運用U型模式提升學生的科學探究素養*
——以“探究種子萌發的環境條件”為例

郭 威 謝虎成

（1 廣東省廣州市東環中學 廣東廣州 510030 2 廣州市荔灣區教育發展研究院 廣東廣州 510370）

知識本位的教學追求快速得到知識結論，是省略學生的思考過程的淺層學習，無法促進學科核心素養的發展［1］。U 型模式是素養為本的教學，是追求高階思維發展的深度學習，強調學習過程的完整和學習方式的多樣，包括下沉、潛行、上浮3 個環節（圖1）。下沉指通過問題情境激發，學生進入深度學習狀態；潛行指學生參與知識的探究過程，體驗知識發現的學科方法，經歷深度學習過程；上浮指學生通過表達與運用知識，達成知識的意義與價值。在“探究種子萌發的環境條件”一節的教學中，采用U 型模式設計教學，按照“下沉（問題引入）→潛行（實驗探究）→上浮（質疑與反思）”順序展開，切合學生的認知需求，有利于培養學生的科學探究素養。

圖1 U 型模型

1 下沉：創設問題情境，激發探究意識

下沉是深度學習的入口，是指教師創設問題情境，引發學生進入深度學習狀態的過程。下沉的起點是創設問題情境，吸引學生對學習內容的關注，引起學習興趣。下沉的關鍵點是制造認知沖突，激發學生的探究欲望。

創設情境是下沉的首要環節，只有真實的、與學生生活經驗密切相關的問題情境，才能引起學生的高度關注。課前調查的結果表明，多數學生在小學科學課程中制作過豆芽菜，本節課首先讓學生回憶豆芽菜的制作過程，并回答“在什么條件下綠豆種子才能萌發成為幼苗？”；進一步下沉，用多媒體技術優化情境，觀看豆科植物種子萌發的視頻，并將問題拓展為 “種子萌發需要哪些條件？”學生邊觀看邊思考，并分組討論交流。1 組學生認為“種子萌發需要陽光、水分、土壤和肥料”，2 組認為“還需要空氣”，3 組認為“需要水分，但不需要土壤，制作豆芽菜就沒用土壤，還有無土栽培”，4 組認為“需要一定的溫度，但不需要陽光，因為種子萌發是在泥土中進行的”。

在下沉環節中，視頻中精美的畫面和悠揚的配曲吸引學生對現象的關注，與情境密切相關的問題引發學生對原理的猜測，學生根據生活經驗提出不同的假設，不同的假設造成認知沖突，這種沖突無法用“說理”解決，必需從現象的表面下沉到原理的追蹤，全身心地投入實驗探究環節，進入“潛行”的學習狀態。

2 潛行：理清探究思路，體驗探究過程

潛行是學生經歷完整的探究歷程，一步一步地追尋對生命規律的本質認識，獲得對生命現象科學解釋的認知過程。潛行是分層深入的，本節課包括設計實驗、論證實驗方案、實施實驗。

第1 層是設計實驗。借助學生的好奇心和好勝心，教師要求各組設計一個實驗以驗證本組的假設，提示可參考“探究光對黃粉蟲的影響”實驗，建議利用列表、流程圖等，直觀表達實驗方案。學生經過緊張的討論，各組形成了自己的實驗方案。

第2 層是論證實驗方案。分組所設計的實驗方案是否可行還需進行論證。論證實驗方案包括分組展示實驗方案、組與組間進行評價、修改和完善實驗方案3 個環節。

第1 組探究光、空氣、水分、溫度、土壤等對種子萌發的影響，實驗方案見表1。

表1 探究光、空氣、水分、溫度、土壤等對種子萌發的影響

進入互評環節，有的學生認為“這個設計非常好，一個實驗就全部驗證了種子萌發的所有條件”，也有的學生認為“這個設計不合理，即使1 號裝置中種子全部萌發，2 號設置中種子不萌發，也不能說明光、水分、溫度、空氣、土壤這5 個條件都是種子萌發的必要條件”。教師順勢提出問題“多個條件不同時，如何確定哪些條件對實驗結果產生了影響、哪些條件沒有影響？ 一個實驗中應研究一個自變量還是同時研究幾個自變量？ 為什么？”

通過激烈的爭論，學生終于弄清實驗設計應遵行“單因子變量原則”，并運用這一原則將原有設計方案修改為“探究光照對種子萌發的影響”。

第2 組探究空氣對種子萌發的影響，1 號裝置將種子與空氣隔離，2 號裝置置于通風條件下，其他條件相同。

該小組的實驗方案中每個裝置各選擇了5 粒種子，理由是節約實驗材料，這又引起學生的爭論。有的學生提出，為了體現節約原則，各選1 粒種子即可。但更多的學生認為種子不能太少，數量太少可能因為有的種子被蟲蛀、有的種子本身活力不強等偶然因素會影響實驗結果。學生經討論達成共識，將原方案修改為“每組20 粒飽滿的綠豆種子”。

第3 組探究水分對種子萌發的影響，他們認為沒有水種子不能萌發，但水過多會“漚死”種子，故設置了3 組實驗（表2）。

表2 探究一定量的水分對種子萌發的影響

這一設置已含有“定量實驗”的萌芽，教師給予充分肯定。學生就如何界定“多水”“一定量的水”展開討論，最后確定“多水”是將種子一半浸入水中，保證另一半暴露在空氣中（保證空氣條件）；“一定量的水” 則為定時噴水以保證裝置內的濾紙墊濕潤，而其他條件保持相同。

其他小組分別展示了探究溫度、土壤對種子萌發影響的實驗方案，并進行了交流和討論。通過討論達成了以下共識：①每組實驗只能研究影響種子萌發的1 個條件（單因子變量原則）；②要設置對照實驗，如果希望找出合適的條件還可設置多組實驗；③盡量避免偶然性誤差（例如，選擇飽滿健康的種子、其他條件相同且適宜等）；④實驗方案要有可操作性（現有條件下可實施）。為了確保實驗成功，學生一致同意每3 人一組，每組實驗都由3 個小組選擇不同的材料（分別為綠豆、花生、小麥）實施。

第3 層是實施實驗，這是獲取證據的關鍵環節。組員分工合作，有的選擇種子，有的制作實驗裝置，有的制作觀測量表。學生在課堂上完成裝置的設置和播種，課后定期澆水、觀察和記錄。

這一實驗經歷了近1 周時間，實驗過程中出現各種預先沒有想到的問題，例如，第2 組的學生設計1 號試管與空氣隔離的方法是裝置瓶密封法，但澆水時卻有空氣進入，討論了很久都沒有解決，最后在全班“懸賞”征集解決方案時，才有人提出用水封法將種子與空氣隔離（圖2）。

圖2 水封法

潛行是科學探究的主體，這一過程既有獨立思考，又有分工合作；既有激烈辯論，又有動手操作，在此過程中思維、情感、身體都深度參與其中，“對照實驗、實驗組、對照組、單因子變量”等基本概念是在“做”中明白的、在“辯”中理解的。學生在討論實驗方案時，學會接納他人意見；在評價實驗方案時，學會辯論、傾聽和反思，思維的嚴謹性、發散性、批判性得到了提升；在分組實驗中，學會分工與合作；在實施實驗方案的過程中，發展動手能力，提升實驗技能，鍛煉一絲不茍的作風，養成吃苦耐勞的良好習慣。實驗設計的基本原理是在爭論中領悟的，實驗操作的基本方法是在實踐中學會的，嚴謹求實的科學態度是在操作中養成的。這些都是潛行的收獲，是科學探究素養的基本要素。

3 上浮：分析實驗現象，表達探究成果

上浮是指知識的表達與運用，是知識外顯化的過程，也是知識的檢驗與反思的過程。對于本節內容，上浮就是分析實驗現象，得出“種子的萌發的環境條件”的具體結論，并運用這一結論解決生產、生活實際問題的過程。

1周之后，學生展示實驗成果，并對本組實驗現象進行解釋。第1 組的結論是：光照對于種子萌發沒有影響；第2 組認為：空氣是種子萌發的必要條件；第3 組認為：一定量的水分是種子萌發的必要條件；第4 組認為：溫度過高和過低都不利于種子的萌發；第5 組結論是：土壤不是種子萌發的必要條件。學生交流后還發現，不同的材料所需的條件、萌發所經歷的時間、發芽率都有差異，最后得出結論：“適宜的溫度、一定的水分和充足的空氣都是種子萌發所需要的”，至此，探究的結果浮出水面。

與探究結果同時上浮的，還有意想不到的收獲。第1 組還發現，光照雖然對種子萌發沒有影響，但對植物的生長是有影響的，在黑暗條件下萌發的芽是白色的，而在光照條件下萌發的芽是綠色的；并通過查找資料獲知，有些植物種子萌發與光照是有關系的。第3 組發現，水分多的一組種子也能萌發，但后來其根變黑了，教師引導他們進行科學解釋。這些發現帶給學生更多的啟迪：完好地保存作物種子的條件是什么？ 保存種子可采取哪些方法？ 知識的運用是上浮的延伸。

上浮是深度學習中不可或缺的環節，知識只有在表達與交流中才能檢驗其合理性，在運用中才能檢驗其科學性。通過實驗現象分析得出結論，促進學生養成尊重事實和證據的意識，發展學生推理能力；表達與交流促進了書本知識的個人化理解；運用知識解決生產、生活中的問題促進學生形成“社會責任”的意識，實現知識的意義增值。

4 小結

美國著名教育家杜威認為，書本知識具有不可教性，需要讓學習者經歷一個復雜的過程，即知識的學習需要經過還原與下沉、體驗與探究、反思與上浮的過程［2］。U 型教學模式讓學生經歷下沉、潛行、上浮3 個基本環節，既契合了知識生產的基本規律，又契合了學生認知的基本規律。下沉環節情境創設注重建立知識與學生經驗的聯系，有利于激發學生學習動機；潛行環節通過實驗設計、動手操作、小組合作、生生評價等有效手段，培養學生的科學思維和實驗探究能力；上浮環節通過知識表達與運用，培養學生遷移知識的能力，實現知識的意義增值。通過U 型模式，學生不僅獲得了對符號知識的深度認知，而且獲得了對科學探究概念的深度理解［3］、對探究活動的深度體驗和對探究規律的完整把握，是對科學探究素養的全面鍛造。