側重學生思維發展的科學探究教學

[摘 要]結合初中物理科學探究教學案例，深思科學探究要素，詮釋科學探究要義，在此基礎上依據初中生的思維特點及思維進階需要，探索初中物理科學探究教學，以期更好地落實物理學科核心素養。

[關鍵詞]科學探究;思維進階;理性教學

[中圖分類號]? ? G633.7? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2022）08-0039-04

科學探究是人類探索和了解自然、獲得科學知識的方法，也是學生學習科學的主要方式之一。科學探究教學為學生提供充分的探究學習機會，逐步培養學生收集和處理科學信息的能力、獲取新知識的能力、分析問題和解決問題的能力以及交流與合作的能力，讓學生形成尊重事實、善于質疑的科學態度[1]。

初中物理教材根據初中生的思維特點將科學探究列入“課程內容”，引導學生參與教學過程，讓學生經歷與科學工作者相似的探究過程，主動獲取物理知識，領悟科學探究方法，發展科學探究能力，體驗科學探究的樂趣，養成實事求是的科學態度和勇于創新的科學精神。科學探究教學注重培養學生的學習能力、創新精神、實踐能力以及批判性思維和創造性思維能力。因此，初中物理科學探究是一個學習過程，是一種學習方式和科學研究方法，是一種學習科學知識、發展科學思維、形成科學態度的手段和途徑，還是一種綜合的、關鍵的科學能力和素養。

一、科學探究的要義

依據《義務教育物理課程標準（2011年版）》，科學探究包含提出問題、猜想與假設、設計實驗與制訂計劃、進行實驗與收集證據、分析與論證、評估、交流與合作等要素[2]。提出問題要從實驗現象出發;猜想與假設是基于部分事實得出的不確定的結論，需要經驗事實支撐;設計實驗是為了尋找證據，使結論更可靠;收集證據和交流評價需要尊重證據和進階評價，在證據走向主張的過程中，使思維得到不斷進階。

深思科學探究過程，可以將科學探究歸納為問題、證據、解釋、交流這四個方面。結合近年來思維進階的研究成果，科學探究的要義可以設計為問題、證據、評價，同步思維進階的范式如圖1所示。物理前概念的形成是學生思維發展的第一層境界，這個階段學生受經驗影響較大，思維波動性強，處于人云亦云、缺少獨立見解的階段。科學探究要素中“提出問題”“猜想與假設”是學生思維第一層境界的表征。發現不同，糾正錯誤前概念，建立科學概念，是學生思維的第二層境界，這個階段需要學生學會思考，形成自己的思考方法。科學探究要素中“設計實驗與制訂計劃”“進行實驗與收集證據”是學生思維第二層境界的狀態。取長補短，完善認知，鞏固概念，是思維的第三層境界，這個階段需要學生學習經典思維模型并靈活應用。科學探究要素中“分析與論證”“評估”“交流與合作”是學生思維第三層境界的修煉。創造、創新是學生思維發展的第四層境界，這個階段需要學生建立自己的思維模型，構建思維體系。化繁為簡是學生思維發展的第五層境界，這個階段需要學生用思維體系去解決問題[3]。科學探究過程中領悟到的方法、發展的能力、養成的科學態度和科學精神不同程度升華著學生思維的第四、第五層境界，影響著學生發現問題、提出問題的意識和能力。

二、科學探究教學案例與詮釋

以“探究杠桿的平衡條件”（蘇科版教材九年級上冊第十一章“簡單機械和功”）教學為例。

師：杠桿靜止或勻速轉動，我們就說此時杠桿處于平衡狀態。如圖2和圖3所示的蹺蹺板就都處于平衡狀態。（感官與物理現象的實際接觸是從生活走向物理的表現，也是順應學生思維的開始。）

師：影響杠桿平衡的因素有哪些呢？（降低教學起點，在真實的情境中啟發學生思維。）

生1：與作用在杠桿上的力的大小有關。

生2：與作用在杠桿上的力的方向有關。

生3：與作用在杠桿上的力的個數有關。

生4：與力到支點的距離有關。

生5：與力的作用點到支點的距離有關。

（上述教學中，提問接地氣，猜想有依據，故能激發學生的學習興趣，調動學生的學習積極性。學生進入課堂前或多或少地了解過相關物理現象，已經具有一些經驗和認知，通過設問和追問喚醒學生的經驗，鼓勵學生結合已知進行推測，根據學生的回答判斷學生學習的起點。）

師：二力平衡要滿足一定的條件，杠桿平衡是不是也要滿足一定的條件？（類比教學，喚起同理心，激發求知欲。）

生：那是肯定的。（知識認同轉向教學認同。）

師：那么，杠桿平衡的條件是什么呢？（問題之所以成為問題，可能是因為認知沖突，也可能是認知的升級需要，所以提出問題要尊重學生的思維起點和認知邏輯。）

生1：可能是“兩個力大小相等”。

生2：可能是“動力×支點到動力作用點的距離=阻力×支點到阻力作用點的距離”。

生3：可能是“動力+支點到動力作用點的距離=阻力+支點到阻力作用點的距離”。

生4：可能是“動力+動力臂=阻力+阻力臂”。

生5：可能是“動力×動力臂=阻力×阻力臂”。

（猜想是基于部分事實的不確定結論，是對發現的解釋，與學生的經驗、前概念和能力有關，猜想不是假想，更不是瞎想，要有一定的經驗基礎和社會事實支撐，適當的時候可以對猜想進行追問，追問依據或理由是什么。）

師：如何得到杠桿平衡的條件呢？（感性認識與認識對象之間是直接的，具有直接性;理性思維是認識主體通過抽象思維對感性材料進行加工而獲得的，它與認識對象之間是間接的，具有間接性。）

生：設計實驗，尋找證據。（怎樣把一個新穎的理念轉化為實踐操作的力量是教師需要思考的問題;在制訂計劃、設計實驗時應把發現問題和解決問題的權力交給學生;在探究教學的過程中找到切入點。）

師：如何設計實驗？需要哪些器材？如何進行實驗？（設計實驗是研究方法，也是一種動手能力。通過設計、改進、優化，尋找證據，發展學生的思維。）

生1：找一把帶刻度的直尺當杠桿，懸掛鉤碼施加作用力，改變鉤碼的個數，改變作用力的大小，改變鉤碼的懸掛位置，改變力的作用距離。（從蹺蹺板中抽象出杠桿模型，是從具象到抽象的過程，是科學思維的進階。力的變化轉化為鉤碼的個數，距離的改變轉化為懸掛位置的改變，這是教學的回歸，是從生活走向物理的過程。）

生2：一邊掛鉤碼，一邊可以用彈簧測力計施加拉力，因為鉤碼對杠桿只能施加豎直向下的拉力，而彈簧測力計可以施加不同方向上的拉力，如圖4所示。（用彈簧測力計代替鉤碼對杠桿施加拉力，便于學生認識力臂，知道力臂是支點到力的作用線的距離，而不是支點到力的作用點的距離。實驗創新可以是方法創新，也可以是器材創新。）

生3：改變動力、阻力、力的作用點和力的方向，進行多次實驗，避免實驗結論的偶然性。（多次實驗不是重復實驗，要變換實驗維度，盡可能地多考慮實驗證據的可能性，使結論具有一般性。）

師：我們動手做實驗前，杠桿的自重需不需要考慮？（設計實驗時，關注點在主要因素和關鍵內容上，偏理想化一些，一旦實驗方案具體化，一些實際問題就會隨之出現。消除實驗器材自身帶來的影響是實驗證據可靠的保證。）

生：支點兩側不等重時，杠桿不會靜止。（學生受經驗影響做出的判斷是感性的，制造認知沖突才能突破前概念的約束。）

師：是這樣嗎？讓我們動手做實驗，讓杠桿兩邊不等長，即重心偏離支點，看杠桿能否靜止，判斷杠桿能否處于平衡狀態。（實驗時有意讓杠桿從水平位置釋放，讓學生看到杠桿從水平位置發生轉動，最終杠桿也能靜止。學生在驚訝的同時，也會產生頓悟：重心偏離支點，重力會使杠桿轉動。但是，當重心過支點時，杠桿的重力與支點對杠桿的支持力會平衡。）

生：不掛重物時，讓杠桿的重心過支點，杠桿的重力對杠桿的轉動沒有影響了嗎？

師：如果杠桿在水平位置上沒有發生轉動說明什么？（將任務鑲嵌在問題中，發現不同是糾正前概念、建立新概念的關鍵。）

生：說明重心過支點，就可以消除杠桿重力對杠桿平衡探究實驗的影響了。（發現學習是最有效的學習方法，符合學生的思維進階規律。學生通過參與實驗設計和實驗評價，不斷糾正錯誤的前概念，建立正確的認識，形成自己的思考方法，獲得新知。）

師：通過給杠桿加平衡螺母，調節平衡螺母位置使杠桿在水平位置平衡不就是消除杠桿重力對實驗的影響嗎？（實驗的設計可以不斷完善，要尊重學生的元認知和思維發展規律。）

生：調節托盤天平橫梁上的平衡螺母也是消除橫梁重力對實驗的影響。

師：消除了杠桿重力對實驗的影響，現在我們通過加掛鉤碼、調整鉤碼的懸掛位置來探究杠桿的平衡條件，如圖5所示。（杠桿靜止在不同位置都是平衡的，由一般到特殊，提供經典思維模型更符合學生的認知習慣。先演示杠桿不在水平位置平衡的情況，讓學生根據實驗數據尋找杠桿平衡的規律。首先讓學生認識杠桿平衡條件與二力平衡條件是不同的;其次讓學生認識到杠桿平衡不僅僅與力的大小有關，還與距離有關。）

生：杠桿的平衡條件是“動力乘以動力作用點到支點的距離等于阻力乘以阻力作用點到支點的距離”。（用鉤碼探究杠桿的平衡條件得出這個結論是正常的，也是學生在分析實驗數據基礎上得出的實驗結論，是學生的重要發現，也是他們概括思維的體現。雖然離正確的結論還有一段距離，但教師也要給予一定的肯定;通過追問“你是怎么得出結論的”，鼓勵學生進行自我評價和相互評價。）

師：我們把一側的作用力換成彈簧測力計的拉力來驗證剛才得出的結論是否正確。（變“探究”為“驗證”是對學生得出結論的尊重。鉤碼對杠桿的拉力只能豎直向下，有局限性，用彈簧測力計代替鉤碼，變特殊為一般。）

生：彈簧測力計豎直向下拉時，動力乘以動力作用點到支點的距離仍然等于阻力乘以阻力作用點到支點的距離;當彈簧測力計斜拉時，動力乘以動力作用點到支點的距離不等于阻力乘以阻力作用點到支點的距離。（豎直向下拉變為斜拉，力的作用點沒有改變，力臂卻發生了改變，啟發學生進一步探究力與力臂乘積的關系。以學習的方式呈現評價，用基于思維進階的分析繼續探究。）

師：對比豎直向下拉和斜拉，對于杠桿，除了力的大小發生了變化，力臂也發生了變化，如圖6所示。既然“動力乘以動力作用點到支點的距離不總是等于阻力乘以阻力作用點到支點的距離”，我們不妨探究“動力乘以動力臂和阻力乘以阻力臂的關系”。（先探后教，先學后教，既可以激發學生的學習興趣，觸發學生思維，又能暴露學生的前概念，便于教師進行精準教學。）

生：當拉力的方向為豎直向下時，如果杠桿不在水平位置平衡，測量力臂不方便，如圖7所示。如果保持杠桿在水平位置平衡，力臂就是力的作用點到支點的距離，可以直接讀出力臂的大小。（把發現的權力還給學生，可以培養學生的獨立思維和科學解決問題的能力。通過過程評價，提升學生解釋證據的能力。）

師：杠桿在水平位置平衡時，測量豎直拉力的力臂比較方便，杠桿在其他位置靜止也可能是平衡的，那么，杠桿的平衡條件應該是什么呢？（“學生說錯不是錯，不讓學生說才是錯”，“怕學生出錯的課不是好課，讓學生暴露問題的課才是好課”。）

生：杠桿的平衡條件應該是“動力乘以動力臂等于阻力乘以阻力臂”。（思維主要是抽象概括與邏輯分析的一種認知過程，它是學生接受知識、發現知識和建構知識的基本前提。）

師：杠桿的平衡條件是“動力乘以動力臂等于阻力乘以阻力臂”，為什么開始實驗時可以得出“動力乘以動力作用點到支點的距離等于阻力乘以阻力作用點到支點的距離”的結論？（學科知識絕不是展現教材現成的結論和論證，而是重在揭示隱含在其中的精彩而又獨特的思維過程，并引導學生深入到學科知識的發現和再發現中去[4]。）

生：通過畫圖，結合數學知識發現動力臂和阻力臂之比正好等于動力作用點到支點的距離與阻力作用點到支點的距離的比，如圖8所示。（學習的過程必定是思考的過程。把教材上的智慧轉化為自己的智慧，學生才能真正理解和掌握學科知識。）

師：利用現有的實驗器材，動手驗證“杠桿的平衡條件”。（物理教師必須明確教給學生什么知識，讓學生學到什么，能做到師退生進，真正把主動權交給學生，把發現問題的權力交給學生，讓物理課曲徑通幽，引人入勝。教師教給學生的是思維，不是結論;收獲的是智慧，不是呆滯;培養的是學生，不是考生。）

三、科學探究：物理課堂的理性教學

理性與感性相對，理性是成長的需要，是成熟的標志。感性是認識的低級階段，是理性認識的基礎。物理教學從認識物理現象開始，到揭示物理規律，再到物理應用，就是引領學生從感性到理性，形成必備品格和關鍵能力的過程。

理性教學的目標是把學生培養成具有獨立思考能力和科學思維能力的人。理性教學主張有思維進階，其核心目標就是在教學中滲透基于過程和思考的科學思維的培育。基于理性的學，需要涵養性情，在豐富感性認識的同時通過抽象思維對感性材料進行加工，從現象中揭示本質，從偶然性中揭示必然性，完成認識過程的一次飛躍。

科學探究教學通過創設情境，在豐富學生感官的同時引發學生思考，進而讓學生發現并提出問題;通過設計實驗、制訂計劃，重視學生個體思維的不平衡性，從培養“感覺”開始，激發學生探究的興趣和熱情，使學生自覺成為學習的主體;通過實驗并收集證據，獲得真實的體驗，得到真切的感悟和理解，促進學生能力提升;通過分析、論證和交流評估，把發現問題的權力交給學生，將評價任務與思維進階融合在一起，學生會對他人的論證方式產生反應，會根據外界評價不斷地進行自我調整，從而養成實事求是的科學態度和科學精神;在解釋證據的過程中，學生會感受到用物理科學方法理解大自然的美好，在評價中樹立基于證據的科學論證和推理，培育出具有獨立判斷能力和思考能力的理性人[5]。

四、結束語

傳統教學減少了學生的思維參與，學生無須思考，只需聽講和死記硬背就能掌握知識。通過不同類型的問題，引導學生討論、探求解題的方法，然后再通過反復練習加以鞏固，以應對考試時同類型的解答。但這種教學不是培養“思路”，而是培養“套路”;不是讓學生掌握思維規律，而是使學生形成思維定式，實際上，這是對學生智慧的扼殺。

科學探究既是學生的學習目標，又是重要的教學方式。科學探究的形式是多種多樣的，在學生的科學探究中，可涉及所有的要素，也可只涉及部分要素。科學探究遵循學生認知規律和思維發展規律，是構建理性課堂的重要形式。

科學探究立足于改善學生的思維品質，是符合學生年齡特點的，是基于思維層級論和進化論而產生的思維進階實踐。關注學生的思維差異，重視個體思維發展的不平衡性，表現為重視個體的思維品質、思維水平，包括個體的先天和后天發育的差異。在實際教學中，教師應從豐富“感官”開始，激發學生探究的興趣和熱情，使學生成為學習的主人。科學探究不以機械訓練的方式訓練學生的思維，而是把教學變得有趣、快樂，把學生的知識學習與技能培養相融合，將知識學習和情感態度與價值觀教育相融合。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

[1]? 廖伯琴.普通高中物理課程標準（2017年版）解讀[M].北京：高等教育出版社，2018.

[2]? 中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2011年版）[M].北京：北京師范大學出版社，2012.

[3]? 陳華.基于思維進階的初中物理實驗教學設計：以“電流的磁場”為例[J].物理教學探討，2021（5）：29-31.

[4]? 余文森.核心素養導向的課堂教學[M].上海：上海教育出版社，2000：74-78.

[5]? 張世成.證據課堂：證據物理的十年探索[J].中學物理教學參考，2020（28）：5-9.

（責任編輯 易志毅）