構建基于層級分析的科學實驗探究模式

齊于能 陳霄

培養小學生的探究能力是小學科學教學的核心之一，而主要載體之一就是實驗教學。構建基于層級分析、雙螺旋發展的科學實驗探究模式，為有效的實驗探究教學提供了可供操作的模式，體現了科學探究走向深入的要求，增進了科學探究的價值。本文僅就基于層級分析、雙螺旋發展的科學實驗探究模式的構建進行分析和探討。

一、科學實驗探究的現狀及問題分析

科學實驗探究性學習相對于以往傳統的科學教學模式來說的確有矯正作用，但就客觀實際來講也出現了矯枉過正的現象和對課程標準中 “探究”的誤解誤讀，背離了課程改革的初心。探究性學習的缺失，緣由較為復雜，僅就以下案例作做些粗淺分析。

案例一 忽視探究之舵——讓科學概念引領科學學習

一位教師在以探究為主題的教學研討中執教《動物的卵》一課時，把實驗探究的重點放在指導學生的觀察方法上。以“雞蛋的結構怎么觀察？”“先觀察里面還是外面？”“外形怎么觀察？”“里面的結構怎么觀察？”“局部觀察還是整個打開？”“用鑷子敲個小孔，要注意什么？”“雞蛋煮熟后內部結構有什么變化？”等一系列問題引導學生探究。學生通過觀察反饋的雞蛋結構特點和氣室等信息，教師卻沒有引導將這些信息與“繁殖”關聯探究。教師的反饋是評價：你觀察得真仔細！這個方法真好等。

分析：“通過不同的觀察方法認識雞蛋的外部形態、內部結構。”成了這位教師的教學重點。相對于學生的思維培養只停留在重復練習而沒有深入發展。“新的生命”單元從“花”到“果實”“種子”再到“種子的傳播”“種子的萌發”指向的是核心科學概念“繁殖”。觀察探究中以“繁殖”這個核心概念進行引領，學生才會從“繁殖”這個新的高度去探究他們非常熟悉的雞蛋，從而認識到雞蛋無論是形狀還是內部結構都與繁殖是密切相關的，從而構建新的科學概念——動物的卵各式各樣，但都有新生命發育生長的條件。據了解這種現象不是個別而是普遍，科學實驗探究性學習呼喚核心概念的引領。

案例二 忽視探究之舟——讓探究與概念層層相對

一位教師在上《土壤的污染》一課，從土字的“三筆畫”分別表示什么開始，土壤中有什么直接影響植物生長的成分，再到有哪些成分對植物有危害性，這些不利于植物生長的東西是從哪里來的，這些東西是怎樣危害植物生長的，學生設計實驗驗證危害物對植物生長的影響，最后老師要求大家用今天的方法去治理土壤的污染問題，爭當環保小衛士。

分析：這堂課的環節表面上是流暢的，符合國人一貫的含蓄風格。但是，一是課堂太散，土壤的污染話題是本堂課學習討論的中心，卻扯進了如土壤里有哪些成分的環節。事實上是學生的探究技能已經能解決這個初級概念，已經了解了土壤中的組成成分，沒有發展可以省略掉。二是等再過渡到哪些成分有危害性，對于一節課只有40分鐘的寶貴時間而言，在學生解決探究問題上技能要求跨度太大，不能完全解決。三是課堂偏頗了核心概念引領，也就失去了探究性學習的意義。科學教學需要探究技能和科學概念的協調發展。

案例三 忽視探究之水——讓教材的層級設置服務探究

四年級認識金屬的性質一個課例中，一位執教老師把學生在開始階段提出的“金屬能反光、能導電、能傳熱”等作為假設，制定了三個探究主題活動組織學生對其一一進行驗證。結果探究活動過半不到就因時間不足而草率收場。課后教師還感嘆：時間都去哪兒了！

分析：教師備課時沒有關注教材的結構體系，沒有留意學生原有的知識經驗和基礎，是本課例中老師教學失敗的主要原因。學生提出的“金屬能反光、能導電、能傳熱”等都是他們在原先的學習中通過觀察實驗活動形成的認識，并非假設。但是老師卻將學生已有的認識作為假設并要求檢驗是一種重復無效的活動。

“科學實驗以探究為核心”與“關注科學概念教學”之間實際并不矛盾，“船與舵”的關系就是探究過程與科學概念的關系。科學概念被架空，是因為沒有探究過程。探究過程失去方向，是因為忽視了科學概念。

二、層級分析的提出及基本原理

（一）層級分析的提出

從探究的維度來講，實驗教學中重視探究的實質和深度，是重中之重。因此科學概念和科學探究的雙螺旋發展構成一個科學實驗活動的內核，是最應該關注的。

“層級分析”就是一個行之有效的策略。對具體的教學活動內部結構中的科學概念、探究技能執行從低到高的目標解構，使科學概念與科學探究二條線索層層相對、級級相應，兩條線索通過層級目標解構由淺入深、螺旋上升。即所謂“層級分析”。

（二）科學概念與探究技能的層級分析基本原理

1.科學概念的層級分析

科學概念具體解構為事實性知識、知識性主題、具體概念直達至科學核心概念，然后針對每個核心概念設計探究活動。（見圖1）

在大量翔實的事實性知識的基礎上，引導學生探究次級主題。每一次的探究都是對前一次的補充和修進。從這個層面來講，層級解構意味著螺旋上升。

2、探究技能的層級分析

由淺到深，從初級技能“觀察”，到“測量”，直至“建立模型”，表格中8類探究技能體現了由易到難的技能提升培養。同樣每一類探究技能本身都有從淺到深的難度漸進順序。如“觀察探究技能”水平就有水平1、水平2、水平3的難易之分，分別針對這些層級進行探究活動設計。

3、概念與技能的層級整合

層級分析雙螺旋活動，就是把同屬一個層級的科學概念和探究技能整合在一個有結構的探究活動中，當然也可以進行有差異的層級整合。因此這種層級分析雙螺旋活動整合保證了實驗探究教學的實質和深度。（見圖3）

三、基于“層級分析”雙螺旋整合的實驗探究模式的構建與實踐

（一）模式構建

這種新型的探究模式包括四個階段。（見圖4）

定向診斷與探索主要展示學生的前概念，聚焦探究的開端。建構驗證與交流環節也需要評價學生的前概念，在解釋修正與拓展中也應有評價學生的前概念。因此可以這樣理解，這實質上就是以最低層級的科學概念為根本的的螺旋式上升的探究模式。在此一模式類型中，將過程與技能培養放在模式的中心，意指在學生的定向診斷與探索、建構驗證與交流、解釋修正與拓展三個階段中是否促進了與探究技能的整合螺旋發展。模式中從中心向四周發出的三條虛線表示這一階段是潛在的，隱藏在其他三個階段當中。模式圖中外圍三個階段中相互發出的三條實線表示這三個階段之間是雙向的，是螺旋上升漸進的，相互之間是互動的，每一階段的探究都應該是對前一階段層級的補充和修進。

（二）各環節教學實施

以課例《用水測量時間》，淺談如何在科學實驗探究過程中通過層級分析螺旋發展引領學生構筑科學概念和探究技能的協調發展。

1、定向診斷與探索

診斷并引出學生的科學前概念是此階段環節的首要任務。為學生的實驗探究學習定向教師首先要創設特定的探究性學習活動問題情境，其次要引導學生自己嘗試解決問題進而引出學生對此主題的前概念。提一些啟發性問題、提供腳手架式的活動材料，是教師保證讓學生自主進行探究活動應該做的事。

2、建構驗證與交流

構建新的認識和初步形成解釋的過程是這一個階段的重點。個人認識與事實證據之間、個人認識與科學概念之間的“沖突”充斥這個階段。學生會進一步暴露和明晰自己的原有概念和認知，感受不同觀點和解析之間的差異。教師在本階段的探究學習活動中開展有層次的根據事實去引領學生進行推測和驗證，把握在不同要求的教學各個階段及時地指導學生開展各種探究學習。使整個教學過程向著預期要達到的科學概念目標推進，促進學生逐步構建新的科學概念。

《用水測量時間》一課例的目標科學概念是：在一定條件下，流水具有等時性。因為具有等時性，所以可以用來測量時間。圍繞這個目標科學概念，教師設計了三個有層級的包含目標概念內涵的探究實驗活動。活動一是思考古代的水鐘是怎樣報時的，學生形成第一層級的概念——感受時間就像流水一樣在流動，形象地認識時間這一事物；活動二是做個注射器滴漏試試看，形成第二層級的概念——“ 在同樣的裝置中，水流的速度是不一樣的，是先快后慢的”“水流的速度與水位的高低有關”；活動三是認識流水能計時，形成第三層次的概念——水的運動是有規律的，從而可以用來計時。

《用水測量時間》這一課例中，三個層級探究實驗活動雖然條理清晰但包含的內容卻非常多，如果教師不能很好把握，雜亂無章的教學狀態就極易形成。運用“層級分析”原理推敲原先的教學策略就能促進學生科學概念的修正與完善。活動二我是這樣重構的：明白怎樣分工合作才能做到準確測量作為首要討論活動，然后測量流完100ml水的時間并統計測量數據。再推測蓄積10ml、50ml、100ml的水需要的時間，討論后開展驗證實驗。這樣的設計：首先是基于對在前概念反思的基礎上進行推測；其次測量數據初步構建了目標科學概念，為更有價值的推測提供了事實與依據；再者科學探究的實證性得到了體現，通過驗證高效地達成了對初步構建的科學概念的修正。

3、解釋修正與拓展

這一階段的內容包含：首先學生對自己的經驗開始抽象化使其成為一種可交流的形式，并通過進一步的探究活動對自己的解釋進行修正、求證與評價。其二學生要展開自己的科學概念使其與其他概念之間的聯系，并運用所構建的新概念解釋周圍世界或新問題，從而實現對新概念的驗證、應用、鞏固和完善。

師：使水流的速度一樣，用什么辦法可以解決？

學生討論交流

生：不停地向里面加水，水流下來的速度就會一樣。

師：這真是一個好辦法。只要保持同樣高度的水位，水流就會以相同的速度往下流。同學們請看（出示水鐘圖）

師：古人制造的計時水鐘，是否也是用這樣的方法讓水以相同的速度往下流？

生觀察水鐘圖后，交流。

此前的探究活動，學生已經明確“這樣的水鐘并不能準確地計時，水鐘要準確的計時，水流的速度必須相同。”此時要想讓學生對“流水具有等時性”的科學概念有一個明晰的理解認識，必須通過問題引導加深對概念的理解。這樣當學生再次看水鐘圖時腦中就會出現這樣一幅會動的畫面：計時水鐘上的水位永遠保持著同樣的高度，而滴下來的水流速度也永遠是相同的。如此，“流水具有等時性”的概念形成。

4、過程與技能

這一過程應貫穿于整個實驗探究教學過程之中，沒有探究過程與技能發展科學概念將成無源之水，忽視科學概念整個實驗探究過程將失去方向。如何讓科學概念和探究技能協調的發展呢？下面就以《用水測量時間》一課中概念構建為例，就“推測”一項技能做個雙螺旋發展分析。（見圖5）

由此可見，科學概念與探究技能是逐層逐級協調發展螺旋上升的。比如第一次推測就是在學生的前科學概念后而進行的一次推測，這正是形成科學概念的起點。而第二次推測基于前概念反思又基于科學實證數據的推測，為科學概念的更深層次理解進行了鋪墊。第三次推測在前兩次測量的基礎上提出的，是思維的一次跨越，這時學生的前概念已并不僅僅限于課始，并且建構了反例概念。第四次推測則是建立在前三次基礎之上的一次理性的推測，這一次的推測是縝密、嚴謹的邏輯思維過程。在這一思維過程中“流水具有等時性”這一核心科學概念得以形成。

四、結論

綜上所述，構建基于層級分析的科學實驗探究模式的探討表明，基于層級分析的雙螺旋發展是一種以學生前科學概念為基礎，通過科學概念的逐級修正和完善與探究技能的同步發展來建構新的科學概念的科學實驗探究教學模式。在實驗教學過程中，科學概念知識、過程技能進行由淺到深的目標解析，讓科學概念與探究技能二條軌跡線索層層相對、級級相應，相互作用、同步發展；兩條軌跡線索通過層級分析逐步深入、螺旋上升。基于層級分析的科學實驗探究也就更有實效、更有深度。