基于培養“理性思維”的初中科學教學策略

黃鵬飛

摘 ? ?要：由于對理性思維的內涵缺乏系統認識，當前教學中常將其片面地等同于理解和運用科學概念與原理的能力，這易導致教學問題類型與教學策略單一化。厘清理性思維各組成要素的相關性、明晰各要素培養路徑的差異性是培養理性思維的關鍵。通過引發觀點碰撞、構建證據鏈、呈現思維過程以及促進問題解決等策略以發展實證意識、得出結論的能力、邏輯推理能力和高階思維。

關鍵詞：理性思維;初中科學;教學策略;液體壓強

理性思維是核心素養的重要組成部分，它要求學生崇尚真知，能理解和掌握基本的科學原理和方法;尊重事實和證據，有實證意識和嚴謹的求知態度;邏輯清晰，能運用科學的思維方式認識事物、解決問題、指導行為等。[1]理性思維是一種建立在證據和邏輯推理基礎上的思維方式。

義務教育初中科學課程標準的附錄中呈現了部分課例，它們對教學提供了重要的示范作用，現對其中的“探究液體內部壓強的特點”這一課例進行評析，以探討在初中科學教學中培養學生理性思維的策略。

一、引發觀點碰撞，發展實證意識

皮亞杰認為，認知沖突的產生是認知發展的一個重要條件。產生認知沖突會導致認知結構不平衡，從而激發學生去解決沖突、產生新的平衡。引發學生之間產生觀點碰撞是引發認知沖突的重要途徑之一。有了觀點碰撞，學生勢必為證明自己觀點的合理性（或者他人觀點的不合理）而尋找證據支持，在證據的例舉與辨析中可以發展學生的實證意識。

而要引發觀點碰撞，教師應鼓勵學生運用多種方式進行開放性的討論交流，在這個過程中使學生學會理性、客觀地對待他人的看法和觀點。[2]58

（一）教學片段一

問題1：液體內部有沒有壓強？

師：例如，把一個立方體放在水中（如圖1），水對立方體的各個面是否有壓強？

生1：水對立方體向下有壓強，向側面有壓強，向上沒有壓強。

生2：水對立方體各個面都有壓強。

師：有什么經驗支持你們的猜想？

生：潛入水中感受到水的壓力，耳膜感受到壓力，胸悶感等。

（二）設計意圖分析

片段一中通過把一個抽象的問題（液體內部有沒有壓強）首先轉化成一個可視化的直觀問題（水對立方體的各個面是否有壓強），這樣有利于學生準確理解和思考問題，因為準確接受刺激是引發認知沖突的前提。而后，不同的學生提出了不同的觀點，這為觀點碰撞創設了條件。接著，通過追問要求學生提出支持猜想的經驗，這與科學課程標準中將提出猜想和假設這一探究要素設定的達成目標相符，即能提出猜想和簡單的假設，并陳述理由。[2]14這種通過對相關經驗的不斷例舉，不僅能進一步激發學生去辨析觀點與證據的合理性，同時有利于提升學生對證據重要性的認識，有利于發展其實證意識。

二、構建證據鏈，發展得出結論的能力

PISA將“運用科學知識以解釋科學現象，并對科學相關問題作出以證據為基礎的結論”作為科學素養的重要內涵之一。[3]證據是結論的基礎，證據的科學性決定著結論的科學性，運用證據是理性思維的重要基礎。

證據鏈指一系列客觀事實與物件所形成的證明鏈條。與單一的證據相比，由于證據鏈中的證據能夠相互印證，因此它可以提高證據本身的有效性，同時也提高了相關結論的科學性。

初中科學教學中，教師要提升學生對證據鏈重要性的認識，促進其養成構建證據鏈的習慣，發展其得出科學結論的能力。

（一）教學片段二

設計實驗驗證猜想。

師：怎樣用實驗驗證你們的猜想？

例如，用圖2（a）的實驗可以驗證液體對容器底部有壓強。那么，怎樣驗證液體對立方體下表面有向上的壓強？

生1：把下端蒙有橡皮膜的玻璃管插入水中，可以看到橡皮膜向上凸出，如圖2（b）。

生2：把下端有卡片的玻璃筒插入水中，可以看到水把卡片托住。

生3：把底面鉆有小孔的透明塑料瓶插入水中，可以看到水從小孔向上噴涌。

（二）設計意圖分析

獲取證據以驗證猜想從而得出結論，這是科學探究的過程要素之一。片段二結合給出的器材，要求學生設計實驗以驗證“液體對立方體下表面有向上的壓強”這一具有爭論性的觀點。教學中，一位學生設計并獲取了橡皮膜向上凸起的證據，但是，教師并沒有就此引導學生得出結論，而是繼續引導學生獲取其他證據（如生2、生3的證據）。由于對相同的現象（如把下端蒙有橡皮膜的玻璃管插入水中，看到橡皮膜向上凸出）可以有不同的解釋，因此需要用新的證據作出判斷和進一步論證，這種系列化證據的獲得過程有利于學生理解科學探究中事實與解釋的關系。[2]81同時，由于這些證據真實可靠，每一個證據都支持了液體對容器底部具有向上的壓強這一猜想，且證據之間能夠相互印證。因此，基于獲得的證據鏈可以得出液體對容器底部產生向上壓強的科學結論，且這一結論具有高度的可靠性。

三、呈現思維過程，發展邏輯推理能力

心理學上把兩個判斷聯系起來，從而獲得一個新判斷的過程，稱為推理。而科學的推理必須符合邏輯。邏輯推理是科學思維的重要組成。

由于每個人的時間與精力都是有限的，所以不可能獲得無限的證據去檢驗觀點或得出結論。所以，科學教學中應重視發展學生的邏輯推理能力，即發展基于有限的證據，結合邏輯推理去預測和解釋現象、得出結論的能力。而要發展邏輯推理能力，教學中必須呈現學生的思維過程，以便及時發現其中的邏輯缺陷，幫助學生修補與完善。

（一）教學片段三

問題2：液體內部壓強有什么特點？

師：液體內部壓強的大小可能與哪些因素有關？你是怎樣思考的？

生1：因為液體內部向各方向都有壓強，所以我猜想壓強的大小與方向有關。

生2：在圖2（b）的實驗中，我發現玻璃筒插入水中越深，橡皮膜向上凸出越明顯，因此我認為液體壓強與所在液體內部的深度有關。

生3：因為液體產生壓強與液體重力有關，而其重力與液體的密度有關，因此我認為液體壓強與液體的密度有關。

要求學生利用壓強計設計實驗，并通過實驗獲取相關數據驗證猜想。

從數據分析可知：同一液體內部的同一深度的各個方向上壓強大小相等，并隨深度的增加而增大。液體內部壓強與液體的密度有關，在同一深度上，液體的密度越大，壓強越大。

（二）設計意圖分析

片段三中，首先通過創設“液體內部壓強的大小可能與哪些因素有關？你是怎樣思考的？”這一問題，不僅呈現了學生對問題的思考結果，而且也呈現了學生的思維過程。這為后續的思維完善創設了條件。而后，不同的學生呈現了不同的結果。生2提出的猜想基于實驗獲得的證據，比較合理。生1與生3的猜想雖然基于推理，但是由于這一過程存在邏輯缺陷，故而影響了結果的合理性。通過后續對生1、生3猜想的分析與驗證，可以幫助學生確認這些猜想是錯誤，同時促使其認識到猜想之所以出錯，其關鍵是推理過程中存在缺陷。在此基礎上，引導學生不斷彌補這些缺陷，促進其邏輯推理能力的發展。

四、促進問題解決，發展高階思維

高階思維，是指發生在較高認知水平層次上的心智活動或認知能力。在布魯姆教育目標分類中表現為分析、評價和創造。[4]問題解決是學習者發現一個由先前習得的規則所組成的聯合，并計劃運用這些規則去獲取一個新的問題情境的答案。其結果不僅僅“解決了這個問題”，而且也學會了某些新的東西。[5]在問題解決過程中，學習者必須要分析問題解決的條件，檢索并提取相關的規則、概念和原理，選擇合適的策略以決定何時及如何運用這些規則、概念和原理以解決問題，同時還要學習評價問題的解決效果等。所以，問題的解決過程會涉及分析、綜合、評價與創造等，它是發展高階思維的重要途徑。

教學時，要基于學生的理解能力創設適切的問題，引導學生主動地思考和解決問題，同時，要預測學生在問題解決過程中遇到的挑戰，并設計好一定的“支架”幫助學生自己去解決問題，并以此發展高階思維。

（一）教學片段四

師：對此結論你有無疑惑？

生1：我認為液體的壓強應當與液體重力有關，液體的重力越大，壓強越大，但在結論中卻沒有反映這一因素，難道與液體重力無關嗎？

師：這個問題提得非常好。我們怎樣來檢驗液體壓強是否與液重有關呢？

師：如果用一端蒙有橡皮膜的玻璃筒加水來實驗（圖3）。隨著注水深度的增加，可以顯示液體的壓強增大，但影響壓強增大的原因可以說是深度增加，也可以說是液重變大。怎樣才能作出正確的判斷呢？

生：將實驗裝置改造一下，使得水量保持相同而深度不同，或者深度保持相同而水量不同，就可進行檢驗了。按圖3的裝置進行演示，顯示了深度是決定液體內部壓強的因素而不是液重。

（二）設計意圖分析

片段四教師創設了一個讓學生質疑的機會，學生提出了“液體壓強難道與重力無關？”的問題。針對學生的問題，教師要求學生設計一個實驗方案以解決問題，同時提供了一個“支架”——實驗器材及原理介紹。針對此，學生結合先前幾個實驗的相關原理（如液體對容器底部有壓強且壓強越大則底部形變的程度越明顯等），并利用給定的實驗器材創造性地設計出“保持兩容器中的水量相同，以觀察底部的形變程度”這一實驗方案，從而有效地解決了問題。這一問題解決過程涉及科學原理的運用、變量的控制、現象的觀測等，同時還要通過具體操作以評價方案實施效果。因此，這一問題的解決有利于發展學生的高階思維。

初中科學教學中，應重視以問題解決為中心，促使學生準確地理解科學知識，靈活運用科學方法，充分使用科學證據，養成嚴謹的科學態度，以此發展學生的理性思維。同時，通過理性思維的發展可以促進學生核心素養的進一步提升。

參考文獻：

[1]核心素養研究課題組.中國學生發展核心素養[J].中國教育學刊，2016（10）：2.

[2]中華人民共和國教育部.義務教育初中科學課程標準（2011年版）[M].北京：北京師范大學出版社，2012.

[3]陸璟.PISA測評的理論和實踐[M].上海：華東師范大學出版社，2013：22-23.

[4]洛林·W·安德森，等.布盧姆教育目標分類學：分類學視野下的學與教及其測評[M].蔣小平，等譯.北京：外語教學與研究出版社，2009：52.

[5]R·M·加涅.學習的條件和教學論[M].皮連生，等譯.上海：華東師范大學出版社，1999：202.