科學課堂對學生科學思維能力的培養

韓玉明：小學科學特級教師，中國教育學會科學教育分會優秀教師，全國優秀輔導員，山東省教學能手，山東省小學科學教研教學先進工作者，山東省課程專家，國標青島版小學《科學》教科書核心作者。在全國、省級報刊上發表教學論文30余篇，主持、參與5項國家、省級課題實驗研究。

《小學科學課程標準》明確提出：“小學科學課程是一門以培養學生科學素養為宗旨的基礎性課程，早期的科學教育對一個人的科學素養形成具有十分重要的作用，培養小學生科學素養是小學科學課程的主要任務?！焙l平教授把科學學科核心素養分為了科學觀念、科學探究、科學思維、科學態度與責任四大部分。其中，科學思維作為科學學科核心素養的核心部分，主要包括三層含義：一是從科學視角對客觀事物本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式，對科學中的基礎理論、理想模型和經驗事實之間關系的理解;二是分析綜合、抽象概括、推理論證等科學思維方法的內化;三是基于事實證據和科學推理，對不同觀點和結論提出質疑、批判，進而提出創造性見解的能力與品質。

一、提出科學思維的依據

（一）批判性思維和創造性思維是21世紀必備的技能

思維與創新、交流與合作是21世紀最主要的技能，而科學對人的影響，最重要的是形成科學的思維方式和創新精神。思維方式、工作方式兩個方面的內容是科學學科需要培養的學生核心素養。

（二）學生發展核心素養報告中的大部分內容涉及思維與創新

學會學習主要是指學生面對新的情境或者具有挑戰性的學習任務時，所表現出來的在思維、認知策略和自我調控等方面的綜合能力，包括對學習的興趣、習慣方法、思維方式、認知策略等。

（三）科學教育研究重視科學論證和模型思維

科學論證是一種學習方式，可以幫助學生發展科學探究能力、建構科學知識并促進科學概念轉變與理解、提升科學認識水平、提升推理能力、批判思維能力和交流能力?？茖W論證是一個重要的科學能力。如，英國將“想法和證據”設定為教育目標;西班牙將“論證能力”擬定為學生必須具備的基本能力;PISA（2015）對科學能力的評價，包括認識科學問題、運用知識科學地解釋現象、運用科學證據做決策與他人交流。

（四）各國科學課程標準都將“思維與創新”列為核心素養和教育目標

例如，加拿大安大略課程（1～8年級）科學與技術，對學生知識和能力的評估目標中就包括思維和探究：批判性思維和創造性思維、探究技能和過程能力。其科學課程的目標之一，是發展學生進行探究的技能、策略和思維習慣。英國《國家課程標準》強調思維能力以及發現運用創造性的手段解決科學問題的方法。新加坡《小學科學課程大綱》提出，小學階段需要培養的基本技能和綜合技能目標之一，就是分析、評價、創造性地解決問題。澳大利亞維多利亞物理課程標準強調模型建立的科學思維過程、分析、綜合、評價等。韓國的科學教育目標提出，培養學生科學思考的能力和創造性解決問題的能力。

二、什么是科學思維

科學思維，也叫科學邏輯，即形成并運用于科學認識活動、對感性認識材料進行加工處理的方式與途徑的理論體系。它是真理在認識的統一過程中，對各種科學思維方法的有機整合，是人類實踐活動的產物。

科學思維包括四個要素。

模型建構：能根據研究問題和情境，在一定條件下對客觀事物進行抽象和概括，構建易于研究的、能從主要方面反映事物本質特征和共同屬性的理想模型和概念。

科學推理：正確使用分析、綜合、歸納、演繹、比例、概率、控制變量等方法;從定性和定量兩個方面進行科學推理，形成規律及理論，解釋自然現象和解決實際問題。

科學論證：使用科學證據的意識和評估科學證據的能力，運用證據對研究問題進行描述、解釋和預測的能力，以及建立證據與解釋之間關系的能力。

質疑創新：具有批判性思維的意識，善于基于證據大膽質疑，能從不同角度思考問題，追求科技創新。

思維與創新、交流與合作是未來學生最主要的技能，而科學課會對學生形成科學的思維方式和思維品質產生重要的影響。《中國學生發展核心素養研究報告》提出的“學會學習”“主動適應與創新”中的大部分內容涉及思維與創新。學會學習主要是指，學生面對新的情境或者具有挑戰性的學習任務時，所表現出來的在思維、認知策略和自我調控等方面的綜合能力。這包括對學習的興趣、習慣方法、思維方式、認知策略等?？茖W教育研究重視科學論證與模型思維。綜上所述，小學科學教學的主要目標之一，就是培養學生的科學思維能力。

三、充分挖掘教材中的探究活動內容，培養學生的科學思維能力

教材是學生進行科學探究活動、提升科學思維能力、培養優良思維品質的素材。青島版《科學》教科書注重對學生思維能力的培養，設計的探究活動注重創設問題情境，激發學生的學習動機，引起認知沖突，引導學生對活動對象、活動過程、思維方式、經驗教訓等進行反思和遷移。目的是以知識為載體，以思維方法為重要線索，在探究活動中提高學生的思維品質。教科書以“問題式”引入探究活動，以“探究式”展開活動過程。思維的引入，以提問、啟發的方式進行。思維的訓練以“活動過程”“自由活動”與“拓展活動”為依托，課內外結合，在著力培養學生一般思維方法與能力的基礎上，強調創造性思維。

例如，教材中常常以泡泡語的形式呈現“你怎么知道？”“說一說為什么這樣猜？”這樣的問題，以培養學生思維的邏輯性;“還有哪些方法？”“我還發現……”這樣的問題，以培養學生思維的發散性。科學結論是在學生經歷探究活動之后，經過思考、分析、交流后總結出來的，從而培養了學生思維的概括性等等。

再例如，在進行教學設計時，要注重研究“思維導航”這個欄目，其是為引領學生的探究活動、將培養學生的科學思維能力與思維品質落到實處而設置的。在學生探究活動的各個環節中，設計一系列有思維含量的與探究活動有緊密關系的問題進行引導與幫助，以使探究活動順利進行，學生的科學思維能力得以提升。比如，在青島版《科學》教科書四年級下冊《聲音的產生》一課中，設計了探究活動“聲音是怎樣產生的？”。教科書呈現的是五幅學生分別利用音叉、鋼尺、礦泉水瓶、水、空氣等物體探究聲音是怎樣產生的特寫圖片。這個活動的思維導航：將正在發聲的音叉插入水中，水面有什么現象？說明什么？鋼尺、水、空氣等物體發聲時分別出現什么現象？這些現象有什么共同特征？

思維導航中的第一個問題可以引導學生進行實驗的操作，提醒學生觀察實驗時發生的現象，并讓學生思考物體發聲時是什么狀態;第二個問題要求學生在利用其他不同器材做聲音產生實驗時注意觀察發生的現象;第三個問題則是引導學生思考分析各個實驗中的現象，交流與歸納這些現象后面的共同特點與規律，即物體振動時會發出聲音。

在思維導航的引導下，學生利用身邊常見的材料，通過幾個簡單的小實驗，就會從科學的視角對客觀事物本質屬性與經驗事實之間建立聯系與理解。思維導航不僅可以有效地指導學生按照觀察現象—交流發現—歸納結論的正確方法與步驟，進行有關“聲音產生”的探究活動，還為拓展自然界與生活中的一些有關聲音產生的現象做了鋪墊，進而培養學生的邏輯思維能力與發散思維能力。

四、利用多種方法，培養學生科學思維能力

科學思維方法是人們通過思維活動，為了實現特定思維目的所憑借的途徑、手段或辦法?；A的科學思維方法包括：抽象與概括、分析與綜合、歸納與演繹、對比（求同和求異）、原因與結果、因果思維、逆向思維、遞推法等等。在思維活動中，思維方法具有十分重要的作用，它是思維主體和思維對象發生聯系的中介和橋梁。沒有科學的思維方法，學生的科學思維能力就無從培養，科學思維活動就不能順利進行并取得成效。

教學活動是教師教的活動和學生學的活動的有機統一。對于學生學的活動來講，不論是明確探究目的、感知探究材料、理解科學知識、掌握探究方法、遷移運用知識、反思學習過程，還是提出問題、分析問題、解決問題、師生互動、生生互動等，其核心活動都是思維。對于教師教的活動來講，明確探究目標、了解學生基礎、進行探究活動設計、創設教學情境、組織探究活動、反思教學過程等，核心活動也是思維。思維活動是課堂教學中師生的核心活動。

例如，在青島版《科學》教科書三年級下冊《彈簧的學問》一課中，認識彈力與彈性是本課的教學重點，對于學生來說有一定的難度，學生在動手操作與認識物體的彈力之間有一些障礙。教學時，我設計了“玩一玩，有什么發現？”這樣一個探究活動，讓小組學生在組內玩各種有彈性的物體：拉彈簧、壓彈簧、握握力器等。在活動過程中設計了以下問題：1.拉彈簧時，彈簧的長度發生了什么變化？手有什么感覺？松手后，彈簧有什么變化？2.壓彈簧時，有什么發現？順著這幾個問題，學生的探究活動就不會停留在嬉戲玩鬧的階段，不僅可以按照正確的方式方法進行探究活動，知道彈簧在受力時長度會發生改變，感受到彈簧被壓縮或拉伸時，會產生一種恢復到原來形狀的力，而且在探究的過程中，學生在自己動手操作與事實證據的基礎上，對實驗的現象與發現進行思考、分析、對比、歸納，自然而然地總結出了什么是彈力。更重要的是，在這些探究過程中，學生動手又動腦，通過所運用的思維方法，培養了他們分析現象、解決問題的科學思維能力。

再比如，在青島版《科學》教科書五年級上冊《云和霧》一課中，設計了探究活動：“霧和云是怎樣形成的？”教科書呈現的是一幅兩個學生在制造霧的實驗場景圖。這個活動的思維導航：1.在燒杯中倒入不冒“白氣”的溫水。想一想：杯內除了水，還有什么？2.把冰塊接近杯口時，發生了什么現象？把冰塊移開，還有這種現象嗎？反復做幾次，有什么發現？3.“霧”是怎樣形成的？學生會按照導航中的要求與提示按步驟進行實驗，觀察現象的同時，思考與交流導航中的問題，自然得出霧形成的條件，進行推想自然界中霧和云的成因。思維導航不僅可以為模擬實驗的順利完成保駕護航，還為類比推理自然界與生活中的一些凝結現象做了鋪墊，進而培養學生的動手操作能力與科學思維能力。

教師是發展學生思維能力的促進者，我們倡導創新課堂教學模式，積極構建“思維課堂”，即在課堂教學中，采取啟發誘導的教學原則，鼓勵學生質疑，注重學思結合，突出積極思維，從而培養學生的思維能力、學習能力和創造力。

課堂是激發學生智力思考的殿堂，在日?？茖W課堂教學中，需要設計科學思維含量高的探究活動，并在探究活動的各個環節與要素中，讓學生充分地練習這些思維方法，特別強調學生思維的參與?？茖W課堂中探究活動的流程一般包括提出問題、猜想假設、制訂方案、搜集證據、交流總結、拓展應用、反思評價等要素，每個要素都會涉及多個科學思維方法，注重科學思維方法的訓練。這樣不僅可以加強與發展學生的科學思維能力，也能促使探究活動有序有效地進行，避免程式化、表面化的探究。同時，基于學生的認知規律等因素，隨著探究活動的深入，還要注重培養學生科學的思維習慣以及對證據、科學見解等質疑的習慣。