科学教学中“有结构的材料”之反思与建构

科学教学中“有结构的材料”之反思与建构冯毅作者简介：冯毅（1974-），男，江苏南京人，硕士，中小学高级教师，南京市琅珊路小学副校长，新编苏教版《科学》教材编写组成员（江苏南京210024）。原发信息：《现代中小学教育》（长春）2020年第202011期第47-50页内容提要：在小学科学教学中，应设计有结构的材料供学生展开探究。然而，由于对材料结构性认识上的偏差，造成教学实践中材料设计唯知识点、去思维化、过精致化的倾向。教师须正确认识材料结构性的内涵，将材料组成与概念有关、能够激活思维发生且合乎学生认知特点的结构。在教学设计中，教师应紧扣事物关系、思维过程和学情分析建构材料，充分发挥有结构的材料的应有价值。科学教学/材料/结构性/小学/科学探究期刊名称：《素质教育》复印期号：2021年02期材料是学生在科学课上开展科学探究活动的物质基础，材料的设计是教学设计的重要内容。随着小学科学课程与教学改革日渐深化，科学课教学中要运用有结构的材料这一理念已经为大家所接受，很多教师将其作为座右铭，来指导自己的教学实践。对小学科学教学而言，设计有结构的材性，是这个目的在引领并驱动学生完成这个活动，从而达成既定的目标。因此，好的材料结构总是能够将学生的关注点吸引在材料本身，吸引在材料与自身力量之间的关系上，从而发现事物的规律，形成自己的解释。好的材料不会引起转移目标的活动发生。以新编苏教版小学《科学》教材二年级下册"推和拉”一课的教学为例。这是小学阶段建构"力"的概念的起始课。因为面向的是二年级的孩子，所以不可能讲得过深，而是从产生力的两种最基本的方式入手，引导学生认识推力和拉力这两种最基本的力，进而了解力有大小、有方向。教师设计了一个“推箱子”的游戏活动，选用大号的硬塑料筐，大小正适合一个二年级的孩子坐在其中，让学生玩推、拉同学的活动。游戏开始了，孩子们开心地玩起来，欢笑声不断。推和拉这两个动作并不陌生，但是对二年级的孩子来说，推、拉这么重的物体还是没有过的，是一个不小的挑战。在屡次推拉之后，他们已经气喘吁吁。这时候，教师把孩子们聚拢起来进行讨论。有很多孩子还喘着粗气，捏着酸胀的肌肉，巴不得休息一会儿，可脑子里的想法却被身体的体验激活，源源不断地涌出来："物体越重需要的力就越大""用很大的力推轻的物体速度更快""要改变箱子运动的方向就要改变用力的方向""用力的方向和箱子运动的方向是一样的"……有的孩子为了把想法表达更清楚，还在黑板画起了力的"示意图"。这一活动为什么会取得很好的效果？因为它直接着眼于学生的身体，调动了学生身体的感受，而这样一种强烈的感受也极大地刺激了学生的思维。学生一边做一边想，想得很深、很透，经验得到有效积累。可以预见，这些鲜活的经验必将像能量一样蓄积在学生的身体之中，为〃力〃的概念的建构贡献力量。总之，在小学科学教学中设计有结构的材料，既要深刻地理解材料结构性的准确内涵，全面、整体地把握其核心要义，又要抓准关键节点，从点上突破，串成线，连成面，系统建构，确保材料的结构性不变形、不走样，这样才能更好实现为理解而教、为思维而教、促进学生科学素养开展的价值目标。料不只是教具准备，它决定了教学的内容和方式。从教的角度看，材料的设计决定了教什么、怎么教；从学的角度看，材料的设计决定了学什么和怎么学，可谓牵一发而动全身。一、”有结构的材料"之惑是不是把一堆材料组合在一起就是有结构的材料？答案是否认的。相反，从小学科学课堂教学的实际效果来看，有些冠以有结构的材料之名的材料设计尚存在一些问题，表现出一些错误倾向，值得我们关注与反思。具体表现在以下方面：1.唯知识点有些所谓有结构的材料设计并不是以概念的建构与开展为目的，而是以达成某个确定的知识点为导向。概念建构的机制是复杂的，而知识点却是明确无误的，避重就轻就成了一种选择。有的教师不会给学生太多与材料亲密接触的机会，一般也不会预置更多的材料供学生支配以增加认识的丰富性，更不会预设学生按自己的路子探究材料获得独特发现的机会。在这里，材料的结构性异化为一种得出结论的统一步骤，不管是材料的提供，还是操作上的设计，都是为了导向一个准确的结果。材料沦为教师讲授知识点、验证结论正确性的摆设。设计这样的材料供学生操作与探究，不利于纠正学生错误的概念，对概念开展意义不大。2去思维化有些所谓有结构的材料设计并不是为了通过操作引发学生的思考，而是让学生在既定的操作步骤的指引下亦步亦趋。由于结果早就确定，过程与方法已经预设，学生的思路也仿佛被定制了一般，不需要太多思维活动的参与，更谈不上高阶思维的调动。学生要么不知道为什么要操作手边的材料，要么通过对材料的简单操作就能看到现象。在现象与结论之间，本应是思维广阔的用武之地，但是材料组合方式所构成的强烈的指向性消减了思维的必要性。试问：如果学生操作每一样材料都不假思索，对材料之间的关系不作深究，那材料的结构性表达在哪里呢？这样的"结构"又有何用？3.过精致化有些所谓有结构材料的设计，其目的不是为了细致地梳理学生的探究过程、认知活动，而是以"高效"地到达探究的结果为取向。既然要"高效"，那就容不得学生在材料上花太多的时间，那些看上去粗糙的材料被抛弃了，换之以精心加工过的材料，其好处在于能够更快地得出结果。但是，加工的痕迹越重，材料就越容易脱离其在自然界和生活中本来的样貌，造成学生认识上的隔离。更有甚者，有的教师一味追求效果，选用了超出学生能力范围的材料，导致学生理解上的困难，虽然感叹现象的神奇，但是不明就里、不得要领，这样一种过精致化的结构化也是不可取的。二、材料的结构性之辨造成上述问题（困惑）的原因很多，其中，有些教师对什么才是有结构的材料理解上存在偏差是根本原因。当前，关于材料结构性的研究比拟多地集中在“如何做"的视角，讨论的话题诸如"如何选择有结构的材料""如何使选择的材料有结构"等［1］。这些探讨当然是非常重要的，但是，在有结构的材料"是什么"这个更重要的问题上，教师们的探讨显得不够深入。笔者认为，恰恰是对材料结构性本体研究缺乏造成了对这一概念的误读，导致诸多问题。假设要答疑解惑，首先还是要回到原点，弄清楚究竟什么才是有结构的材料。有结构的材料是兰本达教授在《小学科学教育的"探究一研讨”教学法》一书中提出的概念。结构一词指的是相互关联的方式。科学教学中的材料的结构，指的是通过操作材料揭示自然现象间的某种关系，这种关系的模式即是描述现象的概念［2］。由此可见，概念是对事物之间关系的描述和解释，集合在一起的材料正表达这种关系。学生支配这些材料，在做中学，在学中思，发现材料之间的关系，对其关系模式作出解释，形成科学概念，这就是材料结构性的内涵。从实践的角度来看，我们还需要对材料应组成什么样的结构作如下三点把握。.材料应组成和概念有关的结构如前所述，概念是对事物之间关系的一种解释，一组有结构的材料应该表达这种关系。如磁铁和铁制品相互有关系，能发生相互作用，但与铜制品之间不发生相互作用。这样，学生就能发现一个关系的模式，即磁铁能够吸铁，在此基础上就能概括出磁性这一概念。同时，增加新的材料可以促进学生到达概念建构更高的水平层次。如在刚才的一组材料中增加操制品，磁铁和镁制品之间也能发生相互作用，学生据此就更新了此前建立的关系模式——磁铁不仅能吸铁制品，还能吸镖制品，从而提升了对磁性这一概念的认识水平。材料的结构性成为学生概念建构的脚手架，促进了科学概念的开展。.材料应组成能激活思维发生的结构如果说材料的结构是对事物之间相互关联方式的表现，那么对种种表现的发现、提炼与表达，必须要借助分析、综合、比拟、分类、抽象、概括、推理、类比等思维方法才能实现。换句话说，概念的建构必须建立在思维的基础上。例如，在执教"消失了的恐龙"一课时，教师将动物的骨骼埋入石膏中，制成探究材料，让学生通过对动物骨骼的挖掘、重组、探究的方式判断这是一种什么动物。由于探究的结果不明，在活动的过程中，学生必须动用分析、综合、比拟、推理等思维方法来寻找答案，真实地复演了科学家发现、挖掘和研究恐龙化石的过程。在这个案例中，材料的结构性成为翻开思维之门的钥匙，促进课堂上思维活动真实发生。.材料应组成合乎学生认知特点的结构小学生有其自身的认知特点，材料的结构性设计假设要真正发挥作用，必须从学生的认知规律出发，那些事物之间的相互关系必须在孩子们的发现能力范围以内才有意义。有很多材料看起来很高级，但是因为脱离了学生的实际，应该慎用。只有从粗糙的材料做起，经过有目的地使用，学生才能获得包含在完成了的材料中的智力［3］。这一观点提示我们，材料的选择越贴近学生的认知特点，越能够引导学生发现材料本身的特性，材料运用的效果就越好。譬如，假设要引导学生研究怎样才能让小车跑得更快这一问题，用现成的小车不如用学生自制的小车效果来得好。发给学生最简单的材料，让他们动手做小车，在制作的过程中，学生对车轮的结构以及轮子和轴是怎样连接的等要素有了切身体验，才能想到小车行驶得直不直、快不快和什么因素有关。材料的结构性成为启动学生认知的引擎，促进学生认知的开展。三、建构有结构的材料之策如前文所分析的那样，材料的结构性必须满足和概念有关、激活思维发生以及合乎学生认知特点等三个条件，且三个条件缺一不可。这既是判断一组材料是否有结构的标准，也为课堂教学中如何设计有结构的材料指明了思路。结合我们的实践与探索，笔者提出以下三个策略供参考。.紧扣事物关系建构材料在一组有结构的材料中，材料之间的关系揭示了物质之间的关系，对这种关系的发现和解释就构成了科学概念。找准关系、分析关系、埋伏关系，以供学生在能力所及的范围内去探寻、去发现，这是材料设计的起点。立足关系建构材料的思路可以分解为以下几个环节：首先，教师要从核心概念入手，分解概念中所包含的种种复杂关系，并理II页这种关系，尤其重要的是要考虑学生在这些关系的把握上起点在哪里、有怎样的"迷思"，从而找到教学的立足点；其次，教师要从关系出发构思活动，看设计怎样的活动才能让学生观察到现象，认识到隐藏在现象背后的事物之间的关系模式；再次，基于活动的设计选择材料，最能够达成前述意图的材料就是典型材料，可以选用。此外，在材料的选择中，还要考虑是否要增加变式以强化材料间相同的关系模式，是否要增加特例和反例来揭示材料间隐含的不同的关系模式，丰富学生的认识。以新编苏教版《科学》教材一年级下册"盐和糖哪儿去了"一课的材料设计为例。溶解的概念是建立在溶质与溶剂关系的认识上，这种关系又表现为一系列可见的现象。但是，学生对这些现象并未刻意观察过，因此在课堂上教师必须设计物质溶解的实验来呈现现象。教学中，教师可以为学生提供水、盐、白糖、沙子和芝麻这样一组材料。通过操作，学生看到盐、白糖在水中消失不见了，而沙子沉淀在水中，芝麻漂浮在水中，由此建立一种解释盐、白糖和水之间关系的模式，这就是溶解的概念。但是实践中出现了一个新的情况，即盐、白糖溶解后均呈现无色透明的情况，这是否会让学生认为只有无色透明才是溶解呢？为了消除这种错误的认识，必须增加新的材料——红糖，红糖溶解后虽然透明，但是有颜色，由此学生更新了关于溶解的操作性概念，即像盐和红糖这样，在水中变成肉眼看不见的微粒，且均匀分散的现象，叫作溶解。.紧扣思维过程建构材料思维活动是科学教学的核心活动，在科学探究的每个要素上，都有很多思维方法的参与。从问题到假设，从假设到证据，从结果到结论，从此岸到达此岸的过程都是经由学生的思维实现的。有结构的材料能够激活思维的发生，思维经由材料的选择与组织而运转。反过来说，从科学探究所必需的思维活动、思维过程出发，选择适合的材料，建构材料的结构性，也是一条适合的路径。这种策略实际操作起来可以分为以下几个步骤：首先，是对思维活动的识别。有的科学课堂上思维之所以没有发生,是因为教师不知道哪里需要借助思维的参与。科学教材中有很多活动，在活动与活动之间的"留白"正是思维发生的绝佳地带。不同的思维方法需要加载在不同的材料上，精准地把握思维活动有助于教师选择最合适的材料。其次，是对思维过程的梳理。围绕一个活动，学生的思维有一个调动激活、驱动运转、整理加工的过程，对这一过程的把握为教师决定材料的种类与数量、组织方式以及呈现时机提供了基本参照。再次，是思维成果的检验。学生在探究过程中，经由各种思维方法的参与得出的结论是否可信？过程是否合理？方法是否有效？在这些问题上的反思与评价又为材料的调整提供了更多的决策依据。以新编苏教版小学《科学》教材三年级上册"土壤的类型"一课教学为例。土壤的类型涉及土壤质地的概念，其划分依据是组成土壤的沙粒、粉粒和黏粒这三种成分所占含量的多少。沙粒含量较多的叫作沙质土，黏粒含量较多的叫作黏质土，沙粒、粉粒、黏粒三者含量差不多的叫作壤±o但是，由于土壤颗粒肉眼不容易看到，颗粒间的关系结构属于微观层面的认识，成为学生学习上的障碍。把这些知识直接告诉学生是没有意义的，最有效的方式是打比方，借助类比的思维方法来建立模型，通过分析模型来让土壤的微观结构可视化。于是，教师选择了纸盘和三种不同大小的塑料球作为材料，让学生建立三种土壤的模型。教师先呈现三种塑料球，引导学生识别其大小关系，分别与三种体积的土壤颗粒建立一一对应关系。紧接着，通过补充三种颗粒配比的信息，放手让学生操作小球在纸盘上建立三类土壤的模型。模型建好后，引导学生分析每种模型中不同颗