)。最后，在實(shí)踐探究后，學(xué)生需要推理論證得出的結(jié)論是否合理，通過證實(shí)和證偽相結(jié)合的方式，從不同角度分析、思考問題，辯證看待結(jié)論的科學(xué)性。通過一系列的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和探究實(shí)踐，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)模型建構(gòu)能力、推理論證能力和創(chuàng)新思維的發(fā)展。

一、明確實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)——確定實(shí)驗(yàn)起點(diǎn)

1.收集學(xué)生疑問，明確探究需求

科學(xué)學(xué)習(xí)是一個(gè)不斷解決問題的過程，只有針對(duì)學(xué)生有疑問的問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究才是有效的探究。因此，在實(shí)驗(yàn)前，教師需要先收集學(xué)生的疑點(diǎn)和難點(diǎn)，確定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需要解決的問題，才能確定實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

比如在學(xué)習(xí)教科版《科學(xué)》四年級(jí)下冊(cè)“巖石和土壤”單元時(shí)，通過疑問墻的展示與交流，發(fā)現(xiàn)學(xué)生最想知道的其實(shí)是“巖石是怎樣形成的”，而課標(biāo)的要求則是“學(xué)會(huì)通過觀察和使用簡(jiǎn)單工具，比較不同巖石的顏色、堅(jiān)硬程度、顆粒粗細(xì)等特征”。課標(biāo)要求對(duì)學(xué)生來(lái)說并沒有強(qiáng)烈的探究需求，因此在確定探究目標(biāo)時(shí)，可以將巖石的特征與巖石的形成結(jié)合起來(lái)研究——巖石的形狀特征是否與其形成過程有關(guān)呢？通過這樣的鏈接，吸引學(xué)生興趣，從而進(jìn)一步研究，使實(shí)驗(yàn)探究更符合學(xué)生需求。

2.調(diào)查前概念，了解已有經(jīng)驗(yàn)

學(xué)生的前概念經(jīng)驗(yàn)會(huì)影響后續(xù)的學(xué)習(xí)與發(fā)展，如果只按教材要求設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)往往會(huì)出現(xiàn)學(xué)生重復(fù)探究、無(wú)效探究的現(xiàn)象。因此，教師需要在實(shí)驗(yàn)探究前調(diào)查學(xué)生已有的前概念，在前概念基礎(chǔ)上確定實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，讓實(shí)驗(yàn)探究更有效，使得學(xué)生有新的發(fā)現(xiàn)[1]。

比如在學(xué)習(xí)教科版《科學(xué)》五年級(jí)上冊(cè)“光”單元前，用問卷星收集了學(xué)生對(duì)“白天我們能看到放在桌子上的蘋果，為什么在漆黑的夜里就看不到了？”這一問題的一些想法（如圖2），發(fā)現(xiàn)大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為，因?yàn)榘滋煊泄馑阅芸吹?。殊不知，人眼能看到蘋果是因?yàn)橛蟹瓷涔膺M(jìn)入人眼。學(xué)生只“看到”光源照射到物體上的光路，“看不見”物體反射到人眼的光路。因此，在確定探究目標(biāo)時(shí)需要讓學(xué)生明確：除了有光，還需要有光線進(jìn)入人眼。這樣，物體才能被我們看到。

上述案例中，學(xué)生已經(jīng)知道了光對(duì)人眼能看見物體必不可少，但是沒有考慮其他因素。教師需要通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，重構(gòu)學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)。比如自身能發(fā)光的物體在黑暗中人眼也看不見嗎？自身不能發(fā)光的物體在黑暗中適應(yīng)一段時(shí)間后是否能被看見呢？……在明確已有經(jīng)驗(yàn)后，教師在設(shè)計(jì)探究目標(biāo)時(shí)就有了更為清晰的方向。通過提前收集學(xué)生疑問和調(diào)查前概念的方式，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，讓學(xué)生帶著需求去探究，會(huì)大大提高他們的主動(dòng)性，從而產(chǎn)生新的疑問和發(fā)現(xiàn)，引發(fā)學(xué)生思考與討論[2]。

二、優(yōu)化探究過程——保障學(xué)習(xí)進(jìn)階

1.打破思維定勢(shì)，重構(gòu)學(xué)習(xí)概念，從經(jīng)驗(yàn)中進(jìn)階

每位學(xué)生在走進(jìn)科學(xué)課堂之前，頭腦中已經(jīng)有了一定的事實(shí)性認(rèn)知，這些事實(shí)會(huì)讓他們?cè)谒伎紗栴}時(shí)產(chǎn)生一定的思維定勢(shì)，限制其思考的廣度和深度。錯(cuò)誤的前概念也會(huì)影響學(xué)生的思考路徑，需要在進(jìn)階實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)一步重構(gòu)已有的學(xué)習(xí)概念。

比如在學(xué)習(xí)教科版《科學(xué)》四年級(jí)上冊(cè)“運(yùn)動(dòng)和力”單元起始課“讓小車運(yùn)動(dòng)起來(lái)”時(shí)，學(xué)生普遍認(rèn)為力能讓物體運(yùn)動(dòng)起來(lái)，而讓物體靜止下來(lái)只要將原來(lái)加在物體上的力移走即可?；谶@樣的認(rèn)識(shí)，筆者設(shè)計(jì)了進(jìn)階實(shí)驗(yàn)“到站小車”（如圖3）：讓運(yùn)動(dòng)的小車停在指定位置。學(xué)生發(fā)現(xiàn)如果在即將到達(dá)指定位置時(shí)抬起墊片，拉力消失，小車也并不會(huì)馬上停下來(lái)，而是會(huì)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)一段距離后才能停止。但是，如果直接用手按住小車，小車則會(huì)立刻停止。這一實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)與學(xué)生認(rèn)為的事實(shí)（沒有力時(shí)物體會(huì)停下）產(chǎn)生了沖突。

本案例中，筆者從學(xué)生已有經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，在教材實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了進(jìn)階實(shí)驗(yàn)——“到站小車”，讓學(xué)生打破了思維定勢(shì)，明白沒有力時(shí)小車還是會(huì)由于慣性而繼續(xù)前進(jìn)，直到最后因?yàn)椤翱床灰姷哪Σ亮Α倍Ｖ惯\(yùn)動(dòng)。這一進(jìn)階實(shí)驗(yàn)引發(fā)學(xué)生的分析，從事實(shí)中推理歸納小車停下來(lái)的本質(zhì)，發(fā)展其科學(xué)思維。

2.尊重學(xué)生發(fā)現(xiàn)，分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，從疑問中進(jìn)階

在探究過程中教師應(yīng)充分保障學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，肯定他們的新發(fā)現(xiàn)，從而在探究中發(fā)現(xiàn)新的問題，開展新的進(jìn)階式研究。

如教科版《科學(xué)》五年級(jí)下冊(cè)“增加船的載重量”一課中，學(xué)生用鋁箔紙做了三款不同體積的小船，發(fā)現(xiàn)小船的載重量并沒有隨著體積的增大而增大，與書上的結(jié)論“體積越大小船的載重量越大”不一致。于是筆者從這一發(fā)現(xiàn)出發(fā)，設(shè)計(jì)了進(jìn)階實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生利用不同材料（橡皮泥和鋁箔紙）展開對(duì)比實(shí)驗(yàn)（如圖4），以期找到其中的原因。

從學(xué)生的發(fā)現(xiàn)中設(shè)計(jì)進(jìn)階實(shí)驗(yàn)，能夠讓探究更加充分、思考更為深入。通過進(jìn)階實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步探究發(fā)現(xiàn)，由于鋁箔紙船較軟，承受一定的重物以后會(huì)發(fā)生形變，最大載重量也會(huì)隨之發(fā)生改變。為了驗(yàn)證小船載重量與小船體積之間的關(guān)系，學(xué)生發(fā)現(xiàn)應(yīng)該選擇不易變形的材料（如橡皮泥或更硬的鋁箔紙），同時(shí)對(duì)比過程中墊圈的放置方法也要保持一致。

3.聯(lián)系生活實(shí)際，建構(gòu)思維模型，從遷移中進(jìn)階

科學(xué)實(shí)驗(yàn)的發(fā)現(xiàn)離不開生活的檢驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)與生活實(shí)際聯(lián)系起來(lái)可以更好地內(nèi)化所學(xué)概念[3]。但是由于理論并不能完全解釋實(shí)際現(xiàn)象，需要學(xué)生在遷移時(shí)深入探究，建立起能夠解釋某一現(xiàn)象的思維模型，指導(dǎo)解釋更多相似的現(xiàn)象。

在執(zhí)教教科版《科學(xué)》三年級(jí)上冊(cè)“水到哪里去了”一課時(shí)，為了讓學(xué)生明白凝結(jié)的過程，第一次實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生發(fā)現(xiàn)冷熱兩塊玻璃片蓋在兩杯水溫相同的燒杯上方，玻璃片上產(chǎn)生的現(xiàn)象不同，冷的一塊產(chǎn)生了小水珠。通過這一實(shí)驗(yàn)學(xué)生發(fā)現(xiàn)熱的水蒸氣遇到冷的玻璃片會(huì)變成小水珠。但若實(shí)驗(yàn)到此結(jié)束，學(xué)生可能還難以透徹地理解這一原理，并解釋生活中的一些現(xiàn)象[4]：生活中水壺?zé)畷r(shí)壺嘴口會(huì)出現(xiàn)“白氣”，這又是什么原因呢？于是教師出示了一個(gè)進(jìn)階實(shí)驗(yàn)：出示圓底燒瓶，加熱里面的水，觀察瓶口的情況（如圖5）。學(xué)生發(fā)現(xiàn)在接近瓶口處沒有任何變化，但是在距離瓶口一段距離處出現(xiàn)了“白氣”。這是因?yàn)榻咏靠谔帨囟雀?，水蒸氣看不見摸不著，所以接近瓶口處是水蒸氣，但是遠(yuǎn)離瓶口處溫度相對(duì)較低，水蒸氣遇冷凝結(jié)成了液態(tài)的小水珠，也就是我們看到的“白氣”。

上述案例中，學(xué)生通過進(jìn)階實(shí)驗(yàn)，建構(gòu)了一個(gè)思維模型去解釋生活中的類似現(xiàn)象，即熱的水蒸氣（看不見）遇到冷的物體（冷玻璃、冷空氣）會(huì)凝結(jié)變成小水珠（看得見）。學(xué)生利用這一思維模型就能解釋水壺?zé)畷r(shí)壺口產(chǎn)生“白氣”的原因了。

三、科學(xué)反思結(jié)論——持續(xù)探究發(fā)展

1.深挖基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，推理論證結(jié)論

通過一個(gè)實(shí)驗(yàn)馬上就得出“結(jié)論”是目前科學(xué)課堂的常態(tài)，但是真正的科學(xué)探究需要我們對(duì)科學(xué)結(jié)論進(jìn)行反思，逐步探究實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象產(chǎn)生的原理，這不僅能真正提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，也為今后研究相關(guān)問題打下實(shí)踐基礎(chǔ)。

在執(zhí)教教科版《科學(xué)》六年級(jí)下冊(cè)“產(chǎn)生氣體的變化”一課時(shí)，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，白醋和小蘇打反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生氣泡，但是反應(yīng)過后，留下的液體到底還是不是白醋并沒有深究?；诖?，筆者設(shè)計(jì)了進(jìn)階實(shí)驗(yàn)：讓學(xué)生往白醋中一包一包地加小蘇打，往小蘇打中一小瓶一小瓶地加白醋。學(xué)生發(fā)現(xiàn)，加入第三包小蘇打或第三瓶白醋時(shí)，氣泡都逐漸減少了，直至不再產(chǎn)生氣泡，由此引發(fā)思考，原來(lái)的兩瓶液體里面已經(jīng)沒有白醋或小蘇打了。

通過這一進(jìn)階實(shí)驗(yàn)，學(xué)生逐漸明白瓶子里的白醋或小蘇打已經(jīng)消失了，取而代之的可能是另外一種不知名的物質(zhì)，因?yàn)樾录尤氲男√K打或白醋不再與瓶中原有的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)了。像這樣，以真實(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)推理論證科學(xué)結(jié)論，更有說服力。

2.證實(shí)證偽相結(jié)合，辯證分析結(jié)論

卡爾·波普爾在《猜想與反駁》中提出科學(xué)與非科學(xué)的界限是：科學(xué)是能夠證實(shí)也能證偽的。一個(gè)結(jié)論如果可以從正反兩面去證明，那就說明它是科學(xué)的。很多學(xué)生對(duì)科學(xué)結(jié)論缺乏批判意識(shí)，不會(huì)質(zhì)疑，因此教師可以加以引導(dǎo)，在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中通過證實(shí)與證偽相結(jié)合的方式，多角度論證得出結(jié)論的科學(xué)性[5]。

在執(zhí)教教科版《科學(xué)》五年級(jí)上冊(cè)“光是怎樣傳播的”一課時(shí)，學(xué)生僅通過一束光能穿過幾張帶孔的紙屏便驗(yàn)證了光能直線傳播，卻不會(huì)質(zhì)疑結(jié)論的合理性。于是，筆者采用證實(shí)與征偽相結(jié)合的方式，設(shè)計(jì)了進(jìn)階實(shí)驗(yàn)：將光穿過一段彎曲的不透明吸管（如圖6），觀察光線是否會(huì)從另一端射出[6]。學(xué)生發(fā)現(xiàn)，光沒有從另一端射出。這一實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)從反面使學(xué)生認(rèn)可了光沿直線傳播這一結(jié)論的合理性。

證實(shí)與征偽相結(jié)合的方式能促進(jìn)學(xué)生辯證思維的發(fā)展，促使他們從正反兩個(gè)角度去思考問題，使得結(jié)論更加科學(xué)合理，更有說服力。

指向科學(xué)思維發(fā)展的探究實(shí)踐優(yōu)化策略，在小學(xué)科學(xué)課堂中能夠牢牢抓住學(xué)生需求，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，讓科學(xué)實(shí)驗(yàn)有的放矢，大大提高了學(xué)習(xí)的有效性。在探究過程中，面對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中的新發(fā)現(xiàn)、學(xué)生思維定勢(shì)的困擾、所學(xué)概念的遷移應(yīng)用等問題，通過進(jìn)階實(shí)驗(yàn)串能夠得到有效的化解，保證學(xué)習(xí)質(zhì)量。最后，對(duì)已經(jīng)得出的結(jié)論也需要通過進(jìn)一步的推理論證，深挖結(jié)論的合理性，實(shí)偽結(jié)合，分析結(jié)論的科學(xué)性。在一系列的進(jìn)階式探究進(jìn)程中，促進(jìn)學(xué)生模型建構(gòu)、推理論證和創(chuàng)新思維的發(fā)展。因此，進(jìn)階實(shí)驗(yàn)串是通往具有發(fā)展性的、有效性的探究實(shí)踐的橋梁，能夠使學(xué)生在探究實(shí)踐中有目標(biāo)、有方法、有反思，從而獲得知識(shí)與能力的增量。

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［責(zé)任編輯：陳國(guó)慶］