認知沖突 實驗驗證 遷移運用

◇溫秀香（福建：永泰縣城南小學）

2022年版《義務教育科學課程標準》提出，科學教育要以科學思維能力、科學探究和實踐能力、科學態度與社會責任的培養為重點。學生的科學探究與實踐能力，離不開具體的操作實踐，離不開有趣的實驗活動。而在實際教學過程中，影響學生科學探究與實踐能力發展的一個重要原因，是學生缺少操作與實踐的機會。鑒于此，教師應圍繞教材內容，基于學生的最近發展區，精心創設一些操作與實踐的機會，讓學生在實操中發現、運用科學知識，發展、提升自身的科學探究與實踐能力?？傮w而言，培養學生科學探究與實踐能力的過程，大致可分為三個步驟，即認知沖突、實踐驗證和遷移運用。圍繞這三個步驟，教師可采取以下策略培養小學生的科學探究與實踐能力。

一、巧設情境，讓學生產生認知沖突

認知沖突是學生探究新知的原動力，也是學生理解新知的切入點。為了調動學生參加科學探究與實踐活動的積極性，教師應圍繞教材內容，聯系實際生活，精心創設一些有趣的情境，并啟迪學生在情境中產生認知沖突。一旦學生產生了認知沖突，他們往往會以更加積極的態度、更加飽滿的熱情參加探究活動。

以蘇教版小學科學四年級上冊“浮力”這部分內容為例，教師拿出了同樣大小的三袋橡皮泥，同時用托盤天平對三袋橡皮泥進行測量，證實這三袋橡皮泥的重量是相等的。之后，教師分別制作了兩艘大小不同、圓形的“船”，還有一艘形狀不同的船（如圖1），并將這三艘船同時放入一個透明的圓柱形水槽里。此時，出現了兩種截然不同的情況：其中兩艘較大的船浮在水面上，始終沒有下沉的跡象，另一艘較小的船卻在緩緩下沉，并最終沉入水底（如圖2）。這時教師提問：“誰有辦法讓這艘大的圓形船也沉入水底？”有學生提出在船里加重物，并到講臺前演示。隨著載物加重，這艘船也沉入了水底（如圖3、圖4）。

圖1

圖2

圖3

圖4

看到這種現象，學生都表現出好奇，并紛紛發表自己的疑問：“三艘小船的重量相同，為什么一艘小船會下沉，另兩艘小船卻不會下沉呢？”“是不是一艘小船的船艙漏水了？”“船的沉浮應該是與船的體積大小有關吧？”“這三艘船的質量相同，它們沉浮應該與形狀有關吧？”“船的沉浮可能與船的質量有關吧？”……面對三艘質量相同、體積不同、形狀不同小船的“沉與浮”，學生逐漸產生了認知沖突。以學生的認知沖突為切入點，教師鼓勵他們提出各種實驗假設。

顯然，這些認知沖突會讓學生產生進一步探究新知的好奇心和內驅力，因此學生在探究科學知識的過程中，就會變得更加積極、專注，對相關科學知識的理解也會更加深入、通透。這種疑惑越深刻、越有力，科學探究的目標和方向也就越清楚、越準確。

二、提出假設，讓學生自主實踐驗證

假設、猜想，是科學研究路上不可或缺的環節，也是培養學生科學探究與實驗能力的基本內容。當學生產生各種認知沖突之后，教師應鼓勵他們依據自身的已有知識，提出各種假設。下一步，教師可指導學生圍繞各種假設，自主設計實驗環節，并嘗試在實驗中進一步驗證自己的實驗假設、實驗猜想。

例如，聚焦“質量相同、體積大小不同的橡皮泥船的沉與浮”這一認知沖突，學生進行假設、猜想。一些學生提出：“‘同等質量的橡皮泥船的沉與浮’與其體積大小有關嗎？”另一些學生提出：“‘同等質量的橡皮泥船的沉與浮’與其形狀有關嗎？”還有一些學生提出：“‘同等體積的橡皮泥船的沉與浮’與其質量有關嗎？”由此引出三個假設，影響物體沉浮的原因可能是體積、形狀、質量。圍繞對應的問題與假設，教師將學生分為若干小組（可分為9個小組，每3個小組探究一個問題與假設），引導學生在小組內討論實驗設計方案，然后分組進行實驗驗證。實驗方案如下。

探究問題一：質量、形狀相同的物體，體積不同，會影響物體的沉浮嗎？

假設：質量、形狀相同的物體，體積不同，會影響物體的沉浮。

實驗材料：瓶子、橡皮泥、水槽、水、天平秤。

改變條件：體積。

不變條件：質量、船的形狀、水槽、水等。

實驗步驟：在三個大小不一的空瓶子里裝入橡皮泥；將這三個裝有橡皮泥的瓶子放入天平秤上測量，確保三個瓶子質量一樣；把三個瓶子放入裝入水的水槽中，觀察瓶子的沉浮狀態。

探究問題二：質量、體積相同的物體，形狀不同，會影響物體的沉浮嗎？

假設：質量、體積相同的物體，形狀不同，會影響物體的沉浮。

實驗材料：橡皮泥、水槽、水、天平秤。

改變條件：船的形狀。

不變條件：橡皮泥的質量、船的體積大小、水、水槽等。

實驗設計：用天平秤稱出三塊質量一樣的橡皮泥，分別做成長方體、正方體、圓柱形的船；把三艘小船放入水中，觀察它們的沉浮狀態。

探究問題三：形狀、體積相同的物體，質量不同，會影響物體的沉浮嗎？

假設：形狀、體積相同的物體，質量不同，會影響物體的沉浮。

實驗材料：瓶子，橡皮泥、水槽、水。

改變條件：船的質量。

不變條件：船的體積大小、船的形狀、水槽、水等。

實驗設計：給體積、形狀相同的瓶子貼上標簽1，2，3；在1 號瓶子里裝滿橡皮泥，在2 號瓶子里裝一半橡皮泥，在3 號瓶子里裝少許橡皮泥；把三個瓶子放入水中，觀察它們的沉浮狀態。

學生按照這3 個方案分組進行實驗驗證，這時每個學生都興致勃勃地投入探究實踐中。

最后，通過對實驗數據進行對比、分析，第1，2，3 小組學生發現：質量相同的物體,體積越大越容易上浮；第4，5，6 小組學生發現：體積和質量相同的船,沉浮與形狀無關，同時他們也發現，質量相同的物體，體積越大越容易上浮；第7，8，9 小組學生發現：體積和形狀相同，質量越小越容易上浮，質量越大越容易下沉。

通過自主驗證實驗假設，學生不僅提升了自身的實驗操作能力，還提高了自身的觀察能力。同時，學生對相關科學知識的理解也從淺表化走向深入化，從片面化走向全面化。

三、歸納反思，讓學生學會遷移應用

準確、巧妙地利用科學知識解決相關問題，是學生學習科學知識的根本目標。在鼓勵、指導學生通過自主實驗驗證自身的實驗假設、實驗猜想的基礎上，教師應組織學生對整個驗證過程進行歸納反思，完整歸納、清晰梳理相關的科學知識，深化對相關科學知識的認識與理解。在此基礎上，鼓勵學生嘗試遷移應用科學知識解決相關的實際問題。

仍以探究“橡皮泥船的沉與浮”這部分內容為例，當兩個小組的學生完成驗證任務之后，教師組織他們進行歸納反思。

探究問題一：質量、形狀相同的物體，體積不同，會影響物體的沉浮嗎？

船大中小我的發現沉浮狀態浮在水面懸在水中沉在水底體積會影響物體的沉浮

探究問題二：質量、體積相同的物體，形狀不同，會影響物體的沉浮嗎？

船長方體正方體圓柱體我的發現沉浮狀態空船浮在水面浮在水面浮在水面形狀不會影響物體的沉浮載1個砝碼沉在水底沉在水底沉在水底

探究問題三：形狀、體積相同的物體，質量不同，會影響物體的沉浮嗎？

瓶子1號2號3號我的發現沉浮狀態沉在水底懸在水中浮在水面質量會影響物體的沉浮

經過研究，學生明白了：影響物體沉浮的因素是物體的體積和質量，而物體的形狀不會影響物體的沉浮。

接下來，教師鼓勵學生聯系實際說一說這些關于沉與浮的科學知識在現實生活中的應用。學生找到許多生活中應用浮力的例子，如浮橋、救生衣、釣魚魚漂、艦艇等。有學生說，盡管航空母艦、萬噸級郵輪，都是“鋼筋鐵骨”，都特別重，但是，因為它們的體積足夠大，因為它們都是空心的，所以能夠在大海上航行。也有學生說，盡管相對于航空母艦、萬噸級郵輪而言，一顆小鐵釘的重量微不足道，但是，小鐵釘卻無法在水面上漂浮，那是因為小鐵釘體積太小了……對于學生的觀點，教師予以肯定。同時，教師又提出了一個新的問題：為什么潛艇有時能夠浮在海面，有時又會沉入海底呢？請你們嘗試運用“浮力”的相關知識，予以解釋說明。最后教師請學生課后設計制作一個利用浮力原理的玩具，并舉行比賽。教師這樣的教學設計，進一步激發了學生探究、運用“浮力”相關知識的濃厚興趣，也培養了學生科學探究和實踐能力，以及創新精神。

在教師的啟迪、引領下，通過歸納反思，學生能更為深入、細致、準確地理解浮力知識；通過實踐驗證，學生能進一步發展自身的科學探究與實踐能力；通過遷移運用，學生能進一步提升自身運用科學知識解決相關實際問題的能力。最終，學生的科學素養也會得到一定的發展與提升。

總而言之，在小學科學實驗教學過程中，教師應將培養學生的科學探究與實踐能力作為一項主要任務，采取以下策略，有的放矢、循序漸進地培養、發展學生的科學探究與實踐能力：創設情境，讓學生產生認知沖突；提出假設，讓學生自主進行實驗驗證；歸納反思，讓學生學會遷移運用。以“認知沖突”為起始點，以“實踐驗證”為突破點，以“遷移運用”為落腳點，學生的科學探究與實踐能力定會潛滋暗長。當學生具備科學探究與實踐能力之后，他們就相當于擁有了一把開啟科學之門的鑰匙，就能通過探究與實踐，全面、深入、細致地探究科學知識的奧秘，并以此提升自身的科學素養。