高年級學生搜集證據能力的培養策略

李美凝 王素英

《義務教育小學科學課程標準》從提出問題、作出假設、制訂計劃、搜集證據、處理信息、得出結論、表達交流、反思評價8個探究要素對科學探究的學習目標進行了描述。事實上，探究要素既是科學探究的步驟和環節的體現，也是學生學習探究方法、發展探究能力的重要方面。在課堂教學中，可以根據具體的教學活動對學生的特定探究要素進行有針對性的專項訓練。本文主要討論如何在教學中培養高年級學生搜集證據的能力。

搜集證據的作用、內涵及培養要點

1.搜集證據在科學探究中的地位與作用

科學探究是一個獲取證據并利用證據對假設進行論證的活動過程，即以提出問題和作出假設為起始，對假設的解釋與得出結論為暫時的終點，進而引發新的科學問題的研究過程。搜集證據在科學探究中的地位和作用體現在兩個方面：首先，要為探究者形成研究問題的方案引領方向，即利用提出問題、作出假設及制訂計劃三個階段形成對問題的表征、制訂研究的方案、進行選擇和預期，進而決定怎樣搜集證據，搜集什么樣的證據，從而使研究有的放矢。其次，搜集到的證據也為后面的處理信息和得出結論等提供直接依據。因此，搜集證據在科學探究中起著至關重要的作用。

2.搜集證據的內涵

課程標準對低、中、高三個年級段關于作出假設與搜集證據探究要素的描述如上表所示。

從課程標準對低、中、高年級段搜集證據要素的學段目標的描述中可以看出，搜集證據的學段目標從低、中學段的在教師指導、引導下，能在作出假設與制訂計劃的基礎上明確實驗目的和實驗方法，選擇合適的工具和儀器進行觀察，并對觀察結果進行描述，逐步提升到高學段的能夠基于所學知識，主動地利用觀察、實驗、查閱資料、調查、案例分析等方法獲取事物的信息。可見，搜集證據能力具有進階發展的特征。因此，在課堂教學中，應當關注學生搜集證據能力的進階發展，并實施相應的發展策略。

根據各年級段對搜集證據要素的描述，我們可以將搜集證據理解為兩個要義。

第一個要義是“搜集”，涉及搜集的方法及準確性。教學中，應當盡可能地了解學生已有的知識和經驗，并以此為教學的生長點，將感官觀察和利用工具觀察相結合，將觀察、實驗、查閱資料、調查、案例分析等多種方法相結合，同時關注實驗材料、實驗儀器的選擇，這將對實驗現象的觀測及觀測結果產生有益影響，進而提高搜集的實驗證據的可信度。科學教師要關注這些因素，結合小學生年齡特征、認知特點及實驗要求，精心設計實驗，讓學生能順利地搜集到所期望的事實證據，并力求搜集的證據真實、客觀、準確、可信，培養他們搜集證據的能力和實事求是、尊重證據的科學態度。

第二個要義是“證據”，它是為要證明的猜想與假設服務的，是進行科學分析的根據。從對問題作出假設，到根據搜集到的證據對假設進行解釋，其中的關鍵就是搜集證據。

3.作出假設與搜集證據的關系

搜集證據不是單純的、孤立的過程，其中蘊含的思維過程也是一個重要方面。例如，該搜集什么樣的證據、什么樣的事實信息能夠轉化成什么有力的證據等，這些思考都依賴于學生對問題作出了怎樣的假設、選擇與預期。所以，在教學中，教師應引導學生關注作出假設與搜集證據的關系。

在杜威的探究學習理論中，詳細闡述了探究活動的幾個環節，即不確定的情境、問題的設立、方案的確定、推理和事實，搜集證據則處在事實的環節中。杜威特別強調了本環節中假設與事實是相互聯系、相互作用的。假設的操作性在于假設會引發、指導進一步的假設，假設使新的事實顯示出來，并且事實要形成一個統一的整體才能發揮證據的作用。觀察到的事實越充分，觀念才會越清晰。可見科學事實是檢驗科學結論的唯一標準，搜集的證據越多、越詳細、越有連貫性，結論才會越清晰。

經過分析，我們可以將搜集證據能力的訓練確立在與假設的關聯上，通過實驗材料的選擇和觀察，進行搜集方法的訓練。通過對證據前后關系的梳理，提升重視證據的意識。

《小孔成像》一課是對六年級上冊《探究光的路線》一課中關于光沿直線傳播和墨子發現的小孔成像現象這部分內容的放大，目的是讓學生理解搜集證據與作出假設的緊密聯系。

這節課借助進階思維，進行四次假設和證據的搜集（如圖1），將觀察的事實與已有的知識和經驗聯系起來，即將直接證據與間接證據結合，進行歸納、概括、推理等思維活動的加工，找到問題的因果關系，形成超越已有知識和當前結果的新的理解，作出自己的解釋或結論，進而深化學生的元認知。

這里需要特別說明的是，本節課的課前和課上共有四次假設活動，作出假設的水平并不相同。第一至第三次假設可以理解為預測，即根據現有證據和既往經驗對將來的事情作出推論。第四次（三孔成像）假設，建立在學生已經自覺形成了一個規律性認識的基礎上，是一種有針對性、有依據的假設。這樣的假設，使得搜集證據有目的、有方向，也使搜集證據的過程更為明晰、便捷。

培養高年級學生搜集證據的能力

下面以《小孔與像》一課為例，闡述如何培養高年級學生搜集證據的能力。

本課的教學目標是：

能夠關注小孔成像現象，在動手操作與積極思考中發現由于光沿直線傳播，小孔所成的像是倒立的像，以及像與孔的對應關系。

能夠從對一孔成像、兩孔成像和三孔成像的觀察事實中，對原因進行假設性解釋，提高作出假設的水平。

能依據證據運用比較、分析、推理等方法，知道小孔成像倒立的原因并發現孔與像之間的規律。

在一系列的探究過程中，能夠基于證據和推理發表自己的見解，逐步提升證據意識。

其中“能夠從對一孔成像、兩孔成像和三孔成像的觀察事實中對原因進行假設性解釋，提高作出假設的水平”是本課的教學重點。“能依據證據運用比較、分析、推理等方法，知道小孔成像倒立的原因并發現孔與像之間的規律”是本課的教學難點。

為達成以上教學目標，基于學生的已有知識和經驗，本課嘗試利用以下三種策略培養學生搜集證據的能力。

1.利用實驗材料提高學生搜集證據的效率

在課堂教學中，科學實驗是搜集證據的重要方法。在教師指導下，學生借助科學實驗獲取預期的數據信息，并對數據加以描述和解釋，轉化為證據，進而得出結論或規律。

實驗材料的選取與利用，直接影響著證據的獲取路徑，在很大程度上決定了實驗的質量，并最終影響著作出假設的判定和得出結論的可靠性。

因此，實驗材料首先要具有科學性、有效性，保證實驗現象明顯。其次，實驗材料要具有可操作性，合理降低操作難度，保證實驗數據或現象的順利獲取。再次，實驗材料要關注結構性，具有一定的典型性。例如，本課在探究材料上有所創新，設計了一孔屏、兩孔屏到三孔屏，它們之間是有結構的遞進關系的，能夠給學生的學習發展提供一定的幫助。最后，實驗材料要盡可能有所創新，本課從便于學生客觀、準確地記錄現象的角度上進行了創新，創制了“可移動式立體記錄單”。

基于以上考慮，本課的實驗材料經歷了兩次改進，具有科學性、創新性和有結構性的特點（實驗材料的改進過程如圖2）。

第二次改進后的小孔成像盒具有以下特點。

（1）可操作性更強

成像盒底部用磁力扣吸在有格子的墊板上，蠟燭移動的范圍是固定的。經過仔細測算與實驗，使得火焰移動范圍內的像都能夠完整地顯示在成像屏上。在實驗中，不僅能夠滿足探究像的大小與距離的關系，還能保證每次都快速準確地看到實驗現象，保證學生證據獲得的可操作性。

（2）成像更清晰

采用密封較好的盒子，防止光線四處擴散，火焰成像的亮度更高。成像屏的材質選用特殊材料，成像更清晰（如圖3），保證學生可以有效獲得證據。

（3）記錄和展示更準確

以立體成像屏作為學生記錄證據的重要載體，材料選用了硬質透明塑料，學生可以將觀察到的現象直接畫下來，保證了記錄的準確性和客觀性。同時，可拆卸的成像屏使用磁力扣吸在盒子邊框上，每次實驗完成后可以很方便地取下來進行證據展示（如圖4）。

科學、創新、有結構的實驗材料是學生有效地進行搜集證據活動的基礎，是培養學生搜集證據能力的保障。教師要關注影響證據搜集的諸多因素，精心設計實驗，合理選用材料，切實做好課前預先實驗，發現問題及時調整，以確保學生順利獲取證據。

2.逐步強化學生搜集證據的意識

從問題的假設到解釋，證據在其中起到了關鍵作用。在科學探究中，學生要清楚為什么要搜集證據，什么樣的事實可以作為證據。這就要求學生對搜集證據的目的、方法、過程、用途等要有全面的理解，這樣才能逐步強化他們重視證據的意識。

第一環節，教師帶領學生回顧前期對于小孔與像關系的研究，在沒有任何經驗和知識之前，學生對蠟燭的光穿過一個小孔會成什么像難以有具體想法。在學習了光在空氣中沿直線傳播的知識后，基于所獲得的間接證據進行第二次猜想，這時有6名學生的猜想與觀察到的事實是一致的。這一次搜集證據的過程使學生學會了小孔成像實驗中搜集證據的方法，并獲得了一孔成像的直接證據，即蠟燭的光經過一個小孔會形成一個倒立的像，這一證據也進一步驗證了光在空氣中是沿直線傳播的。這個活動讓學生開始關注證據的價值，在他們心中埋下一粒重視證據的意識的種子。

第二環節的設計與一孔成像的探究具有連續性。教師提出“蠟燭的光經過兩個小孔會有什么現象”的問題后，學生會積極反省上一階段所積累的經驗（直接證據）與所獲得的知識（間接證據）并進行猜想與假設，引發了認知沖突（如圖5）。

認知沖突出現之后，學生意識到需要搜集證據一探究竟。此時，對證據的關鍵性的強調是非常及時而且必要的，學生會有強烈的意愿去進行證據的搜集。有了上一環節的實驗基礎，本環節證據的搜集非常順利。當學生檢查證據時，他們心中重視證據意識的種子開始生根發芽。

第三環節，在一個蠟燭火焰通過兩個孔會形成兩個倒立的像的事實基礎上，教師提出了新的探究問題：兩孔成像中孔與像是怎樣的對應關系？學生開始嘗試對現象進行解釋：因為兩個孔會形成兩個倒立的像，如果孔與像是一一對應的關系，那么再次證明光是沿直線傳播的解釋是正確的;如果孔與像不是一一對應的關系，那么就需要考慮其他因素，再次尋找其他證據。基于這樣的觀察預期，學生制訂了探究計劃，并搜集了孔與像對應關系的直接證據，積累了新的經驗。以下是學生結合預期制訂探究計劃，主動搜集證據的教學片段：

師：兩個倒著的像與這兩個孔之間又是怎么對應的？在同學們的猜想中，出現了兩種情況，有兩位同學都認為會有兩個倒著的像，但是仔細看，第一位同學認為孔與像的關系是一一對應的關系，也就是上面的孔成的像在上面，下面的孔成的像在下面。第二位同學認為孔與像的關系是交叉對應的關系，也就是上面的孔成的像在下面，下面的孔成的像在上面（如圖6）。你們怎么想呢？

生：我不贊同第二幅的猜想。因為我們已經知道光是沿直線傳播的，光在穿過小孔的時候不會發生轉折。

師：事實到底是怎樣的，我們還是需要拿證據說話。這個實驗應該怎么做呢？怎么判斷哪個孔跟哪個像對應？

生：我們組覺得，一共有兩個孔，如果堵上一個孔，顯示出來的是哪一個像，就是沒有堵上的孔所成的像。另一個孔也是這樣。

師：你們聽明白了嗎？誰能再來解釋一下。

生：這位同學的意思是，如果你堵住一個孔，那么蠟燭發出來的光肯定就沒有經過這個孔，而且上次我們也驗證了，一個孔出來的像也是倒著的。我們看看如果把上面的孔堵上會出現哪一個像，再把下面的孔堵上再看看會出現哪一個像，這樣就知道孔和像的對應關系了。

師：表達得真清楚。為了安全起見，老師給每個小組準備了一個棒棒糖模型，請使用它幫助你們完成實驗。請同學們開始搜集證據吧。

從以上教學過程可以發現，學生在本環節中是積極主動地完成探究計劃的制訂的，他們開始學會根據自己的預期確定觀察的目的，選擇合適的觀察方法，主動地進行證據的搜集。在進行解釋時，他們更加重視證據的使用，自覺地運用已驗證的知識，重視證據的意識在學生心中進一步發展。從統計數據可以看到，有了直接證據（科學事實）和間接證據（知識）的積累，本次探究有17名學生的猜想與事實是一致的，與第一次只有6名同學一致的數據相比有了很大提升。

第四環節提出的問題“三孔成像中會有怎樣的現象，孔與像是怎樣的對應關系”與前兩個環節具有連續性，而且難度再次升級，小孔在數量上和空間上都更加復雜。基于前面的知識（間接證據）和多次的探究經驗（直接證據），學生本次猜想從表達上看更有自信，而且還作出了假設：可能幾個孔就有幾個像，而且孔與像是一一對應的。如果搜集的證據與預期一致，就再次驗證光在空氣中是沿直線傳播的，新發現的規律應該是正確的。帶著這樣的預期，學生進行了第四次證據搜集。

經過對事實證據的觀察、積累并加以整理，學生已經能夠結合多次獲取的證據從原理上解釋清楚孔與像的關系。從數據上可以看到，這一次全班31名同學的猜想與事實是一致的，這也說明增加事實（直接證據）對得出結論具有重要意義，此時，重視證據的意識已經在孩子們心中越來越強烈了。

從這幾個環節的教學過程發現，學生在不斷地獲得和積累直接證據與間接證據，并主動進行比較、分析和推理的思維加工，他們的猜想與假設意識和能力悄然發生著變化。可以說，每一次假設都離不開上一次探究中搜集到的證據，每一次思維與反省，都使得下次的假設不斷前進，最終獲得有依據的斷言。由此可見，對搜集證據的處理與分析不斷推動著學生反省思維的形成。

3.利用回顧總結，培養學生對于搜集證據的元認知

科學教學的意義并不僅僅在于使學生獲得科學知識，更重要的是引導他們經歷獲取科學知識的過程，培養科學探究的方法以及發展元認知的能力。

例如，在最后一次探究和教學結尾處，教師有意識地引導學生深化證據意識，進行反思性訓練，從而提升了學生的元認知能力。本環節的教學片段如下：

師：我很想知道，你們這次怎么猜得這么準呢？誰來分享、評價一下自己的猜想？

生：我們前兩次實驗已經知道了光是沿直線傳播的。三個孔也不例外，和剛才同學講的一樣，火焰頂端穿過第一個小孔到達這里，下面火焰穿過第一個小孔到達這里，形成一個倒著的像。后面兩個孔也是一樣的，那三個孔就形成了三個倒著的像。我很高興自己還學會了怎樣找規律。

師：很好！他是用我們學習過的“光是沿直線傳播的”這個知識，也就是用間接證據猜對的，還自我評價學會了怎樣尋找規律。還有沒有用別的方法也猜對的？

生：我是靠前兩次經驗也就是直接證據獲得這個結論的。我看第一次它有一個小孔，光又是沿直線傳播，它會有一個倒著的像。第二次有兩個小孔就有兩個倒著的像，所以我認為第三次有三個孔就會有三個倒著的像。我發現，獲取證據后的思考很有用，為下次假設提供了依據。

師：掌聲鼓勵。我們一起來回顧一下這個過程。在小孔與像的研究活動中，之所以我們的猜想假設越來越接近于事實，是因為我們的知識（間接證據）在一點點增多，我們的經驗（直接證據）也在逐漸豐富，我們每個人都在不斷地反思總結。

這里，我們可以把知識和經驗都理解為事實，知識是概念性事實，經驗是經驗性事實。經驗性事實是由直接明確的、經觀察得來的證據支撐的事實，就是直接證據。概念性事實是人們深信不疑的一些觀點，就是間接證據。

不管是預測還是作出假設，都有著由簡單到復雜，由單因素到多因素，由不正確到逐漸接近正確，以“漸進”形式發展的特點。學生的這種發展正是依靠證據的增多和發現證據之間的聯系，形成統一的整體而實現的。