解讀科學思維的三個重要維度

◇趙燕娜（浙江：杭州市錢塘區錢江小學）

一、科學思維概述

科學課程要培養學生的核心素養，核心素養內涵包含了科學觀念、科學思維、探究實踐、態度責任。其中，科學觀念是基礎，科學思維是核心，探究實踐是途徑，態度責任是方向。

胡衛平教授說：思維方式特別重要，我們國家在科學教育中培養學生，最大的問題就是沒有很好地培養學生的思維，其中最核心的是：思維方法。

喻伯軍主任也說，科學思維是核心和關鍵能力?？茖W思維，課標的定義是從科學的視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式，主要包括模型建構、推理論證、創新思維等?？茖W思維目標包含基本思維方法目標和科學課重要的思維方法目標。將分析與綜合、比較與分類、抽象與概括、歸納與演繹、聯想與想象、重組思維、發散思維、突破定勢等基本思維方法在科學領域的具體應用，作為基礎的教學目標；把培養模型建構、推理論證、創新思維作為重要的教學目標。

二、科學思維三個重要維度

（一）模型建構

課標這樣定義模型建構：以經驗事實為基礎，對客觀事物進行抽象和概括，進而建構模型;運用模型分析、解釋現象和數據，描述系統的結構、關系及變化過程。

建構模型應該是既能解釋真實情境，真實情境又可以抽象為此模型，這個模型也能證明相關理論，理論也支撐此模型的建構。模型建構應該體現一個過程，是以解決真實情境的問題為目的，通過對模型的認知和學習，建構起認知發展的科學思維能力。模型建構也應該是探究實踐的過程中的建構，體現于核心素養形成的整個過程。

曹寶龍特級教師認為，模型建構特別重要。模型就是用來解釋科學現象的，把科學主要的東西講清楚，把次要的東西都扔掉。胡衛平教授認為：模型建構是抽象概括的結果，就是在真實情境里怎樣建成一個模型，而這個模型建構我們國家的學生是最差的。我們國家的學生比較擅長給一個模型，代入公式去做，但是碰到真實情境的問題，就不一定會做。

所以，培養模型建構思維是一件非常重要的事，也是小學科學教學必須做的事。

（二）推理論證

課標認為推理論證體現在：基于證據與邏輯，運用分析與綜合、比較與分類、歸納與演繹等思維方法，建立證據與解釋之間的關系并提出合理見解。

這里其實有兩個素養：一個是科學推理，另一個是科學論證。兩個素養相輔相成，論證過程中會用到推理，推理的過程也體現了論證。論證素養，實際上體現的是批判性思維。那么，我們應如何更好地運用此類論證性思維呢？

1.抓住“論證契機”，重視“推理論證過程”

教學《磁鐵有磁性》一課時，有學生基于證據提出:“我們組認為磁鐵能吸引金屬物質，吸引像鐵一樣的東西。”此時，教師不能直接出示結論，因為“科學論證”的思維過程遠比“磁鐵能吸引鐵”這個科學概念來得重要。教師于是抓住契機追問：“金屬是什么？你們認為剛才的材料中哪些是金屬？”隨之就有了接下去各個組之間的質疑和認同的論證過程，從而在論證中重構思維：磁鐵可以吸引鐵，科學家們把磁鐵能吸引鐵的性質叫磁性。

教師不輕易下結論，而是抓住科學論證契機，充分展開論證，這是一個很好的思辨過程。觀點發生碰撞，思維循環往復，能夠更好地促進學生科學思維的培養和形成。

2.基于學生“前概念”，實現“針對性推理論證”

以教學《空氣有多重》一課為例。在教學的導入部分，是一個吹氣球的活動：請學生將氣球吹大，思考吹了氣的氣球有什么變化。觀點一：變輕，同時基于觀點進行自我論證；觀點二：變重，另外三組也基于前概念自我論證原因。

針對此前概念論證過程，教師設計了兩個具有針對性的論證活動：借助天平，觀察充氣球重量，天平往充氣球一端傾斜，說明空氣有重量；借助火柴，將空氣質量直觀化，充氣球中空氣的重量就是火柴的重量。因此證明了空氣有重量，并通過實踐得出有多重。

如此基于前概念具有針對性的論證活動，能更有效地對學生的錯誤前概念進行修正，獲取正確的科學概念，也能促進學生“科學論證思維”的培養和形成。

3.修正“單一線性論證思維”，建構“循環往復”推理論證平臺

在小學科學課堂中，“科學論證”往往出現單一、線性的思維論證現象。從教學角度來看，“科學推理論證思維”最突出的特征是多個學習主體共同參與的多邊對話，思維碰撞。包括教師與學生、組內學生與學生、不同組學生之間的交互，是一個循環往復、縱橫交錯的論證過程，正如一個皮球在科學課堂上可以讓思維交互傳遞一樣。教學中，更強調學生基于自己的觀點尋求證據、收集證據、交換證據和評價證據，進而發展自己觀點的過程。

以《聲音是怎樣產生的》中的“是不是所有物體在發聲時都在振動？”的環節論證為例。

師：是不是所有物體在發聲時都在振動呢？

觀點A：所有物體在發聲時都在振動。

觀點B：并不是所有物體在發聲時都在振動。

論證：基于證據論證。

師：（演示音叉發聲）有聽見聲音嗎？

生：有。

師：有看到振動嗎？

一部分學生：沒有。

另一部分：有一點點。

師：到底有沒有？有什么辦法驗證？

生：可以摸一下，感受一下。

生：可以把發聲的音叉放在水中看看有無波動。將音叉先敲擊再放入水中。

生：支持A，但不能說明全部。

師：的確，越來越多的證據顯示，發聲物體都在做重復往返的運動，都在振動，科學家經過多次研究證明，其實一切發聲物體都在振動。

學生積極參與到推理論證中，當針對一個問題有不同的觀點時，知道要表述自己觀點、質疑別人的論點要有證據的支撐，更樂于去尋找證據，證據意識明顯增強。學生的觀點互相碰撞、縱橫交錯，形成了一張良好的集體論證網，推理論證的科學思維能力得到了培養和提升。

（三）創新思維

創新思維體現在：從不同角度分析、思考問題，提出新穎而有價值的觀點和解決問題的方法。胡衛平說：創新思維培養，基礎教育比高等教育更重要。科學創造共有七個方面，我們有六個方面低于英國的學生，我國八年級的學生整體不如英國四年級的學生。因此，在基礎教育階段培養學生的創新思維迫在眉睫。

科學學科要培養的是具有創造性的下一代，而項目式學習作為一種教學方式，在發展創新思維、培育創造性素養上具有獨特功用。尤其是工程思維的培養，比如船單元、小小工程師單元。PBL（項目式學習）會有“引爆點”，能引發學生創新思維：從0 到1，從1 到n。這里的“從0 到1”即從無到有，學生面對PBL 真實情境能夠提出新問題便是走向創新的第一步。完成從“0 到1”的質的跨越，接下來從“1 到n”便是創新思維能力的更高要求。

比如：教師在教學《給船裝上動力》一課中創設了真實情境：春游，我們一起去杭州最美的西湖。從游船碼頭出發前往蘇堤春曉，可是有一艘船不會動。對此，學生提出了很多創新問題：①如何設計安裝動力使小船動起來？②如何能使小船到達蘇堤春曉？③怎樣的動力更快？④怎樣的動力又能自主持續呢？⑤怎樣能直線到達？等等。這就是從0到1、從1到n的創新思維的顯性表現。

而PBL 教學是區別于問題型教學的，雖然兩者都是以問題為平臺，但形同而質不同。功能方面：PBL主要促進學生思考，是從“想”到“要”，最后到“會”的思考模式，本質是“思考的腳手架”；問題型教學，用“問題串”逐一解決教學目標，本質是“記憶的腳手架”。問題來源方面：PBL情境取自現實生活，真實、復雜、綜合性比較強，甚至取自于當前社會生活急需解決的問題，如疫情下急需解決的熱門問題：疫情下家用蔬菜的培育、家庭蔬菜種植園的設計與搭建、設計學校門口防疫體溫監測移動房等等。所以，項目式教學復雜真實的情境往往能更全面地培養學生的科學創新思維。

三、科學思維的學段目標

根據不同年齡段學生的認知發展和思維水平，科學思維也強調進階，在不同學段里承擔著特有的學段目標任務。1～2年級是具體形象思維階段，該階段關注的是對具體現象、具體事物外在特征的觀察、描述、比較、分類等；3～4年級是在關注具體現象和外在特征的基礎上，分析現象和事件發生的條件、過程、原因等，涉及歸納和推理；5～6年級關注事物結構、功能的變化和相互關系，涉及概括、系統化等。學生思維的發展是第一考慮因素，因此，在教學設計時也應考慮學生思維進階。

四、科學思維的教學建議

修訂前的小學初中科學課標，思維方法是探究目標的一部分，在過程中就能運用創造性思維和邏輯推理解決問題，但沒有明確科學思維目標。而2022年版課標將科學思維作為核心素養之一，突出了科學思維的重要性。我們在教學的探究活動中，應該更關注學生思維的發展，要引導學生反思自己的思維方式，把思維方法的學習顯性化。比如課堂小結時，不僅要梳理新知識的獲得，還應總結通過什么方法獲得新知識，從而突出科學思維的過程。

科學思維作為培養目標的核心，在小學科學教學中的重要性得到了突出。作為小學科學教師，在基礎教育階段培養學生的科學思維任重而道遠。