核心素養(yǎng)視域下提升學(xué)生思維品質(zhì)的教學(xué)策略研究

陸可丹

摘 要：科學(xué)思維是科學(xué)核心素養(yǎng)的重要組成部分，主要包括模型建構(gòu)、邏輯推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等。培養(yǎng)學(xué)生思維的主陣地是課堂。本文以《物體的內(nèi)能》一課為例，闡述從核心素養(yǎng)的視角定位學(xué)習(xí)目標(biāo)，聚焦挑戰(zhàn)性任務(wù)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)意愿，通過(guò)“類比建構(gòu)概念”“邏輯推理論證”“聚焦問(wèn)題解決”“整合思維模型”等策略，讓學(xué)生的思維得到遞進(jìn)式的訓(xùn)練，從而提升思維品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)；思維品質(zhì)；物體的內(nèi)能

【中圖分類號(hào)】G633? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】2097-2539（2023）07-0243-03

1.問(wèn)題的提出

“核心素養(yǎng)”是課程改革的重要依據(jù)，義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)指出科學(xué)課程要培養(yǎng)的學(xué)生核心素養(yǎng)，主要是指學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)課程的過(guò)程中，逐步形成適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展所需的正確價(jià)值觀、必備品格和關(guān)鍵能力。課標(biāo)第一次明確地把科學(xué)思維作為科學(xué)核心素養(yǎng)之一，這是一個(gè)重大突破?？茖W(xué)思維是關(guān)鍵能力的核心，因此發(fā)展思維應(yīng)是科學(xué)教學(xué)的核心活動(dòng)。思維應(yīng)用的本質(zhì)是解決學(xué)科認(rèn)知問(wèn)題。教師理應(yīng)由過(guò)去所強(qiáng)調(diào)的針對(duì)“知識(shí)本位”的教學(xué)，轉(zhuǎn)向“素養(yǎng)本位”，即聚焦于學(xué)生思維能力與問(wèn)題解決能力的培養(yǎng)。將事實(shí)性知識(shí)與方法性知識(shí)有機(jī)結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)知識(shí)與提升思維能力的互構(gòu)。杜威認(rèn)為：“好的教學(xué)必須能喚起兒童的思維。”科學(xué)思維能力的發(fā)展需要以理解核心概念為基礎(chǔ)，并在探究實(shí)踐的過(guò)程中通過(guò)運(yùn)用科學(xué)方法得以鍛煉。筆者通過(guò)有效把握學(xué)生的學(xué)習(xí)起點(diǎn)，創(chuàng)設(shè)熟悉的情境激活思維，聚焦挑戰(zhàn)性任務(wù)激發(fā)學(xué)習(xí)意愿。將已有的科學(xué)認(rèn)知和在課堂中提供的事實(shí)與條件作為載體，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思維推演。同時(shí)在運(yùn)用觀察和實(shí)驗(yàn)等科學(xué)方法進(jìn)行自主建模的過(guò)程中，鼓勵(lì)學(xué)生大膽質(zhì)疑、追求創(chuàng)新，培養(yǎng)學(xué)生基于實(shí)證得出科學(xué)結(jié)論的能力。最終通過(guò)展示交流評(píng)價(jià)，達(dá)到提升學(xué)生思維品質(zhì)，落實(shí)科學(xué)核心素養(yǎng)的目的。

2.教學(xué)策略的實(shí)踐研究

（1）類比建構(gòu)概念，開啟思維之門

教育是允許被遺忘的，教師不該要求學(xué)生死記硬背具體的知識(shí)，而是要鼓勵(lì)他們透過(guò)知識(shí)去把握、洞察、挖掘其中蘊(yùn)含的思維方式和價(jià)值觀。學(xué)生在七、八年級(jí)已經(jīng)初步掌握內(nèi)能的宏觀表現(xiàn)——溫度和物態(tài)變化，具備了內(nèi)能的理論基礎(chǔ)——分子的熱運(yùn)動(dòng)。內(nèi)能是學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)比熱容、熱值和熱機(jī)等知識(shí)的基礎(chǔ)。因此本節(jié)課的學(xué)習(xí)目標(biāo)主要是運(yùn)用分子運(yùn)動(dòng)、相互作用和機(jī)械能的知識(shí)類比建立“內(nèi)能”的概念，學(xué)習(xí)從實(shí)驗(yàn)事實(shí)出發(fā)，探索和體驗(yàn)改變內(nèi)能的兩種方式，利用內(nèi)能闡述熱傳遞和做功過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化過(guò)程。內(nèi)能與機(jī)械能相比不直觀，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)更抽象。為了更好地幫助學(xué)生建構(gòu)內(nèi)能的概念，教材中運(yùn)用了機(jī)械能中的動(dòng)能、勢(shì)能與分子動(dòng)能、勢(shì)能作類比。

【教學(xué)片段一】

◎新課導(dǎo)入

向水中滴入一滴紅墨水，現(xiàn)象：過(guò)一段時(shí)間整杯水都會(huì)被染紅。說(shuō)明分子在不停地做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。

①運(yùn)動(dòng)的物體具有動(dòng)能→運(yùn)動(dòng)的分子也具有動(dòng)能，稱為分子動(dòng)能。

②拉伸或壓縮的彈簧會(huì)產(chǎn)生彈力，具有勢(shì)能→水分子之間具有相互作用力：引力和斥力。分子也具有勢(shì)能，稱為分子勢(shì)能。

③物體的動(dòng)能和勢(shì)能之和稱為機(jī)械能→構(gòu)成物體所有分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和勢(shì)能之和稱為內(nèi)能。

◎概念辨析

①只有“熱”的物體才具有內(nèi)能嗎？物體的內(nèi)能可以為零嗎？答：從冰冷的冰山和熾熱的鐵水都具有內(nèi)能來(lái)說(shuō)明內(nèi)能的普遍性，而不是只有“熱”的物體才具有內(nèi)能。繼而把宏觀量（溫度）與微觀機(jī)理（分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)）聯(lián)系起來(lái)。物體內(nèi)部的分子始終在不停地做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，因此盡管物體宏觀上靜止，機(jī)械能為零，但是內(nèi)能不為零。

②同一物體，內(nèi)能的大小和什么因素有關(guān)？答：溫度越高，分子運(yùn)動(dòng)越劇烈。物體溫度實(shí)質(zhì)表征了物體內(nèi)部分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的劇烈程度，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到物體溫度升高時(shí)內(nèi)能增加，溫度降低時(shí)內(nèi)能減少。

借助層層遞進(jìn)的類比和概念辨析為學(xué)生搭建了新舊知識(shí)間的橋梁，引導(dǎo)學(xué)生在對(duì)舊知進(jìn)行遷移運(yùn)用的基礎(chǔ)上自主建構(gòu)并深化“內(nèi)能”這一核心概念。

（2）邏輯推理論證，夯實(shí)思維之基

動(dòng)手、思考、感悟比知識(shí)本身更重要。著名物理學(xué)家勞厄說(shuō)過(guò)：“重要的不是獲得知識(shí)，而是發(fā)展思維能力。教育無(wú)非是一切學(xué)過(guò)的東西都遺忘掉的時(shí)候剩下來(lái)的東西。”要讓學(xué)生記住“做功和熱傳遞可以改變物體的內(nèi)能”這一結(jié)論很簡(jiǎn)單，但是這必然會(huì)導(dǎo)致學(xué)生對(duì)內(nèi)能這一核心概念的理解只停留在表面，并存在很大的局限性。在面臨真實(shí)的問(wèn)題時(shí)通常會(huì)束手無(wú)策，不能很好地將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為解決實(shí)際問(wèn)題的能力，這意味著學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解不夠到位。筆者利用感溫油墨進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，幫助學(xué)生探尋改變物體內(nèi)能的方法。引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)合理分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，基于事實(shí)和證據(jù)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行描述、解釋，發(fā)展科學(xué)思維并培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)證意識(shí)。

【教學(xué)片段二】

任務(wù)一：嘗試改變物體的內(nèi)能

器材：涂有感溫油墨的金屬片、熱水、酒精燈

知識(shí)卡片：當(dāng)金屬片溫度高于40℃時(shí)，紅色的感溫油墨便會(huì)慢慢褪去。

◎?qū)W生實(shí)驗(yàn)

①將金屬片放入熱水中使金屬片內(nèi)能增大

②用酒精燈加熱使金屬片內(nèi)能增大

◎思考問(wèn)題

①如何判斷金屬片的內(nèi)能增加了？

②金屬片上各部分是不是同時(shí)達(dá)到相同的溫度？有何證據(jù)？

③這些方法中內(nèi)能是怎樣變化的？（即內(nèi)能從哪里來(lái)？）

◎歸納總結(jié)

熱量會(huì)從高溫物體傳遞給低溫物體；高溫物體的溫度會(huì)降低，低溫物體的溫度會(huì)升高。

◎得出結(jié)論

熱傳遞可以改變物體內(nèi)能。熱傳遞具有方向性，熱量從高溫物體傳向低溫物體，在同一物體中是由高溫端傳向低溫端。在熱傳遞中只有能量的轉(zhuǎn)移，沒(méi)有能量的轉(zhuǎn)化。

感溫油墨的變色可以幫助學(xué)生借助直觀的現(xiàn)象將物體的內(nèi)能與溫度這一宏觀表現(xiàn)聯(lián)系起來(lái)，建立當(dāng)物體溫度升高時(shí)，內(nèi)能增大的認(rèn)知。結(jié)合冬天使手變暖的方法，如捂熱水袋、烤火等，都是通過(guò)熱傳遞的方式增大手的內(nèi)能，深化學(xué)生對(duì)熱傳遞的理解。

（3）聚焦問(wèn)題解決，搭建思維之梯

思維起源于真實(shí)的情境，又在真實(shí)的情境中通過(guò)解決問(wèn)題得到不斷發(fā)展?？茖W(xué)課堂不應(yīng)是教師簡(jiǎn)單地講述科學(xué)事實(shí)、傳授科學(xué)知識(shí)，而應(yīng)用“情”引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入學(xué)習(xí)之“境”身臨其境，才能有所體驗(yàn)?；趩?wèn)題解決的探究教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)意愿，發(fā)揮思維在獲取知識(shí)工具時(shí)的作用，提高學(xué)生思維能力，才能更有效地引導(dǎo)學(xué)生基于核心概念建構(gòu)一個(gè)整合而深入的知識(shí)體系。通過(guò)從“筆開易拉罐”的真實(shí)情境中聚焦兩個(gè)啟發(fā)學(xué)生思維的問(wèn)題：①為什么用筆摩擦就可以開易拉罐？②為什么在開罐的瞬間會(huì)看到瓶口有“白氣”？實(shí)驗(yàn)是科學(xué)最大的魅力，也是學(xué)習(xí)科學(xué)的最有效的途徑。金屬片上感溫油墨的褪色，使學(xué)生體會(huì)并理解，熱傳遞可以改變物體的內(nèi)能。摩擦生熱是學(xué)生熟悉生活情境，但是學(xué)生并不能很好地用科學(xué)語(yǔ)言表述“做功改變物體的內(nèi)能”。因此，可引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)改變物體的內(nèi)能，加深對(duì)科學(xué)原理的理解。

【教學(xué)片段三】

任務(wù)二：體驗(yàn)改變物體的內(nèi)能

◎小組實(shí)驗(yàn)

器材：圖釘、較粗的軟鐵絲、鉛筆、砂紙

問(wèn)題：利用提供的器材，怎樣可以增大圖釘或軟鐵絲的內(nèi)能

◎?qū)W生實(shí)驗(yàn)

①反復(fù)玩著軟鐵絲，鐵絲溫度升高

②用鉛筆固定圖釘，在砂紙上摩擦釘帽，圖釘溫度升高

◎分析論證

反復(fù)彎折鐵絲和用砂紙摩擦圖釘釘帽，是對(duì)物體做功，也會(huì)使他們溫度升高，內(nèi)能增加。

◎得出結(jié)論

改變物體的方式除了熱傳遞，還可以通過(guò)做功。外界對(duì)物體做功會(huì)使物體內(nèi)能增大。

◎設(shè)計(jì)意圖

摩擦圖釘和彎折鐵絲使物體溫度升高，是學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出的現(xiàn)象，通過(guò)分析，學(xué)生可以推理得出做功也可以改變物體的內(nèi)能。兩個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的設(shè)置充分體現(xiàn)了由證據(jù)推理得出結(jié)論的實(shí)證意識(shí)。

基于以上認(rèn)知，學(xué)生可以解釋“筆開易拉罐”的第一個(gè)問(wèn)題：筆摩擦易拉罐口時(shí)，會(huì)使易拉罐的溫度升高，內(nèi)能增大，易拉罐將一部分熱量傳遞給瓶?jī)?nèi)的氣體，使得氣體受熱膨脹，沖開易拉罐?！肮P開易拉罐”的第二個(gè)問(wèn)題是推理“氣體膨脹對(duì)外做功，內(nèi)能減少”這一結(jié)論的載體。書本上利用的是吸濾瓶中滴加酒精，通過(guò)往瓶?jī)?nèi)打氣，瓶塞跳起瓶口出現(xiàn)白霧現(xiàn)象來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。但是筆者通過(guò)課堂觀察，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)這一過(guò)程的理解存在認(rèn)知上的難度，學(xué)生很難把整個(gè)過(guò)程中內(nèi)能和機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系描述清楚。因此，筆者借助溫度傳感器給學(xué)生提供邏輯推理的支架強(qiáng)化科學(xué)思維訓(xùn)練過(guò)程。

回顧“筆開易拉罐”時(shí)罐口出現(xiàn)“白氣”的現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生思考：①瓶口的“白氣”主要成分是什么？②出現(xiàn)“白氣”說(shuō)明瓶?jī)?nèi)氣體發(fā)生了什么物態(tài)變化？

學(xué)生已具備物態(tài)變化的認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)，能分辨出“白氣”其實(shí)是液態(tài)小水滴，而出現(xiàn)“白氣”的原因是水蒸氣發(fā)生了液化。但是大部分學(xué)生不能將液化的過(guò)程與內(nèi)能的變化聯(lián)系起來(lái)。此時(shí)，教師通過(guò)演示，在塑料瓶中滴入幾滴酒精，再通過(guò)打氣筒向塑料瓶?jī)?nèi)注入大量空氣，模擬易拉罐內(nèi)的高壓環(huán)境，并記錄此時(shí)的初溫。然后打開活塞，觀察到壓力表示數(shù)不斷下降，同時(shí)塞子彈出的同時(shí)瓶?jī)?nèi)出現(xiàn)大量“白氣”，溫度傳感器的示數(shù)也迅速下降。在演示完整個(gè)開易拉罐的模擬實(shí)驗(yàn)后，教師可以設(shè)計(jì)系列的支架式問(wèn)題鏈，幫助學(xué)生搭建思維之梯。

【教學(xué)片段四】

任務(wù)三：分析內(nèi)能改變的原因

問(wèn)題1：“白氣”的主要成分是小水滴，這說(shuō)明瓶?jī)?nèi)空氣發(fā)生了液化，那么此時(shí)瓶?jī)?nèi)氣體內(nèi)能如何變化？

問(wèn)題2：塞子彈出時(shí)，它的機(jī)械能如何變化？

問(wèn)題3：瓶塞獲得機(jī)械能是哪一部分能量轉(zhuǎn)化而來(lái)？或者氣體在沖出塑料瓶時(shí)，能量發(fā)生了怎樣的轉(zhuǎn)化？

◎設(shè)計(jì)意圖

通過(guò)對(duì)開易拉罐時(shí)產(chǎn)生“白氣”的原因推理讓學(xué)生自主構(gòu)建“外界對(duì)物體做功時(shí)，物體溫度升高，內(nèi)能增大；物體對(duì)外界做功時(shí)，物體溫度下降，內(nèi)能減小”這一規(guī)律，以問(wèn)題鏈的形式助推學(xué)生思維的進(jìn)階，培養(yǎng)了學(xué)生基于實(shí)證的科學(xué)態(tài)度。

“筆開易拉罐”的情境導(dǎo)入使教學(xué)從無(wú)“趣”到有“趣”，使學(xué)生從被動(dòng)變主動(dòng)，真正回歸“學(xué)習(xí)主體”角色，進(jìn)而學(xué)會(huì)理解世界、解決問(wèn)題、學(xué)以致用。有了氣體對(duì)外做功，內(nèi)能減小的理論基礎(chǔ)，教師可以再次借助溫度傳感器，演示壓縮氣體時(shí)，氣體溫度變化的實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生得出：壓縮氣體做功，氣體內(nèi)能會(huì)增加。

（4）整合梳理模型，勇攀思維之巔

科學(xué)思維的提升不僅需要重視學(xué)生對(duì)知識(shí)的建構(gòu)，還應(yīng)注重學(xué)生對(duì)知識(shí)的內(nèi)化與運(yùn)用。學(xué)生通過(guò)整節(jié)課的學(xué)習(xí)，已經(jīng)對(duì)內(nèi)能的概念、影響內(nèi)能的因素、改變物體內(nèi)能的方法有了初步的理解。教師可以在結(jié)課時(shí)帶領(lǐng)學(xué)生對(duì)從內(nèi)能的概念、影響因素和改變方法以及熱傳遞、做功的能量轉(zhuǎn)化等進(jìn)行知識(shí)的梳理，幫助學(xué)生建構(gòu)知識(shí)體系。

綜上所述，在課堂中教師要著眼于學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，通過(guò)建構(gòu)基本的核心概念、思維支架搭設(shè)、情境引導(dǎo)啟發(fā)、建模等手段以及給予學(xué)生表達(dá)、糾正、完善觀點(diǎn)的機(jī)會(huì)，強(qiáng)化問(wèn)題驅(qū)動(dòng)培養(yǎng)學(xué)生的探索精神，將科學(xué)思維蘊(yùn)含教學(xué)活動(dòng)中，有效引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)真實(shí)情境去思考與探索，使學(xué)生主動(dòng)、深度地參與課堂，在獲取知識(shí)、掌握方法、形成能力的過(guò)程中提升思維并使學(xué)生體驗(yàn)到“撥云見(jiàn)日”的快樂(lè)，達(dá)到核心素養(yǎng)在課堂中真正落地的目的。

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