指向科学思维培养的教学设计与实践

［摘要］有的放矢地培养学生的科学思维是当下科学教学的重要研究课题。小学科学教师结合儿童思维发展特点，采用以问引学、以探促学、以辩思学、以用迁学的教学策略，能让学生在真实的问题情境中通过“探究—研讨—应用”，参与高水平的思维活动，真正达成让学生主动参与、实践探究、合作交流、学以致用的教学目标，有效发展学生的科学思维能力和科学思维品质。［关键词］小学科学;科学思维;教学策略;教学设计《义务教育科学课程标准（2022年版）》指出：“科学思维是从科学的视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式，主要包括模型建构、推理论证、创新思维等。”科学学习提倡学生进行与科学家研究类似的科学探究，并在此过程中掌握科学知识和方法，形成科学思维能力，树立科学工作者态度。如果说科学探究是学生科学学习的外显形式，那么科学思维则是学生科学探究的内核目标。如何有的放矢地培养学生的科学思维是当下科学教学的重要研究课题。《温度不同的物体相互接触》是教科版科学教材五年级下册《热》单元的第3课，旨在引导学生通过测量冷水在热水中的温度变化，了解热的传递过程和方向，对热传递形成初步认知。笔者分析教材后认为，本节课的教学不应局限于达成“热通常从温度高的物体传向温度低的物体”这一浅显的概念目标，还应引导学生探究热传递发生的条件与传递过程所具有的特点。基于此，笔者采用以问引学、以探促学、以辩思学、以用迁学的教学策略，对本节课进行了重新设計与实践，在科学探究中培养学生模型建构、推理论证、创新思维等科学思维能力，并为后续学习热传导、热对流与热辐射做好充足的准备。一、以问引学，自主式驱动思维科学学习通常从一个好的探究问题开始。一个好的科学探究问题一定是真实、有意义且与学生个人生活经验密切相关的。这样的探究问题既能让学生快速进入学习状态，激发学生的学习内驱力，又能唤醒学生原有的生活经验，引发思维的高度参与。教材将本课的问题聚焦于“热水是怎样使牛奶由凉变热的”。学生在生活中已积累了用热水加热冷牛奶的生活经验，都知道通过浸泡会使冷牛奶变热、热水变冷。但热量的不可见性使得该问题过于抽象，学生的探究热情不高，最后演变成“师说生做，按步开展”的局面。因此，教师要活用教材，将教学目标转化为真实、有意义的探究问题，调动学生的已有经验，使学生在运用已有知识解决真实问题的过程中发展科学思维，从而打造指向科学思维培养的研学课堂。在充分考虑教材、学情与教学目标的基础上，笔者创设了以下任务情境：冬天，当我们想喝一杯热牛奶时，我们通常会把牛奶放到热水中泡一会儿，但有时候拿得早了牛奶还不够热，拿得迟了又牛奶太烫了，我们该什么时候去拿牛奶？为了解决这个问题，学生一方面要明确牛奶加热到多少摄氏度适合饮用，另一方面要知道多久能加热到这个温度。这样，学生自然而然地就提出了新的探究问题：加热过程中，热水和冷牛奶的温度会怎么变化？同时，思考出解决方法：测量热水和冷牛奶的温度变化。新的探究问题正指向热传递发生的条件与传递过程所具有的特点。学生思考如何解决问题并提出新的探究问题之时，也是科学思维自主参与之时。这样以问引学，能充分激发学生的探究欲望，促使学生积极主动地进行思考。二、以探促学，螺旋式激发思维学习本质上是一种思维活动。学生只有经历了具有较高思维含量的学习活动，才能有效发展科学思维能力。本课教学中，为了帮助学生建构热传递概念，笔者在初次执教时安排了两个学习活动。活动1：预测冷水与热水接触后二者的温度变化情况。活动2：测量并记录冷水放入热水中二者的温度变化情况。笔者在执教后发现，在活动1中，由于没有精确测量过热水加热冷水这一过程中二者的温度，学生此时的预测是没有依据的盲目猜测，仅停留在“热水温度降低，冷水温度上升”的低阶思维层面。活动2是本节课的主要环节，要求学生每隔2分钟（共12分钟）测量并记录冷水和热水的温度变化情况（加上时间损耗，大概需要15分钟）。该活动实质上是一个观察实验活动，学生以4人为一组完成实验探究单。他们要做的只是等待2分钟，记录温度计示数，再等待2分钟，再记录示数……无须主动思考，也无须科学思维的参与。在这宝贵的15分钟内，学生获得的只是操作与技能层面上的熟练，科学思维并未得到发展。基于此，笔者对上述探究活动进行了整合重构。1.“预测+实测”：动态修正，拓宽思维在明确探究问题后，学生小组讨论，确定哪些证据是解决问题需要的，以及收集证据的方法。教师要为学生提供80℃的热水、20℃的冷水，以及温度计支架，后者能解放学生双手，减少手持温度计导致的测量误差，保证数据的准确性。任务1：实验探究，预测、实测，并记录热水和冷水的温度变化，画出温度变化折线图。笔者将预测和实测进行整合，改进记录单（见表1），增设预测温度变化一栏，以提高探究活动中学生思维的参与性。小组4人每人一张记录单，在记录初始温度后预测2分钟后的温度，再实测并记录2分钟时的温度；紧接着预测4分钟后的温度，再实测并记录4分钟时的温度……学生一边预测一边实测，人人参与思维活动，充分暴露对热传递过程中温度变化的前概念，并比较预测温度与实际测量温度，从而在思维加工的过程中动态修正原有认知，产生对获得的实验数据与科学事实的深度思考与探究欲望，发展科学思维。2.“数据+建模”：抽象概括，深化思维科学的实质是在观察证据基础上的有效描述。在探究过程中，学生要对观察到的结果进行描述、分类和解释，使探究结果更科学、具体。模型建构是对客观事物进行抽象和概括，以及运用模型分析、解释现象和数据，描述系统的结构、关系及其变化的过程。它是培养学生科学思维的重要方式，也是缩短证据与解释之间差距的过程。为了更好地引导学生建立证据与解释之间的联系，帮助学生建构热传递概念，笔者在任务1的基础上设计了任务2。任务2：根据实验发现，利用箭头画出热水与冷水热传递的情况。该任务支架能很好地引导学生建立证据与解释之间的联系，辅助学生提炼概念、深入思考。学生需要充分运用分析与综合、抽象与概括、归纳与演绎等思维方法，将小组获得的数据和科学事实，运用图示的形式建构模型来解释。图示的直观性与思维的结构性、概括性相结合，能让探究过程中隐性的思考方法、思维路径显现出来，变得可见、可感、可测，从而发展学生的模型建构能力，深化学生的科学思维。三、以辩思学，进阶式提升思维高质量的研讨交流是促使学生思维快速、深入发展的有效方式。但在日常教学中，教师往往只抽取个别小组的数据进行展示，而其他小组也很少提出质疑，课堂缺乏广泛的研讨；在汇报时，直接引导学生从数据中得出结论，导致学生的辩证思维缺位；当学生回答不到关键点上时，教师往往采用“挖洞填空”的方式，硬生生地让学生说出教学设计所需要的回答，忽视了学生逻辑思维的参与，抹杀了学生思维的批判性。因此，教师要转变教学观念，改进研讨策略，以合理解决探究问题为根本目标，引导学生在探究中积累证据素材，使其在研讨交流中有话可说；要鼓励学生在真实的问题中，运用观察得到的证据形成抽象的概念，运用获得的知识和观察到的结果进行推理解释。本课的研讨主题即结合小组数据，分析热传递发生的条件及传递过程中所具有的特点。1.“说”出理由：逆向研讨，引领辩证思维课堂推进至此，学生已经积累了许多证据素材，为深入研讨提供了保障。探究结束后，各小组评选出一张最佳记录单，教师利用多媒体展示记录单，开展逆向研讨。与先拿出证据再得出结论的常规研讨不同，逆向研讨是先由学生说说小组的发现，并提出论证观点“热水将热量传递给冷水，热水温度下降，冷水温度上升”，再在全班观点初步统一的情况下提取证据，并进行论证。证据即实验得到的数据与图表。学生围绕“一开始是怎么预测的？为什么这么预测？实际测量后又有什么新发现？”展开交流。由展示的数据可见，学生起初预测温度会出现均匀变化、先慢后快或先快后慢等情况，在实际测量后发现温度变化是先快后慢。学生不断修正接下去的预测，在修正中发现温度的变化规律，并思考热传递的特点。逆向研讨利用数据证实或证伪学生提出的论证主张，引导学生分析解释热传递发生的条件与过程中具有的特点，有助于发展学生的辩证思维。通过对比分析，学生更容易聚焦“热量传递引起温度变化”的观点，认识到温度不同的物体由于含有的热量不同，在接触时热量会出现从高到低传递的趋势，最终二者达到温度（热量）的平衡，并以此为依据修改建模图示。此时，学生对热传递概念的认知是深刻的。通过以上任务，学生实现了从热量到温度再到热传递的概念进阶。2.“放”开空间：问题思辨，激发批判性思维“放”开空间，指教师作为引领者，要将思辨的主导权交给学生，让学生在问题情境下展开思维碰撞，接受他人的质疑，并表达自己的观点，最终达成共识。本节课要解决的问题是牛奶要加热多久才适合饮用（达到40℃）。通过折线图，学生很容易找到牛奶从初始温度上升到40℃的时间点。此时，教师提问：“除了这个时间，还有其他时间能满足要求吗？”学生集中注意力，很快发现再过一段时间，热水和冷水的温度都会在某一时刻下降到40℃。教师继续追问：“这两个时间点都能满足要求，你们觉得哪一个时间去取牛奶更好？为什么？”学生围绕这个问题展开思考和讨论，激发了批判性思维。有些知识储备丰富的学生想到，加热过程中，牛奶中蕴含的蛋白质会因温度过高而变性，饮用后可能对人体造成不良影响。教师可以相机出示相关资料，让学生了解到蛋白质在60℃的环境中会开始变性且不可逆，从而引导学生对取牛奶的时间点做出最佳选择。四、以用迁学，渐进式发散思維以用迁学，即学以致用，是促进学生认知与思维再发展的重要策略。教师要引导学生在新的问题情境中迁移应用结论，从不同的角度思考、分析问题，解释新的现象或提出解决问题的新办法，发展学生的创新思维。在本课教学的最后一个环节，笔者让各小组围绕“夏天，当我们想喝一杯冰凉的饮料时，我们可以怎么做呢？”这一问题展开讨论。一方面，该问题的研讨既是对本课核心概念的迁移应用，又是对学生能否运用热传递知识来解释制冷过程的考查。通过上面的探究，学生已经充分认识到热传递发生的条件与传递过程中所具有的特点，自然能反向推导出制冷的原理：热饮料将热量传递给冰块，使饮料温度降低，冰块温度上升。另一方面，这个问题让学生认识到：常温水不仅可以成为受热对象，也可以成为热源去传热，只要与它接触的物