巧設(shè)“解暗箱”支架，促進(jìn)科學(xué)思維發(fā)展

潘婷 高譽(yù)銘

【摘? ?要】“解暗箱”是一種獨(dú)特的科學(xué)研究方法，其實(shí)質(zhì)是通過感知事物的外部信息，間接推斷事物內(nèi)在本質(zhì)和屬性，實(shí)現(xiàn)科學(xué)探究的目的。解暗箱是由表及里的思維過程，也是基于現(xiàn)象、證據(jù)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推理論證的過程。在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中，教師可以運(yùn)用解暗箱的原理，巧妙設(shè)計(jì)多感官聚焦支架、多變量探索支架、多技術(shù)融合支架，有效地發(fā)展學(xué)生的推理論證、模型建構(gòu)及創(chuàng)新思維能力。

【關(guān)鍵詞】小學(xué)科學(xué)；解暗箱；支架；思維能力

“解暗箱”是通過感知事物的外部信息，間接推斷事物內(nèi)在本質(zhì)和屬性的一種科學(xué)探究方法。［1］暗箱內(nèi)部狀況難以觀察，需要人們先對(duì)外部信息進(jìn)行觀察與分析，而后對(duì)事物的本質(zhì)形成認(rèn)知，最后作出判斷。小學(xué)科學(xué)學(xué)科涉及許多解暗箱的探究活動(dòng)，例如地球、月球等自然暗箱，家用電路等實(shí)用暗箱，用于習(xí)得科學(xué)新知、掌握科學(xué)方法的模型暗箱，等等。從微觀世界到宏觀世界，從無生命到有生命，從工程技術(shù)到社會(huì)領(lǐng)域……解暗箱都是一種必不可少的研究方法。將這一研究方法運(yùn)用到小學(xué)科學(xué)課堂，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神，提升學(xué)生的認(rèn)知水平與思維能力。

科學(xué)概念的學(xué)習(xí)離不開具體經(jīng)驗(yàn)的支持，強(qiáng)行灌輸?shù)闹R(shí)無法得到有效的遷移和應(yīng)用。借助解暗箱這一支架，能讓學(xué)生的興趣高漲，使學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)得到激發(fā)，幫助學(xué)生從科學(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)系產(chǎn)生全面、深刻的認(rèn)識(shí)，促進(jìn)學(xué)生推理論證思維、模型建構(gòu)思維、創(chuàng)新思維等的發(fā)展。

一、設(shè)計(jì)多感官聚焦支架，建立思維生長點(diǎn)

學(xué)生與暗箱之間產(chǎn)生聯(lián)系，往往是通過自身的感覺，如視覺、聽覺、味覺和觸覺等實(shí)現(xiàn)的。感覺是人類復(fù)雜心理活動(dòng)的基礎(chǔ)，是認(rèn)識(shí)活動(dòng)的開端。暗箱可以幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)開端建立思維的生長點(diǎn)，自主提出有待解決的問題。這些問題在今后的教學(xué)中能讓學(xué)生產(chǎn)生強(qiáng)大的內(nèi)驅(qū)力，促進(jìn)學(xué)生的發(fā)展。

（一）以視覺為主的解暗箱問題支架

以視覺為主的解暗箱問題支架強(qiáng)調(diào)視覺感知和直觀理解。其中，視覺元素是主要的信息載體。教師應(yīng)通過構(gòu)建視覺化的問題支架，幫助學(xué)生從外部觀察出發(fā)，逐步推斷事物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和屬性。以教科版《科學(xué)》二年級(jí)下冊(cè)《磁鐵能吸引什么》一課為例，教師設(shè)計(jì)了如下教學(xué)環(huán)節(jié)。

暗箱設(shè)計(jì)（如圖1）：提前將條形磁鐵裝進(jìn)不透明的盒子里，然后將盒子掛在豎架上，再用線分別系住回形針1、回形針2、小磁針、彩色橡皮筋，線的另一頭固定在支架的底座上，注意線不能過長，保證回形針或小磁針不碰到條形磁鐵末端。

開始，學(xué)生觀察到回形針1停在了空中，回形針2不能停在空中，于是猜想物品的形狀。接著，學(xué)生嘗試用暗箱內(nèi)的條形磁鐵分別吸引小磁針和彩色橡皮筋，同時(shí)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。最后，學(xué)生揭開暗箱，觀察磁鐵本身的形狀、大小，進(jìn)而提出疑問。該過程中，學(xué)生從多個(gè)視角進(jìn)行觀察，產(chǎn)生了解決問題的動(dòng)機(jī)，具體如表1所示。

（二）以聽覺為主的解暗箱交流支架

以聽覺為主的解暗箱交流支架側(cè)重于聽覺感知和交流互動(dòng)。其中，聽覺元素是主要的信息傳遞要素。通過構(gòu)建聽覺化的交流支架，能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)生之間的信息交換和思維碰撞。以教科版《科學(xué)》四年級(jí)上冊(cè)《聲音的強(qiáng)與弱》《聲音的高與低》等課的教學(xué)為例，教師需要對(duì)學(xué)生進(jìn)行聽覺刺激，讓學(xué)生交流聲音的強(qiáng)弱與高低之間的不同，促使學(xué)生自主提出“影響聲音的強(qiáng)弱與高低的因素是什么”等問題。教學(xué)設(shè)計(jì)如下。

暗箱設(shè)計(jì)：拿出一個(gè)不透明的箱子，一側(cè)擋住，另一側(cè)敞開，可以自由拿取物品。

準(zhǔn)備的物品：腰鼓、音叉、尤克里里、鋁片琴等。

操作步驟：先拿出腰鼓、音叉并敲擊，每種物品敲擊兩次，第一次用大小相同的力進(jìn)行敲擊，第二次用大小不同的力進(jìn)行敲擊，接著按音階彈撥尤克里里并敲擊鋁片琴。

學(xué)生聽完聲音后比較音叉、腰鼓、尤克里里和鋁片琴聲音變化的特點(diǎn)，最后教師打開暗箱展示各種物品。學(xué)生根據(jù)以上聲音現(xiàn)象，交流有疑問的地方。通過聽覺來接收、理解和分析信息，可以使學(xué)生的科學(xué)思維向縱深處延展。學(xué)生根據(jù)現(xiàn)象，表達(dá)了自己的問題和疑惑，具體如表2所示。

（三）以味覺和觸覺為主的解暗箱探究支架

在以味覺和觸覺為主的解暗箱探究活動(dòng)中，學(xué)生需要通過探索不同物質(zhì)的味道和觸感，推測(cè)其性質(zhì)或特征。以教科版《科學(xué)》四年級(jí)上冊(cè)《食物在口腔里的變化》一課為例，由于本課涉及的內(nèi)容較多，如唾液消化淀粉時(shí)味覺產(chǎn)生了變化，牙齒有很多種類和作用……教師常常為教學(xué)環(huán)節(jié)的銜接而苦惱。實(shí)際上，教師可以讓學(xué)生親自品嘗面包、蘋果、肉干等食物，從“咀嚼前后食物發(fā)生了什么變化”“味覺發(fā)生了什么變化”“吃不同食物時(shí)，牙齒的參與順序、參與程度是怎么樣的”等方面進(jìn)行探究。學(xué)生邊吃邊學(xué)，深刻理解知識(shí)，建立現(xiàn)實(shí)與模型之間的聯(lián)系。本課學(xué)習(xí)中，學(xué)生根據(jù)現(xiàn)象，提出了自己的問題，具體如表3所示。

二、設(shè)計(jì)多變量探索支架，孕育思維生長點(diǎn)

多變量探索支架是指教師為學(xué)生提供多變的、結(jié)構(gòu)性解暗箱材料。學(xué)生通過對(duì)結(jié)構(gòu)性材料的觀察、操作和思考，能夠建構(gòu)科學(xué)概念，產(chǎn)生正確的科學(xué)認(rèn)知，發(fā)展深層的科學(xué)思維，提升解決復(fù)雜問題的能力。

（一）設(shè)計(jì)多變量暗箱支架，構(gòu)建暗箱模型

構(gòu)建一個(gè)能夠適應(yīng)不同實(shí)驗(yàn)條件的暗箱模型，關(guān)鍵在于根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求靈活調(diào)整暗箱的內(nèi)部布局。教科版《科學(xué)》四年級(jí)下冊(cè)《里面是怎樣連接的》一課是經(jīng)典的電學(xué)解暗箱操作。學(xué)生利用電路檢測(cè)器辨別暗箱中的通路與斷路，分析內(nèi)部可能有的多種電路連接方式。暗箱接線柱之間可以設(shè)計(jì)不同的連接變量，如電池、用電器、導(dǎo)線等。利用電路檢測(cè)器檢驗(yàn)暗箱電路時(shí)，檢測(cè)器中的小燈泡一般會(huì)出現(xiàn)不亮、變亮、變暗、不變四種情況，后三種情況需要比較才能發(fā)現(xiàn)。因此，解決電路暗箱問題，著重提升的是學(xué)生分析問題的全面性和科學(xué)推理的嚴(yán)謹(jǐn)性。

對(duì)于四年級(jí)學(xué)生而言，“簡單電路”是較難理解的概念，內(nèi)部不可見的電路暗箱更難把握。對(duì)此，教師要抓住學(xué)生認(rèn)知障礙的核心，根據(jù)電路各組成部分的特性及檢測(cè)結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生推測(cè)內(nèi)部電路圖，再根據(jù)內(nèi)部電路圖制作一個(gè)“明箱”進(jìn)行驗(yàn)證，最后對(duì)暗箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能作出解釋。學(xué)生需要經(jīng)歷“猜測(cè)—檢測(cè)—驗(yàn)證”的思維過程，具體如圖2所示。

（二）借助多變量暗箱支架，引發(fā)推理論證

學(xué)生在探究多變量暗箱時(shí)，不僅要通過交換觸點(diǎn)反復(fù)進(jìn)行求證，分析電流的流動(dòng)方向和閉合回路的情況，還要間接觀察、推測(cè)、驗(yàn)證小燈泡亮度變化的原因，并對(duì)暗箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能作出基于事實(shí)的解釋。這對(duì)學(xué)生思維的生長以及學(xué)生系統(tǒng)性建立科學(xué)概念有很大幫助。教師以項(xiàng)目任務(wù)的方式出示暗箱，提前告知學(xué)生所有暗箱的內(nèi)部連接方式都是相同的，引導(dǎo)學(xué)生用電路檢測(cè)器檢測(cè)等方式初步了解暗箱的內(nèi)部情況。教學(xué)片段如下。

學(xué)生1：我們的暗箱2-4開始是不亮的，但把電路檢測(cè)器的檢測(cè)頭換了個(gè)方向，2-4就亮起來了！

學(xué)生2：我猜可能有電池在里面，因?yàn)檫@種電子元件是“單行道”，電流是從正極一端流向負(fù)極一端的，如果方向反了就不能連接成功。

教師：如何驗(yàn)證內(nèi)部有電池呢？

學(xué)生3：如果暗箱里真的有電池，那么，拿帶燈泡的兩根導(dǎo)線連接2、4兩個(gè)端點(diǎn)，應(yīng)該就能點(diǎn)亮小燈泡。

學(xué)生4：若暗箱里2、4兩個(gè)端點(diǎn)真的有電池，那電路檢測(cè)器中小燈泡的亮度應(yīng)該比連接1、3兩端的更亮一些。

學(xué)生茅塞頓開，通過驗(yàn)證，暗箱內(nèi)部2、4兩端之間確有電池連接。教師繼續(xù)追問：在不打開暗箱的情況下，如何知道里面安裝了幾顆電池？

學(xué)生1：我們可以根據(jù)推測(cè)圖，用材料（盒子、導(dǎo)線、若干電池）制作一個(gè)電路“明箱”來驗(yàn)證。

各組驗(yàn)證暗箱內(nèi)部放置電池結(jié)構(gòu)（數(shù)量）的問題，與檢測(cè)暗箱時(shí)小燈泡亮度相同或不同的現(xiàn)象進(jìn)行對(duì)比，具體如圖3、圖4、圖5所示。

學(xué)生4：制作明箱時(shí)，我們先選用單顆電池連接2、4兩端，發(fā)現(xiàn)小燈泡沒有暗箱檢測(cè)時(shí)那么亮，因此重新選用兩顆電池。

學(xué)生5：制作明箱時(shí)，我們先選用兩顆電池連接2、4兩端，發(fā)現(xiàn)小燈泡與暗箱檢測(cè)時(shí)的亮度基本一致。

（三）改進(jìn)多變量暗箱支架，培養(yǎng)創(chuàng)新思維

在科學(xué)學(xué)習(xí)中，學(xué)生不僅要掌握概念，還需將概念與現(xiàn)實(shí)世界相結(jié)合，形成對(duì)事物更深層次的理解。特別是在解暗箱探究活動(dòng)中，學(xué)生需要在已有暗箱模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建新的暗箱，將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐。通過構(gòu)建暗箱，學(xué)生不僅能夠鞏固所學(xué)概念，還能發(fā)展創(chuàng)新思維，提升問題解決能力。教師要引導(dǎo)學(xué)生充分發(fā)揮團(tuán)隊(duì)合作的精神，共同設(shè)計(jì)暗箱的結(jié)構(gòu)和功能。為了確保其他小組不能輕易推測(cè)出暗箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，學(xué)生需要對(duì)自己的暗箱進(jìn)行精心設(shè)計(jì)和測(cè)試評(píng)估。遇到問題后還應(yīng)加以改進(jìn)，不斷深化工程思維。從圖6中可以看到，學(xué)生對(duì)暗箱的構(gòu)建經(jīng)歷了從單變量到多變量的過程。暗箱中既設(shè)計(jì)了7號(hào)干電池，又設(shè)計(jì)了小燈泡。在多次增設(shè)變量的過程中，學(xué)生提高了創(chuàng)新思維能力。

三、設(shè)計(jì)多技術(shù)融合支架，找準(zhǔn)思維拓展點(diǎn)

多技術(shù)融合支架是一種創(chuàng)新的教學(xué)工具，它結(jié)合了多種技術(shù)手段，如數(shù)字化工具、物理實(shí)驗(yàn)裝置等，為學(xué)生搭建了一個(gè)全方位、多層次的學(xué)習(xí)平臺(tái)。如教學(xué)教科版《科學(xué)》四年級(jí)上冊(cè)《感受我們的呼吸》一課時(shí)，教師拓展了話題“新冠病毒進(jìn)入我們的身體后會(huì)發(fā)生什么”，并利用數(shù)據(jù)采集分析技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等支架，幫助學(xué)生將暗箱轉(zhuǎn)化為與現(xiàn)實(shí)世界類似的模型，為學(xué)生的思維拓展和發(fā)散提供了可能。

（一）運(yùn)用動(dòng)態(tài)分析支架，助力思維拓展

教師選用動(dòng)態(tài)分析支架，找出學(xué)生的共性特點(diǎn)，準(zhǔn)確把握學(xué)生的學(xué)習(xí)起點(diǎn)，精準(zhǔn)定位教學(xué)重難點(diǎn)，而后有效實(shí)施教學(xué)。課前，教師設(shè)置問題，調(diào)查了學(xué)生對(duì)人體呼吸的前概念。如：參與呼吸的器官有哪些？各器官的工作順序是怎樣的？各器官有哪些結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)？在呼、吸的不同環(huán)節(jié)，氣體成分有哪些不同？課中、課后環(huán)節(jié)，教師及時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)。以調(diào)查呼吸氣體成分的變化為例，教師先出示空氣成分百分比，讓學(xué)生推測(cè)呼出氣體成分所占的百分比。

學(xué)生普遍認(rèn)為氧氣和二氧化碳在人體內(nèi)發(fā)生了交換，這與本課的概念較為吻合。但值得注意的是，部分學(xué)生認(rèn)為氮?dú)獾暮繒?huì)發(fā)生變化，甚至?xí)蝗梭w吸收。對(duì)此，教師在教學(xué)精準(zhǔn)地設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，糾正了學(xué)生的錯(cuò)誤。

（二）運(yùn)用操作平臺(tái)支架，助力思維增長

人體VR圖是學(xué)生學(xué)習(xí)人體知識(shí)、了解呼吸規(guī)律的有效工具。教學(xué)中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生登錄相關(guān)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，通過局部放大、縮小、翻轉(zhuǎn)等操作，自主觀察虛擬的人體呼吸器官以及在呼吸過程中各器官的變化，將不可視的呼吸器官轉(zhuǎn)化為生動(dòng)可視的人體VR圖。學(xué)生根據(jù)原有經(jīng)驗(yàn)畫出氣體的旅行路線，小組交流后拍照上傳至移動(dòng)終端，再利用資源庫的自主篩選、分類、整理功能，推進(jìn)認(rèn)知體系的完善。如在“認(rèn)識(shí)呼吸器官在人體的分布與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)”時(shí)，學(xué)生先畫出人體的呼吸器官圖，然后觀察人體VR圖，并加以修正。

（三）利用影像交互技術(shù)支架，促使思維提高

VR技術(shù)生成的3D影像將學(xué)生模擬為即將進(jìn)入呼吸系統(tǒng)的新冠病毒。病毒經(jīng)歷人體的呼吸過程，按照虛擬的路徑進(jìn)入人體。學(xué)生進(jìn)一步了解了病毒的特性及其與人體之間的聯(lián)系，拓展了視野。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生利用生活材料制作新冠病毒模型。在指導(dǎo)學(xué)生探究氣體的“旅行路線”時(shí)，也可采用“VR+AR”的教學(xué)系統(tǒng)，將平面圖像轉(zhuǎn)化為3D形式。

將移動(dòng)終端和各種軟件與小學(xué)科學(xué)課堂深度融合，可以讓師生、生生之間的互動(dòng)更加充分，探究過程和結(jié)果呈現(xiàn)的方式更加豐富，可以讓科學(xué)暗箱課“變暗為明”，增加學(xué)生探究經(jīng)驗(yàn)，有利于新知的不斷建構(gòu)。需要注意的是，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開展教學(xué)，并不意味著放棄實(shí)物模型教學(xué)等手段。實(shí)踐表明，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生在觀察分析的基礎(chǔ)上，從具體問題中抽象出模型，構(gòu)建模型與現(xiàn)實(shí)之間的聯(lián)系，豐富學(xué)生的探究經(jīng)歷與體驗(yàn)。

實(shí)際教學(xué)中，解暗箱式的課程形態(tài)是豐富多元的。結(jié)合教材的具體內(nèi)容，緊密圍繞解暗箱的基本原理，可以生成形式多樣的教學(xué)樣態(tài)。教師要立足教材，結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知水平，設(shè)計(jì)最佳的解暗箱任務(wù)，使學(xué)生在解暗箱的過程中，逐步建構(gòu)科學(xué)思維，形成求知精神?？傊獍迪涫前l(fā)展學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)較為有效的方法，它在小學(xué)科學(xué)課堂實(shí)踐中有較強(qiáng)的可行性，值得進(jìn)一步應(yīng)用與研究。

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（1.浙江省杭州市行知小學(xué)2.浙江省杭州市桐廬縣橫村小學(xué)）