以《比較相同距離內(nèi)運(yùn)動(dòng)的快慢》實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例剖析思維型科學(xué)探究

〔摘" "要〕" 科學(xué)思維的培養(yǎng)需要學(xué)生經(jīng)歷激發(fā)動(dòng)機(jī)—構(gòu)建沖突—自主建構(gòu)—自我監(jiān)控—反思遷移等過程，而科學(xué)探究的要素則包括提出問題、做出假設(shè)、制訂計(jì)劃、搜集證據(jù)、處理信息、得出結(jié)論、表達(dá)交流和反思評價(jià)等?？茖W(xué)思維的發(fā)展是促進(jìn)學(xué)生科學(xué)探究能力發(fā)展的關(guān)鍵因素。思維型科學(xué)探究的培養(yǎng)需要學(xué)生自主參與，合作探究，共同實(shí)現(xiàn)。自主參與以自主建構(gòu)為基礎(chǔ)、以自我監(jiān)控作為保障。本文以《比較相同距離內(nèi)運(yùn)動(dòng)的快慢》為例，詳細(xì)闡述了思維型科學(xué)探究在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。

〔關(guān)鍵詞〕" 小學(xué)科學(xué)；思維型科學(xué)探究；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

〔中圖分類號〕" G424" " " " " " " " 〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕" A" " " " "〔文章編號〕" 1674-6317" " （2024）" 20" " 055-057

一、思維型科學(xué)探究起源及教學(xué)模型

科學(xué)教育領(lǐng)域提出科學(xué)探究的初衷，是以科學(xué)探究教學(xué)來實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練學(xué)生思維之目的。隨著教育改革的深入，科學(xué)探究既為過程也為目標(biāo)的“多重身份”，讓我們有一個(gè)全新的角度審視它——以思維作為科學(xué)探究的核心。2022年版《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》指出，科學(xué)思維是從科學(xué)的視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式，包括了模型建構(gòu)、推理論證、創(chuàng)新思維等。科學(xué)思維的培養(yǎng)需要學(xué)生經(jīng)歷激發(fā)動(dòng)機(jī)—構(gòu)建沖突—自主建構(gòu)—自我監(jiān)控—反思遷移等過程，而科學(xué)探究的要素則包括提出問題、做出假設(shè)、制訂計(jì)劃、搜集證據(jù)、處理信息、得出結(jié)論、表達(dá)交流和反思評價(jià)等?？茖W(xué)思維的發(fā)展是促進(jìn)學(xué)生科學(xué)探究能力發(fā)展的關(guān)鍵因素。

思維型科學(xué)探究的培養(yǎng)需要學(xué)生自主參與，合作探究，共同實(shí)現(xiàn)。自主參與以自主建構(gòu)為基礎(chǔ)、以自我監(jiān)控作為保障。而學(xué)生的認(rèn)知建構(gòu)（即已有生活經(jīng)驗(yàn)和已有知識(shí)）和社會(huì)建構(gòu)（即師生、生生課堂上的思維、情感、行為互動(dòng)）又是學(xué)生自主建構(gòu)的主要構(gòu)成模塊。合作探究是一種具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)方式，在思維型科學(xué)探究的教學(xué)中更有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)家的合作探究過程。

二、思維型科學(xué)探究的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容剖析

《比較相同距離內(nèi)運(yùn)動(dòng)的快慢》是小學(xué)科學(xué)教科版三年級下冊第一單元“物體的運(yùn)動(dòng)”的第五課。學(xué)生在前一課實(shí)驗(yàn)探究中留意到斜面上物體運(yùn)動(dòng)有快有慢，本課和后一課又引導(dǎo)學(xué)生正確使用工具進(jìn)行測量，因此，本課在教材中起到承上啟下的作用。本課探索板塊主要由三部分組成：第一步，通過了解不同物體運(yùn)動(dòng)相同距離所需時(shí)間，比較快慢；第二步，在兩條一樣長的軌道上，比較物體運(yùn)動(dòng)快慢；第三步，在同一條軌道上比較物體運(yùn)動(dòng)的快慢。三個(gè)探索活動(dòng)通過激活經(jīng)驗(yàn)—限定長度、同時(shí)運(yùn)動(dòng)—限定長度、秒表計(jì)時(shí)的方式引導(dǎo)學(xué)生思維層層深入。

2022年版《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》強(qiáng)調(diào)學(xué)生的科學(xué)核心素養(yǎng)由科學(xué)觀念、科學(xué)思維、探究實(shí)踐、態(tài)度責(zé)任四個(gè)維度組成。在深度解讀教材內(nèi)容的基礎(chǔ)上，回歸課標(biāo)、把握素養(yǎng)，確定教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)重難點(diǎn)、教學(xué)方法等。因此，從學(xué)科核心概念、跨學(xué)科概念、學(xué)習(xí)內(nèi)容、內(nèi)容要求出發(fā)，結(jié)合學(xué)生前概念，分析本課教材，并制定了本課學(xué)業(yè)要求、教學(xué)策略、學(xué)業(yè)質(zhì)量描述及對應(yīng)核心素養(yǎng)的年級特征，讓教學(xué)有的放矢。

三、思維型科學(xué)探究的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施

（一）引入真實(shí)情境，發(fā)散提出問題

教學(xué)情境的創(chuàng)設(shè)是引導(dǎo)學(xué)生理解科學(xué)觀念、激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、主動(dòng)進(jìn)行科學(xué)探究的先決條件。原教材設(shè)置了“動(dòng)物王國賽跑，并給獵豹、兔子、羚羊、斑馬、大象、黑熊六種動(dòng)物按照運(yùn)動(dòng)快慢排列名次”的問題情境。雖然該情境活潑可愛，但對于大部分學(xué)生來說較為陌生。因此，在教學(xué)中，筆者替換了這部分情境，以我校開展校運(yùn)會(huì)，學(xué)生參加100米比賽時(shí)的比賽視頻引入?！靶＿\(yùn)會(huì)”這一真情境貼合學(xué)生實(shí)際生活，很容易引起學(xué)生的興趣，從而真正實(shí)現(xiàn)“激趣導(dǎo)入”，也更加自然地聚焦了本節(jié)課的研究問題：各種物體運(yùn)動(dòng)快慢不一，怎樣比較它們運(yùn)動(dòng)的快慢？

三年級學(xué)生在進(jìn)行科學(xué)探究時(shí)，主要通過觀察科學(xué)現(xiàn)象，將其與有關(guān)經(jīng)驗(yàn)及已有科學(xué)概念建立聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)觸及最近發(fā)展區(qū)的目的。在真情境中，部分學(xué)生觀看筆者拍攝的運(yùn)動(dòng)會(huì)視頻后，能發(fā)散思維，從多角度提出不同問題，其中有學(xué)生提出疑問：“如果兩個(gè)運(yùn)動(dòng)員的速度十分接近，又該如何判斷他們的快慢呢？”這是學(xué)生經(jīng)過觀察、聯(lián)想、發(fā)散、分析、比較等形成的高認(rèn)知問題，而高認(rèn)知問題的提出更容易引起學(xué)生的認(rèn)知沖突、激發(fā)其動(dòng)機(jī)水平，從而激發(fā)學(xué)生積極思維，促使其真思考。

（二）創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)器材，經(jīng)歷深度探究

三年級學(xué)生在開展科學(xué)探究時(shí)，由于其處在具體運(yùn)算階段，具體形象思維較強(qiáng)，更容易根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)對兩個(gè)事物做出簡單的比較。因此在“初探究”時(shí)，筆者提供給學(xué)生兩個(gè)速度快慢有明顯差異的小球，分別代表參加校運(yùn)動(dòng)比賽項(xiàng)目的兩個(gè)學(xué)生A和B，以比較兩者運(yùn)動(dòng)快慢。學(xué)生通過小組合作探究，利用長度相同的軌道，通過單一變量的對比實(shí)驗(yàn)，能夠較輕松地“以觀察兩個(gè)小球到達(dá)終點(diǎn)的先后順序”為依據(jù)，判斷小球運(yùn)動(dòng)速度的快慢。而這一探究環(huán)節(jié)與情境導(dǎo)入的“觀察校運(yùn)會(huì)視頻確定運(yùn)動(dòng)員的比賽名次”一一對應(yīng)。

“再探究”環(huán)節(jié)中，學(xué)生著力解決“如果兩個(gè)運(yùn)動(dòng)員速度十分接近，又該如何判斷他們的快慢呢？”這一問題。大部分學(xué)生能夠聯(lián)系生活經(jīng)驗(yàn)，聯(lián)想到在體育課上教師使用秒表計(jì)時(shí)的場景。因而在這一環(huán)節(jié)中，學(xué)生自行找到了適合的探究工具——秒表。但當(dāng)學(xué)生進(jìn)一步開展探究時(shí)卻發(fā)現(xiàn)，由于秒表的精度較低，以及組員間的配合問題，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效果不佳——在“初探究”中有明顯快慢差異的小球，用秒表計(jì)時(shí)后卻顯示通過相同軌道所用時(shí)間相同，這給學(xué)生造成極大的困惑。不少課堂在這一環(huán)節(jié)就草草收場，以秒表有誤差或精度不佳敷衍過去。但學(xué)生的思維并沒有得到有效流動(dòng)，而是停滯在此，甚至對引入工具產(chǎn)生了疑惑——難道使用計(jì)時(shí)工具還不如肉眼觀察效果好嗎？

此刻，問題解決方案也隨即呈現(xiàn)——更換更加精確和靈敏的計(jì)時(shí)工具，并要保證小球自由滾落。由此滿足以上條件的“數(shù)顯可調(diào)節(jié)軌道器材”在學(xué)生的思維碰撞下應(yīng)運(yùn)而生了——該器材由可調(diào)節(jié)伸縮軌道、激光感應(yīng)計(jì)時(shí)器、復(fù)位器、激光觸發(fā)器組成。其使用方法和工作原理為：當(dāng)小球出發(fā)時(shí)擋住了激光1射出的激光，觸發(fā)啟動(dòng)計(jì)時(shí)；當(dāng)小球到達(dá)終點(diǎn)擋住激光2射出的激光時(shí)，終止計(jì)時(shí)，此時(shí)記錄數(shù)據(jù)后按下復(fù)位器即可進(jìn)行下一輪計(jì)時(shí)。該儀器能有效捕捉小球運(yùn)動(dòng)瞬間，將計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)至毫秒，大大提升實(shí)驗(yàn)效率的同時(shí)，也提高了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可信度，解決了“初探究”和“再探究”中實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)矛盾的情況。而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠的深度探究才是有利于學(xué)生思維發(fā)展的真探究。

（三）尋找身邊材料，初建系統(tǒng)模型

2022年版《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》指出：模型建構(gòu)體現(xiàn)在以經(jīng)驗(yàn)事實(shí)為基礎(chǔ)，對客觀事物進(jìn)行抽象和概括，進(jìn)而建構(gòu)模型；能運(yùn)用模型分析、解釋現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、關(guān)系及變化過程。

蘭本達(dá)曾說，材料引起經(jīng)歷。多元化、生活化、建構(gòu)性的材料更有利于學(xué)生經(jīng)歷思維型科學(xué)探究，讓學(xué)生更容易觸及其“最近發(fā)展區(qū)”。因此，在學(xué)生能夠利用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)器材順利進(jìn)行試驗(yàn)后，筆者引導(dǎo)學(xué)生大膽尋找身邊的物品展開探究，除了教材中提供的兩個(gè)小球外，將泡沫小球、金屬小球、玻璃小球等身邊的物品逐步添加到“材料超市”中。實(shí)驗(yàn)小球的豐富多彩，有利于幫助學(xué)生核心概念從特殊到一般的歸納，從而初步建立一個(gè)能比較快慢的系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)從3～4年級“知道運(yùn)動(dòng)有快慢和不同類型，快慢可用速度表征”向5～6年級“速度有大小和方向”，以及7～9年級“理解速度的定義、單位和計(jì)算”的學(xué)習(xí)進(jìn)階。

（四）巧用信息技術(shù)，滲透數(shù)據(jù)意識(shí)

在數(shù)據(jù)處理及交流匯報(bào)環(huán)節(jié)中，筆者巧用信息技術(shù)，將不同材料小球經(jīng)過3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)后的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為更加直觀的條形圖。學(xué)生在觀察本組數(shù)據(jù)時(shí)，可以在獨(dú)立的高層次思維活動(dòng)引領(lǐng)下，分析、比較、歸納出各類型小球運(yùn)動(dòng)速度的特點(diǎn)。這確保了學(xué)生在科學(xué)探究中順利完成個(gè)人建構(gòu)。

筆者通過創(chuàng)設(shè)有利于學(xué)生交流合作的社會(huì)文化環(huán)境，輔以多媒體手段和圖表實(shí)時(shí)生成技術(shù)，組織學(xué)生通過觀察全班數(shù)據(jù)圖，利用對比、分析、綜合、評價(jià)等思維方式，互相交流彼此間的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，從而清晰闡述個(gè)人建構(gòu)形成的科學(xué)解釋。同時(shí)能對他人的解釋提出合理問題，并為自己的闡述進(jìn)行辯護(hù)，以發(fā)展合作探究素養(yǎng)。

（五）結(jié)合評價(jià)量表，助力自我監(jiān)控

由于思維型科學(xué)探究的復(fù)雜性，需要一個(gè)主體多元、內(nèi)容全面的綜合評價(jià)體系。因而其評價(jià)要從發(fā)展學(xué)生的關(guān)鍵能力和必備品格出發(fā)，以科學(xué)核心素養(yǎng)的培育為抓手，考查學(xué)生科學(xué)觀念、科學(xué)思維、探究實(shí)踐和態(tài)度責(zé)任等素養(yǎng)的發(fā)展。自我監(jiān)控作為自主學(xué)習(xí)的保障，教師應(yīng)充分重視并鼓勵(lì)學(xué)生大膽進(jìn)行自我監(jiān)控、自主參與學(xué)習(xí)。

在該課例中，筆者在學(xué)生經(jīng)歷“提問—猜想—計(jì)劃—實(shí)施—研討—改進(jìn)”的探究全過程后，又引導(dǎo)學(xué)生系統(tǒng)地對探究過程進(jìn)行批判性回顧，以分析、比較、概括等思維方式，對科學(xué)探究過程進(jìn)行反思和自我評價(jià)，而評價(jià)依據(jù)則是《比較相同距離內(nèi)運(yùn)動(dòng)的快慢》學(xué)習(xí)評價(jià)表。依據(jù)學(xué)習(xí)評價(jià)表，學(xué)生能積極主動(dòng)地自我檢查、自我評價(jià)和自我調(diào)節(jié)，保證學(xué)有所依、學(xué)有所評。這不僅能推動(dòng)學(xué)生完成最終的學(xué)習(xí)目標(biāo)，使學(xué)習(xí)活動(dòng)真實(shí)發(fā)生，也有助于教師監(jiān)控學(xué)習(xí)活動(dòng)，及時(shí)為學(xué)生提供幫助，真正做到“教學(xué)評一體化”。

（六）運(yùn)用核心概念，遷移拓展生活

核心素養(yǎng)強(qiáng)調(diào)在真實(shí)情境中解決復(fù)雜的問題。不少學(xué)生通過這樣一場深度的科學(xué)探究，已經(jīng)能自我總結(jié)歸納出“兩個(gè)物體同時(shí)運(yùn)動(dòng)相同的距離，用時(shí)短的運(yùn)動(dòng)得快”，“不論有幾個(gè)物體同時(shí)運(yùn)動(dòng)，只要用時(shí)短就是更快的”，“即使物體不同時(shí)運(yùn)動(dòng)，只要保證它們運(yùn)動(dòng)的距離相同，用時(shí)短的就快”。探究后的交流又一次形成思維的碰撞，從特殊（兩個(gè)物體、同時(shí)運(yùn)動(dòng)）到一般（多個(gè)物體、不同時(shí)運(yùn)動(dòng)）的歸納已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了抽象與概括的初步進(jìn)階，同時(shí)也為接下來學(xué)習(xí)“比較相同時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)的快慢”打下了基礎(chǔ)。

思維型科學(xué)探究的最終歸宿是回到生活中，運(yùn)用所學(xué)解決真實(shí)情境下的復(fù)雜問題。因此，當(dāng)筆者以一個(gè)奧運(yùn)會(huì)的比賽視頻引起學(xué)生注意時(shí)，不少學(xué)生發(fā)現(xiàn)，在競技程度高的體育場所，運(yùn)動(dòng)員之間的水平不相上下，僅僅依靠秒表或激光計(jì)時(shí)器是沒有辦法準(zhǔn)確判斷運(yùn)動(dòng)員用時(shí)的。這時(shí)，筆者介紹光感應(yīng)終點(diǎn)攝影機(jī)和光電子眼，能夠精準(zhǔn)記錄下每個(gè)運(yùn)動(dòng)員到達(dá)終點(diǎn)的時(shí)間。由此，學(xué)生感受到科技進(jìn)步為社會(huì)發(fā)展提供了強(qiáng)大支撐，以此激勵(lì)學(xué)生從小學(xué)科學(xué)、愛科學(xué)、用科學(xué)。

至此，學(xué)生經(jīng)歷了一次全過程的思維型科學(xué)探究，其思維不再僅限于觀察后的知道、記憶、了解、運(yùn)用等低階思維，而是以科學(xué)探究為思維生長點(diǎn)，逐步螺旋式上升，向思考后的分析、綜合、評價(jià)、創(chuàng)造等高階思維過渡。

【基金項(xiàng)目：本文系福建省電教館立項(xiàng)課題“信息技術(shù)支持下的小學(xué)生本課堂案例研究”的研究成果，立項(xiàng)批準(zhǔn)號：閩電教館KT23008】

【本文創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)材料——數(shù)顯可調(diào)節(jié)軌道器材獲2023年福建省中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)說課“小學(xué)科學(xué)”組三等獎(jiǎng)】

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