基于思維型教學理論的科學概念問題式教學策略研究

王紅艷

科學教育的目的是讓學生在接受科學教育過程中逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力的學科核心素養[1]。即要求學生具備綜合運用所學知識與方法解決社會生活中的復雜情境問題與突發事件的高階認知和問題解決能力。該核心素養的落實，不僅需要精心選擇與組織教學內容，更需要以引導的學習者思維參與的創新型學習與教學方式為保障。思維型教學理論認為，課堂教學中師生的核心活動是思維，提出教學應遵循動機激發、認知沖突、自主建構、自我監控和應用遷移的5大基本原理[2]。2017年教育部頒布的小學及高中各類課程標準均鼓勵教師在教學中采用問題式等主動教學方法落實學科核心素養[3]。問題式教學是20世紀中期美國心理學家與教育學家羅杰斯針對傳統被動學習所提出一種開展主動學習的教學方法[4]。主動學習強調學習過程中學習者對現實世界相關信息的主動建構[5]。個體的主動建構產生的核心在于思維的激發，而思維來源于問題。信息加工理論認為問題是給定信息和解決目標之間存在的需要克服的障礙。這種障礙可以激發學生參與學習的欲望，啟發學生積極思維，引導學生在分析問題和解決問題的過程中領悟方法，學會知識，發展能力[6]。已有研究發現，課堂教學中教師良好的問題設計能有效地激發學生興趣，創設認知沖突，啟迪學生思維，幫助學生以問題組織整合學習內容，促使學生達到更深層次學習[7]。教師在教學活動中的問題設計會涉及到問題的認知水平、等待時間、層次關系等相關屬性的設計。本文基于思維型教學理論，結合教師授課環節，建立面向思維的科學概念問題教學策略，并提供具體教學案例。

科學概念的問題式教學策略

研究以思維型教學理論為指導，從動機激發、認知沖突、自主建構、自我監控、應用遷移5大基本原理出發，提出面向思維型的科學概念問題教學策略[8]，具體如圖1所示。

研究構建了“創設情境問題，引發認知沖突”“開展合作探究，自主構建概念”“進行總結反思，深化概念理解”和“解決情境問題，促進應用遷移”4個環節的面向思維的科學概念問題式教學策略，并為各教學環節的問題設計提供操作技術。該教學策略，一方面關注學生參與學習的主動性。教學過程中應創設能夠激發學生認知沖突的情境問題作為學生主動學習的引擎。另一方面關注學生學習中的自我監控能力。教師通過分析問題，提出假設，制訂計劃，收集和評估信息，得出結論，開展交流與反思的各學習階段，逐步培養學生的元認知策略。

科學概念問題式教學策略的實施環節

創設情境問題，引發認知沖突

創設隱含科學概念的真實情境問題，激發學習者的學習興趣與探知欲。該階段情境與問題是其要素。情境能激發學習者的學習興趣與探知欲。情境應盡量與學習者生活經驗密切相關，且與學生原有科學概念存在矛盾，能引發學習者的認知沖突[9]。問題能引導學生從哪些方面逐步認識概念本質，形成科學觀念。問題的設計，一方面應關注概念所處的大概念進階思維能力;另一方面應具有一定的融擴性，可利用情境創設一系列有序、多類型、具有層次關系的問題鏈[10]。

開展合作探究，自主構建概念

設置引導問題，讓學生從相關材料的感知、歸納、概括等感知基礎上，應用抽象與概括的方法，形成抽象概括的科學概念。學生以合作探究的形式逐步從多個方面認知概念時，教師應創設恰當的引導問題，讓學習者在相關材料加工過程中積極開展比較、歸納與概括等認知加工。該環節需要經歷概念的細化與概括2個環節[11]。

概念精細化是建構概念的重要環節。教師利用正反存在矛盾的感知材料，借助不同的方法讓學生在觀察、實驗、調查、交流的過程中產生思維的碰撞，引出新觀點，形成新概念。該過程教師利用逐層分解的深層問題引導學習者在關注科學概念事實性知識的基礎上，從多個角度理解相關材料，建立多個概念的聯系性。

概括是依據科學概念形成的本質，是科學概念建構的關鍵思維。教學過程中，教師采用指向現象材料比較、分析、歸納、概括的加工過程的深層問題，并以前置問題的方式引發學生按照類別、屬性等層次科學認識事物的結構、功能、變化及相互關系，從適用范圍及規范性多個方面，感知概念的整體性。

進行總結反思，深化概念理解

概念理解即分析、解釋概念的過程。學習者在交流過程中對概念理解的自我反思具有重要作用，學習者不僅需要調節原有認知結構與新概念進行平衡，還需要自我監控思考過程，不斷調整解釋范圍。這一階段的核心要素是理解與評估。

理解，學習者會通過概念自我解釋發展高階思維，對新情境問題的解決起著重要作用。為避免學生自我臆斷的不科學觀點，教師可采用基于實證數據的深層問題，引導學生運用科學探究實踐中客觀實證數據解釋事物的特征或變化的原因，分析事物之間的聯系及其發展特征。

評估，概念本質特征的動態性促使學習者在科學概念學習過程中要主動進行評估，并在此基礎上形成科學觀念。教師應該讓學生在學習過程中時刻保持反思的意識，通過對認知結構中的理解和意義進行反思能支撐學生獲取更深層次和更具概括性的學習和理解;對經驗和結果的重新組織和思考可以加深學生對探究的理解，防止學生將探究局限于探究步驟的執行。

解決情境問題，促進應用遷移

概念遷移是學習者新科學概念在解決新情境問題，從而實現對新概念的驗證、應用、鞏固和提升。概念遷移，運用新概念解釋新情境現象與解決新問題，是學習者對概念內容、結構的深度加工。教師可采用新情境的現象解釋與問題解決的相關深層問題組織學生回顧所學的概念，在新情境中對概念內容進行編碼，從內容與結構多個方面的原有認知結構，促進概念遷移的產生。

科學概念問題式教學案例分析

問題式教學策略的實施必然遵循思維型教學理論所提出的動機激發、認知沖突、自我建構、遷移應用及自我監控5大教學原理。下面以“教科版”《科學》教材3年級上冊第2單元“空氣”為例，具體分析教師在各教學環節中如何設計問題，進而培養學生的科學學科核心素養。

“空氣能占據空間嗎”教學目的是讓學生通過探究活動知道空氣能占據一定的空間。其教學實施過程具體如下。

創設情境問題，引發認知沖突

教師提問：同學們，我這里有一個紙團，將它浸入水中，它會怎么樣？（前置問題）

教師提問：今天我們用手中的杯子保護紙團，讓它在水中不濕，你們有好辦法嗎？想不想挑戰一下？（前置問題、深層問題、情境問題）

任務挑戰要求：①杯子要全部浸入水中;②紙團不可以濕;③一邊做一邊觀察。為了防止紙團掉出來，已經將紙團粘在杯底了。

開展合作探究，自主建構概念

教師提問：紙團為什么不濕？（深層問題、情境問題）

成功的小組分享秘訣，失敗的談談經驗。

學生小結：杯子里有空氣，紙團不濕。

教師提問：空氣真的能占據空間嗎？你如何證明里面是空氣？（深層問題、問題鏈主問題）

設計實驗，探究空氣性質。

●扎孔觀察

教師提問：請同學們結合空氣無色、透明、無味、會流動及無處不在的性質設計實驗。

特別提醒：杯子中的空氣如何排出？（深層問題、問題鏈分支問題）

學生小組：設計底部有孔杯子的探究實驗方案。

將小塑料球放入水中，用手指按住杯底小孔，豎直扣在小球上，觀察杯中水面和小球的變化;然后松開手指，露出小孔，再觀察杯中水面和小球的變化。

教師提問：杯中的水面和小球有什么樣的變化？為什么杯中的水面先是下降，小球隨之沉到水底？后來水面和小球又上升了？（深層問題、問題鏈分支問題）

領取材料，開始實驗。

●打氣觀察

教師提問：如果給你打氣筒，你有沒有辦法讓小球再回到杯底？水面和小球又有什么樣的變化？如何做？（深層問題、問題鏈遞進問題）

學生領取材料，開始實驗探索，記錄結果，演示實驗。

進行總結反思，深化概念理解

教師提問：空氣真的能占據空間嗎？空間是如何分布的？

學生反思：3個小實驗方法是否客觀，數據是否準確，證明“空氣真的能占據空間”，給出結論。

教師總結：空氣真的能占據空間。

解決情境問題，促進應用遷移

教師提問：利用礦泉水瓶、吸管、皮塞等材料制作一個小水槍。思考怎樣設計可以將水噴出？（深層問題、情境問題）

學生探究實驗，實際演示。學生利用“空氣占據空間的原理”解釋現象、分析失敗的原因、總結制作時的注意事項。

科學概念問題式教學策略實施注意事項

問題在科學概念教學中扮演著重要的角色，是組織教學活動、啟發學生思維投入與提高科學概念學習效果的重要手段，教師在開展科學概念教學時需注意以下幾個方面。

首先，教師應提高深層問題的比例。教學過程中深層問題不僅對記憶與理解的低階層面的教學目標具有促進作用，而且對運用、分析、評價與創新層面的高階層面教學目標具有促進作用。

其次，教師應盡量采用真實情境問題作為導課、科學探究實踐組織及科學概念應用遷移測評的線索。思維型教學理論認為，導課環節采用的情境深層問題，讓學習者產生的認知沖突，能有效激活其內部學習動機，并促使學習者根據情境現象解析，以及問題解答的精細線索與整體結構，加工后續學習材料[12]。問題層次關系的研究結果表明，科學概念教學中，具有情境特征的問題鏈能幫助學習者從科學探究的主問題入手，以分支問題為支架，逐步參與概念學習的事實材料收集、歸納與概括，有效提高學習者的自我效能感及成就感，并將其積極情緒反映于材料加工的深度。教學實踐證明，情境特征的問題鏈的應用可以關注到不同層次的學習者[13]。

第三，教師應適當延長問題等待時間。依據問題等待時間的研究結果，科學概念教學中，教師采用后續知識學習引導的前置問題的等待時間延長，可以讓學習者有充足的時間激活長時記憶的問題解答相關信息的篩選與評估，體會個人原有認知的不完善，并且較為系統地感知問題的顯性條件與隱性條件[14]。這些認知均會幫助學習者在后續學習中投入更高的認知努力，甚至也會依據問題的顯隱性條件有組織地加工概念知識。

基于思維的科學概念問題式教學策略的教學過程，學習者會在情境問題分析、解答等過程中感知科學概念、建構科學概念、深度理解科學概念及遷移應用科學概念，進而實現科學概念的深度學習。因此，科學教師在科學概念教學中，應關注情境問題及問題認知水平深度、層次關系及等待時間的設計。