科學(xué)“雙螺旋結(jié)構(gòu)”課堂的構(gòu)建
——以蘇教版科學(xué)四年級(jí)上冊(cè)“浮力”的教學(xué)為例

江蘇省南京市江寧實(shí)驗(yàn)小學(xué) 張 駿

《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022 年版）》指出，科學(xué)課程要培養(yǎng)的學(xué)生核心素養(yǎng)，主要是指學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)課程的過程中，逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展所需要的正確價(jià)值觀、必備品格和關(guān)鍵能力，包括科學(xué)觀念、科學(xué)思維、探究實(shí)踐、態(tài)度責(zé)任。其中，科學(xué)觀念是素養(yǎng)的基礎(chǔ)；科學(xué)思維是關(guān)鍵能力，是素養(yǎng)的核心；探究實(shí)踐是關(guān)鍵能力，是主要途徑；態(tài)度責(zé)任是必備品格，體現(xiàn)素養(yǎng)的方向性。四者相互依存，體現(xiàn)了科學(xué)課程的育人價(jià)值。從中我們不難看出：科學(xué)思維作為核心素養(yǎng)的核心，對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)起著至關(guān)重要的作用。然而，科學(xué)思維的培養(yǎng)又不能成為空中樓閣，它必須通過一定的載體來實(shí)現(xiàn)，探究實(shí)踐活動(dòng)則是實(shí)現(xiàn)它最好的載體?？稍趯?shí)際教學(xué)實(shí)踐中，重探究活動(dòng)，輕科學(xué)思維，探究活動(dòng)和科學(xué)思維脫節(jié)的現(xiàn)象并不多見，甚至出現(xiàn)只見探究活動(dòng)、不見科學(xué)思維的狀況。下面，筆者以蘇教版科學(xué)四年級(jí)上冊(cè)“浮力”一課為例，具體闡述如何將以實(shí)踐為特征的科學(xué)探究活動(dòng)與科學(xué)思維有機(jī)結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)的提升。

一、“浮力”一課的常見課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

教師引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)“在水中的物體，無論沉浮都受到水的浮力”后，重點(diǎn)帶領(lǐng)學(xué)生研究影響物體沉浮狀態(tài)的因素是什么。四年級(jí)學(xué)生已經(jīng)在三年級(jí)上冊(cè)學(xué)習(xí)過固體和液體的內(nèi)容，能認(rèn)識(shí)到物體具有質(zhì)量、體積等特征。因此，在本節(jié)課中，需要學(xué)生提取質(zhì)量、體積等物體特征的認(rèn)知來解釋影響物體在水中沉浮的可能因素。大多數(shù)教師，直接出示教材中的兩個(gè)主體活動(dòng)內(nèi)容，設(shè)置問題、實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，讓學(xué)生根據(jù)要求操作，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象，再對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行分析思考，從而發(fā)現(xiàn)物體的質(zhì)量和體積會(huì)影響其沉浮狀態(tài)。

從教學(xué)過程來看，看似學(xué)生經(jīng)歷了探究活動(dòng)，活動(dòng)過程中和結(jié)束后，教師也組織學(xué)生進(jìn)行了預(yù)測和對(duì)探究結(jié)果的分析，從而得出科學(xué)結(jié)論?？蓮恼n堂實(shí)際教學(xué)效果來看，學(xué)生更多的是按照教師提供的活動(dòng)步驟一步步操作，關(guān)注點(diǎn)和注意力更多是在對(duì)實(shí)驗(yàn)材料的操作上，而對(duì)物體的沉浮狀態(tài)與物體的質(zhì)量、體積之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)缺乏真正的思維關(guān)注。因?yàn)檎麄€(gè)活動(dòng)是教師安排的，“為什么這樣做？要關(guān)注什么？如何關(guān)注？”等問題，學(xué)生根本沒有真正地思考，科學(xué)思維并沒有真正發(fā)生。

二、“雙螺旋結(jié)構(gòu)”課堂的界定

科學(xué)“雙螺旋結(jié)構(gòu)”課堂是指學(xué)生在進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)時(shí)，架構(gòu)以“活動(dòng)”和“思維”為主線，由“問題”和“證據(jù)”與之相關(guān)聯(lián)，形成一個(gè)穩(wěn)定整體的科學(xué)學(xué)習(xí)課堂。它是一種探究活動(dòng)和科學(xué)思維關(guān)聯(lián)共生、螺旋發(fā)展的做中學(xué)、學(xué)中思的科學(xué)課堂。

“活動(dòng)”是以實(shí)踐為特征的科學(xué)探究活動(dòng)，包括動(dòng)手操作、實(shí)驗(yàn)?zāi)M、信息搜集、觀察考察等。“思維”是以心智為特征的各種思維活動(dòng)， 表現(xiàn)為演繹與歸納、分析與綜合、分類與比較，以及概念、判斷、推理等邏輯思維的過程和形式，用以感受、提取、理解、判斷、選擇、記憶、想象、假設(shè)、推理，并以此指導(dǎo)科學(xué)探究活動(dòng)。兩條螺旋主線通過“問題”和“證據(jù)”貫連構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的課堂架構(gòu)。“問題”是指圍繞某一探究目標(biāo)，在探究活動(dòng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)精心設(shè)計(jì)指向明確的關(guān)鍵問題，由這些具有一定邏輯結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵問題組成問題鏈，環(huán)環(huán)相扣，成為達(dá)成同一目標(biāo)的閉環(huán)的整體結(jié)構(gòu)，問題之間相互關(guān)聯(lián)且具有一定的邏輯關(guān)系，指向共同目標(biāo)。“證據(jù)”是指學(xué)生在科學(xué)探究活動(dòng)中通過觀察、實(shí)驗(yàn)、調(diào)查等多種途徑來獲得事實(shí)和證據(jù)，通過對(duì)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(shí)（證偽）科學(xué)問題的證明鏈條。

三、構(gòu)建“雙螺旋結(jié)構(gòu)”課堂的教學(xué)實(shí)踐

基于以上對(duì)常見科學(xué)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)的剖析和“雙螺旋結(jié)構(gòu)”課堂的認(rèn)識(shí)，筆者對(duì)“浮力”一課的課堂教學(xué)進(jìn)行了重新架構(gòu)。

（一）片段與評(píng)析

1.預(yù)測、實(shí)測物體在水中的沉浮情況，形成認(rèn)知沖突，產(chǎn)生問題

師：請(qǐng)大家仔細(xì)觀察老師帶來的小土豆塊、小鐵釘、大土豆、木塊、玻璃珠、蠟燭，小組內(nèi)相互說說它們?cè)谒惺浅吝€是浮，并說明理由。

四人小組討論，之后全班匯報(bào)。

生1：小鐵釘沉了，因?yàn)樗氰F的；大土豆沉了，因?yàn)樗容^重；小土豆塊浮起來了，因?yàn)樗容^輕；木塊浮起來了，因?yàn)樗容^輕；玻璃珠沉了，因?yàn)樗容^重；蠟燭浮起來了，因?yàn)樗容^輕。

師：有不同的想法嗎？

生2：大土豆是浮的，它雖然較重，但比較大。

生3：蠟燭會(huì)沉下去，因?yàn)樗菍?shí)心的。

……

師：看來，大家的猜測不太一樣哦！大家都有各自的理由，到底猜測得對(duì)不對(duì)呢？我們一起來觀察。

教師將物體逐個(gè)放入水中，讓一名學(xué)生上黑板做記錄，其他學(xué)生觀察沉浮狀態(tài)。學(xué)生發(fā)現(xiàn)小土豆塊是沉下去的，蠟燭是浮上來的，和自己原先的想法不一樣，可又說不清楚到底是怎么回事。

師：物體的大或小、輕或重、空心或?qū)嵭暮孟穸加锌赡茏屛矬w沉或浮，到底是什么在影響物體的沉浮呢？

評(píng)析：通過預(yù)測生活中較常見的物體在水中的沉浮狀態(tài)，充分暴露學(xué)生原有的想法，再通過實(shí)際的操作，學(xué)生發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和自己的想法不太一樣，很自然地就產(chǎn)生了認(rèn)知沖突。在這樣的活動(dòng)中，學(xué)生雖然沒有直接動(dòng)手操作，但通過觀察、討論、交流、質(zhì)疑等一系列活動(dòng)，他們的大腦中已經(jīng)對(duì)物體的沉浮狀態(tài)的預(yù)測及理由都有了充分的思考，并產(chǎn)生了認(rèn)知沖突，自然而然地對(duì)下面的探究充滿了期待，激發(fā)了研究的興趣。

2.任務(wù)驅(qū)動(dòng)：讓小球懸浮在水中，逐步建立起沉浮與質(zhì)量之間的聯(lián)系

在學(xué)生初步認(rèn)識(shí)到物體的體積、質(zhì)量以及是否空心好像都可能影響物體的沉浮情況，而又處于模糊混沌狀態(tài)之時(shí)，筆者沒有直接讓學(xué)生做“體積相同，質(zhì)量不同”和“質(zhì)量相同，體積不同”的操作活動(dòng)，而是以一個(gè)有趣的探究任務(wù)作為驅(qū)動(dòng)，通過一個(gè)個(gè)問題組成的問題串，讓探究活動(dòng)更加有層次，從而引發(fā)學(xué)生不斷地思考，讓科學(xué)思維不斷向前推進(jìn)。

（1）如何讓小黃球懸浮在水中？

教師出示1 號(hào)小黃球，將其放入水中，學(xué)生觀察發(fā)現(xiàn)：浮在水面。出示2 號(hào)小黃球，將其放入水中，學(xué)生觀察發(fā)現(xiàn)：沉入水底。出示3 號(hào)小黃球，將其放入水中，學(xué)生觀察發(fā)現(xiàn)：既沒有浮在水面，也沒有沉入水底，而是懸浮在水的中間。

師：3 號(hào)球很特別，懸浮在水中，想做一個(gè)這樣的小球嗎？如何讓小黃球懸浮在水中呢？

生1：可以在小黃球里裝點(diǎn)重物，如蠟燭之類的東西。

師：你的意思是往小球里加點(diǎn)東西，怎么加呢？

生1：把小球剝開。

師：找一個(gè)可以打開的小球，老師可以提供這樣一個(gè)可以打開的小黃球和一些你所說的重物，也可以用玻璃球來代替。

評(píng)析：通過這個(gè)有挑戰(zhàn)性的任務(wù)驅(qū)動(dòng)，調(diào)動(dòng)了學(xué)生研究的積極性，更重要的是這樣的實(shí)踐活動(dòng)暗含著小球的體積大小是不變的，往里面加玻璃球，實(shí)際上是改變小球的質(zhì)量大小，比較符合學(xué)生的已有認(rèn)知，容易達(dá)成活動(dòng)的預(yù)期目標(biāo)。

（2）怎樣往小黃球里加玻璃球？加多少顆最有可能懸浮？

師：這么多玻璃球，可以采取什么方式往里加呢？

生1：先放1 個(gè)，試試看；再增加1 個(gè)，再試試看，直到懸浮為止。

生2：可以先裝滿，看看能不能懸浮，然后逐漸減少，直到懸浮為止。

生3：可以先加一半，再根據(jù)情況增加或者減少。

師：大家的方法各不相同，都是要不斷地嘗試，直到成功，是不是？大家邊嘗試、邊思考，加多少顆最有可能懸??？

學(xué)生小組嘗試完成任務(wù)。

評(píng)析：雖然加玻璃球的方法不同，但本質(zhì)上卻是相同的，即改變小黃球的質(zhì)量。在這樣的問題對(duì)話中，學(xué)生的探究思路更加清晰，不管采用怎樣的放入順序，先少后多，先多后少，都是要看小黃球的質(zhì)量多少與懸浮之間的聯(lián)系。學(xué)生在探究活動(dòng)前帶著這樣的問題，目的指向會(huì)更明確，思維含量也一定會(huì)得到提升。

（3）是什么在影響小黃球的沉浮？

學(xué)生通過不斷的嘗試，發(fā)現(xiàn)不管用哪種順序放玻璃球，最終都是放8 顆玻璃球能讓小黃球最接近懸浮狀態(tài)。筆者沒有止步于這樣的結(jié)論，而是引導(dǎo)學(xué)生對(duì)整個(gè)過程進(jìn)行梳理和分析——

師：是什么在影響小黃球的沉浮呢？

生：小黃球里面玻璃球的數(shù)量是多少。

師：改變玻璃球數(shù)量的多少其實(shí)就是改變了什么？

生：小黃球的質(zhì)量大小。

師：質(zhì)量大小會(huì)影響小黃球的沉浮嗎？

生（齊）：會(huì)。

師：怎么影響的呢？

生1：質(zhì)量大，小黃球就會(huì)沉；質(zhì)量小，小黃球就會(huì)浮。如加1 顆玻璃球，用手掂量掂量，比較輕，放入水中會(huì)浮起來；加9 顆玻璃球，用手掂量掂量，比較重，放入水中會(huì)沉下去。

生2：我們組有一個(gè)疑問，剛開始我們看到木塊質(zhì)量也不小，為什么它也是浮上來的呢？

師：非常好的問題，看來我們這個(gè)結(jié)論好像有問題哦！

（學(xué)生有點(diǎn)懵）

師：剛才我們研究的都是同一個(gè)小黃球，什么是一樣的？

生（齊）：大小。

師：也就是體積相同，是要有前提條件的，怎樣修正這句話？

生3：相同體積情況下，質(zhì)量大，會(huì)沉；質(zhì)量小，會(huì)浮。

師：相同體積，質(zhì)量大，一定會(huì)沉嗎？質(zhì)量小，一定會(huì)浮嗎？

（學(xué)生又陷入沉思）

師：讓我們還原剛才的研究過程，將不同質(zhì)量的小球并排放入水中，你們發(fā)現(xiàn)了什么？

生4：相同體積，質(zhì)量越大，越容易下沉；質(zhì)量越小，越容易上浮。

評(píng)析：學(xué)生看似無序地在不斷嘗試操作，實(shí)則在他們的頭腦中必定會(huì)堅(jiān)持一個(gè)想法，就是要找一個(gè)合適的重量才行，而這恰恰指向了最核心的因素——質(zhì)量。因此，當(dāng)教師問到是什么在影響小黃球的沉浮時(shí)，學(xué)生必然想到其質(zhì)量大小。但質(zhì)量大小又是如何影響物體沉浮的，學(xué)生還不能準(zhǔn)確地建立起兩者之間的聯(lián)系，教師通過不斷的追問，并幫助學(xué)生回顧并還原之前的探究現(xiàn)象，作為有力的證據(jù)來逐步明晰物體沉浮與質(zhì)量大小之間的關(guān)系。通過問題和證據(jù)的關(guān)聯(lián)，學(xué)生的探究活動(dòng)必然伴隨著科學(xué)思維的參與，并且不斷走向深入。

3.觀察、比較相同質(zhì)量的小球的沉浮，建立沉浮與體積之間的聯(lián)系

在明晰了小黃球的質(zhì)量大小與沉浮的關(guān)系后，筆者順勢拿出兩個(gè)質(zhì)量相同但大小不同的小黃球，提問：這兩個(gè)球質(zhì)量相同，放入水中又會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象呢？你們的理由是什么？

生1：都會(huì)沉，或者都會(huì)浮。因?yàn)樗鼈冑|(zhì)量相同。

生2：不一定。因?yàn)樗鼈冸m然質(zhì)量相同，但大小不一樣。我認(rèn)為大的會(huì)浮，小的會(huì)沉。

生3：我也認(rèn)為不一定，但我認(rèn)為大的會(huì)沉，小的會(huì)浮。

（教師操作，學(xué)生觀察）

師：你們發(fā)現(xiàn)了什么現(xiàn)象？能不能也用一句話來描述你觀察到的結(jié)果。

生：質(zhì)量相同的球，體積大的容易浮，體積小的容易沉。

評(píng)析：此問題的提出很自然地延續(xù)了前一個(gè)活動(dòng)環(huán)節(jié)，也符合學(xué)生的學(xué)習(xí)邏輯。教師雖然沒有讓學(xué)生自己動(dòng)手操作，但學(xué)生能依據(jù)前面的研究結(jié)果發(fā)表自己的觀點(diǎn)，產(chǎn)生新的認(rèn)知沖突。再通過對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，利用新的證據(jù)來佐證自己的觀點(diǎn)，從而分析歸納出物體沉浮與體積之間的關(guān)系。在整個(gè)活動(dòng)中，學(xué)生始終在不斷地思考，活動(dòng)與思維如影隨形，相依相伴。

4.總結(jié)歸納沉浮規(guī)律，拓展延伸，引發(fā)進(jìn)一步思考

師：通過剛才的研究，你們認(rèn)為物體的沉浮到底與什么因素有關(guān)呢？

生1：物體的沉浮既與質(zhì)量大小有關(guān)系，也與體積大小有關(guān)系。

生2：體積相同，質(zhì)量大容易沉，質(zhì)量小容易??；質(zhì)量相同，體積大容易浮，體積小容易沉。

生3：在體積相同的情況下，要看它們的質(zhì)量大??；在質(zhì)量相同的情況下，要看它們的體積大??；不能只比質(zhì)量，也不能只比體積，要兩者結(jié)合起來分析。

……

師：還記得開始上課的時(shí)候，我們發(fā)現(xiàn)大土豆和小土豆的質(zhì)量不同，體積也不同，可都是沉入水底的，又是怎么回事呢？看來物體沉浮的秘密還真不少呢？讓我們帶著這個(gè)問題課后繼續(xù)研究吧。

評(píng)析：在初步總結(jié)歸納影響物體沉浮的因素后，并不代表探究活動(dòng)的結(jié)束。在真實(shí)的情景中，并不會(huì)正好出現(xiàn)相同質(zhì)量和相同體積的物體讓學(xué)生去比較，剛上課時(shí)設(shè)置的情境恰恰提供了這樣的教學(xué)資源。不同物體或者相同物體，質(zhì)量和體積都不一樣，又如何去判斷它的沉浮，影響沉浮的因素又是什么？通過這樣的問題，再次引發(fā)學(xué)生深思，活動(dòng)與思維交織著螺旋式上升，直抵物體沉浮的本質(zhì)。雖然以四年級(jí)學(xué)生的知識(shí)水平和認(rèn)知能力暫時(shí)無法真正理解，但它會(huì)促使學(xué)生始終保持著探究的興趣和動(dòng)力，促使學(xué)生不斷地尋找證據(jù)來證明自己的觀點(diǎn)，從而將思維引向更深處。

（二）整體解讀

1.情境場：呈現(xiàn)已有經(jīng)驗(yàn)，引發(fā)認(rèn)知沖突

認(rèn)知心理學(xué)理論認(rèn)為，學(xué)生真正地學(xué)習(xí)的過程是認(rèn)知結(jié)構(gòu)不斷改造拓展的過程。首先，教師通過呈現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的常見物體，讓學(xué)生根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)對(duì)其沉浮情況進(jìn)行預(yù)測，再與實(shí)際觀察到的現(xiàn)象做比較，引發(fā)認(rèn)知沖突，產(chǎn)生真實(shí)而有價(jià)值的問題，激發(fā)其探究動(dòng)機(jī)。其次，在“讓小黃球懸浮在水中”的情境任務(wù)中，學(xué)生是帶著已有的經(jīng)驗(yàn)來嘗試的，即要有適當(dāng)?shù)闹亓俊W(xué)生在不斷地調(diào)試過程中逐步解決問題，但教師和同伴的追問、質(zhì)疑又引發(fā)了新的認(rèn)知沖突。學(xué)生始終在教師創(chuàng)設(shè)的情境中發(fā)現(xiàn)問題，提出疑問，認(rèn)知結(jié)構(gòu)得到不斷改進(jìn)和提升。

2.問題串：讓活動(dòng)有層次，讓思維有連貫

思維總是由問題引發(fā)并圍繞問題展開的，問題是學(xué)習(xí)的核心，也是學(xué)生思維發(fā)展的動(dòng)力和方向。縱觀整節(jié)課，若干個(gè)關(guān)鍵問題，形成連貫的問題串，將整個(gè)探究活動(dòng)連成一個(gè)有機(jī)整體。一系列關(guān)鍵問題，貫穿在課堂中，相互關(guān)聯(lián)，不斷遞進(jìn)，使活動(dòng)更加有層次，讓學(xué)生的思維有一定的連續(xù)性，讓活動(dòng)和思維兩條線關(guān)聯(lián)共生、螺旋式上升，最終指向核心目標(biāo)。

3.證據(jù)鏈：在“論”中推理，在“證”中建構(gòu)

科學(xué)思維是從科學(xué)的視角對(duì)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)知方式。推理論證作為其主要方式之一，要能合理分析與綜合判斷各種信息、事實(shí)和證據(jù)，運(yùn)用證據(jù)對(duì)研究的問題進(jìn)行描述、解釋和預(yù)測，基于證據(jù)與邏輯，建立證據(jù)與解釋之間的關(guān)系并提出合理見解?？梢?，證據(jù)在推理論證中起著至關(guān)重要的作用。本課中，教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)“如何讓小球懸浮在水中？”和“質(zhì)量相同、體積不同的小球沉浮狀態(tài)一樣嗎？”提出自己的觀點(diǎn)，尋找證據(jù)，并通過對(duì)證據(jù)進(jìn)行提取、整理、組合，形成一個(gè)有內(nèi)在邏輯聯(lián)系的證據(jù)鏈，用科學(xué)的語言把推理論證過程中直觀、零散的發(fā)現(xiàn)進(jìn)行概括和整理，建立證據(jù)與觀點(diǎn)之間的聯(lián)系，證明自己的觀點(diǎn)，從而建構(gòu)有條理、有內(nèi)在邏輯的科學(xué)概念。這樣的證據(jù)鏈，分別對(duì)應(yīng)著相關(guān)的問題，緊密結(jié)合在一起，共同推動(dòng)著活動(dòng)和思維向深處發(fā)展，有利于學(xué)生將探究結(jié)果和概念有機(jī)聯(lián)系起來，也有利于促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解。