從科學思維方法的視角設計科學教學

賈欣 _ 北京教育科學研究院 楊燕萍 _ 北京第一實驗小學

- 編者按 -

近日，教育部等十八部門聯合印發《關于加強新時代中小學科學教育工作的意見》，深入貫徹習近平總書記在中共中央政治局第三次集體學習時的重要講話精神，系統部署在教育“雙減”中做好科學教育加法。在課堂教學中深入落實《義務教育科學課程標準（2022年版）》，是做好科學教育加法的關鍵舉措。本期邀請北京教育科學研究院基礎教育教學研究中心科學教研室教研員賈欣老師和北京第一實驗小學楊燕萍老師、康爭老師，分享他們關于《義務教育科學課程標準（2022年版）》中提出的科學思維培養方面的相關探索。

《義務教育科學課程標準（2022年版）》明確指出并強調了科學思維培養的重要性。在《義務教育科學課程標準（2022年版）》解讀中提到，科學素養包括科學與應用、科學思維與創新、科學探究與交流、科學態度與責任?？茖W思維與創新又包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素。其中，科學推理不僅包括邏輯上的歸納推理、演繹推理和類比推理，而且包括分析與綜合、抽象與概括、比較與分類等思維方法。

如何在小學科學教學中培養學生的科學思維？在小學科學學科實際教學中，教師往往關注探究活動的完成情況，忽視探究活動中學生認識事物、解決問題過程的方法。教師應在科學教學活動中找到科學思維的方法及應用過程，用它來設計探究活動、評價探究活動，以思定教。將科學思維方法作為突破口，尋找認識事物、解決問題的思維方法，將思維方法過程化并以此為依據設計學生科學探究的活動。這樣的思考和嘗試會讓教師的教學具有“思維”含量。

基于科學思維方法進行科學教學的教材分析和教學設計，需要關注兩個方面。一是從探究情境線索中，抓主要思維方法。在科學探究過程中，思維方法的運用是復雜、多樣的。所以，針對教材和教學情境，我們應該選取其中的主要思維方法，圍繞主要思維方法展開，化繁為簡。二是圍繞主要思維方法，鋪展思維過程，建構探究思維的邏輯結構。科學教學中思維活動的核心是尋求“可靠的斷言”，所以，當抓住主要思維方法展開教學設計后，需要將思維方法過程化，從中梳理思維脈絡，將過程中出現的思維方法圍繞主要思維活動構建邏輯。例如，在歸納思維中，或然性的存在是教學中不可避免的，而提升探究結果可靠性的途徑是進行更多方法的實驗驗證。這其中不同實驗所采用的的科學思維方法的意義就是圍繞歸納思維活動，彌補其或然性帶來的缺陷。這樣，整體的思維活動設計就有了核心，真正為尋求“可靠的斷言”而設計學習活動。

那么，要如何從科學思維的角度設計科學教學呢？以“聲音的產生”這一教學內容為例，簡要闡述展開過程。

“聲音的產生”這一課的核心就是要通過枚舉不同的物體發出聲音的現象，找出其中共同的特征，采用求同歸納法來提出具有普遍意義的規律——“聲音是物體振動產生的”。教材中普遍使用振動現象明顯的皮筋、尺子和振動現象不明顯的小鼓、音叉為教學用具。教學中也常常安排現象明顯的器材首先出現，現象不明顯的器材隨后出現。究其原因，往往就是因為學生認識事物要遵循從直觀到抽象的順序安排，而關于科學思維方法與其相關的原因分析不多?？梢試L試用求同歸納法進行分析，以求找出這幾種器材之間的關聯，用來了解科學思維與教學設計之間的聯系。

1.基于觀察發現的過程，確定科學思維方法

歸納法是從個別出發，經過分析、比較，上升為一般認識的邏輯思維方法，是科學認識中常用的方法。在科學認識過程中，在積累大量的經驗材料與搜集大量事實的基礎上，能夠通過歸納得到具有普遍特征的結論。在日常教學中，教師針對本課的科學概念“聲音的產生與物體振動的關系”，重點讓學生關注以下三個重要現象：能夠觀察到物體明顯的振動；振動會持續一段時間；聲音與振動共同出現，同時停止。這三個現象的出現，是構成求同歸納法的重要素材，尋求發聲物在這三方面的共同之處可以歸納出“聲音是由物體振動產生”這個概念。抓住這一點，就已經將本課的科學思維方法的框架鋪展開了，為概念的形成奠定了基礎。

2.基于科學思維方法，構建結構化的實驗器材

通過比較可以發現，這幾種器材在重點現象的表現上有著一些異同。根據分析，可以看出：第一，皮筋和尺子在三個現象的表現上都具有相同的突出表現，由此可見，在形成求同歸納的過程中，它們是非常適宜的器材，可以在思維活動中幫助學生展開歸納思維活動，形成統一的認識；第二，鼓和音叉振動的現象不夠明顯，這就使得它們在歸納思維第一步中，不能與尺子和皮筋同步進行三個共同屬性的比較，思維活動不再適用于求同歸納的方法，但我們通過教材分析會發現，“鼓、音叉”的探究活動，表現為類比推理和演繹推理。

3.基于科學思維方法，確定教學目標和教學行為

皮筋和尺子在實驗現象中的共性，使得它們能夠幫助學生展開歸納思維活動，形成統一的認識。為了達到這一思維活動的落實，就要在教學的設計上，為思維方法的運用和過程發展設定與之相協調的教學目標和教學行為。

在皮筋和尺子的研究活動中，要設定的目標是“通過比較皮筋和尺子發出聲音都會有振動現象的出現，歸納推理出聲音的產生與振動有一定的聯系?！睘檫_成目標，教學設計上就要做出與之相協調的結構安排。為了保證學生能夠觀察到皮筋的振動并描述出來，教師要關注學生實驗方法的指導和應用，要設計指導學生進行記錄和表達的方法，要讓實驗結果的呈現做到直觀且全體學生都能夠仔細觀察和精準描述，以保證“求同”思維活動的順利開展。之后，教師還要進一步引導學生觀察尺子的發聲和振動現象，在指導語言的設計上要強調尺子與皮筋的振動現象之間的比較。當觀察完尺子的振動現象后，教師還要設計引導學生將皮筋和尺子的振動現象相比較的教學行為，如教師會將兩種材料的實驗過程記錄在板書中，并列擺放，以啟發學生建立比較的過程，完成皮筋、尺子發出聲音與振動之間的求同歸納推理的思維活動。教師的教學行為和目標落實都對應求同歸納的思維活動而展開。

鼓和音叉振動的現象不夠明顯，思維活動不再適用于求同歸納的方法，我們通過教材分析會發現，“鼓、音叉”的探究活動，表現為類比推理和演繹推理。那是不是要放棄求同歸納呢？上文提到，教學中思維活動是多樣的，要捕捉主要思維活動，用來發展邏輯結構，而求同歸納的或然性的存在就是將“鼓、音叉”卷入探究的合理理由。科學探究活動的核心是尋求“可靠的斷言”，所以，在教學的設計上，教師應引導學生們不滿足于兩個器材發聲原因的歸納，而是去尋求更多的證據，引發對“鼓、音叉”的探究。為完善之前的歸納，教師將依據學生對問題的思考，建立起類比或者演繹推理的思維活動。

當學生通過求同歸納得到聲音的產生與振動有關系之后，教師會引導學生去嘗試讓“音叉、小鼓”發出聲音，并思考原因。需要注意的是，此時學生們對現象的表述將決定后期思維方法的運用。學生A：皮筋和尺子發出聲音就是靠振動產生的，我認為音叉發出聲音也應該是振動。學生B：尺子能發出聲音，鼓也能發出聲音，尺子發出聲音是靠振動，我認為鼓也應該是靠振動。學生A用的是演繹推理，學生B用的是類比推理，盡管他們并不清楚兩種方法的名稱，但其邏輯上均是合理的。這也為教師的教學設計提出了更高的要求，也就是在主要思維活動引發主體探究活動之后，要緊緊圍繞主體活動發展之后的思維活動，完成“可靠的斷言”的尋求。無論采用演繹還是歸納，最終的結果是完成了之前求同歸納或然性帶來的不足，使得最終的證據變得可靠且充分，而學習中的學生得到了思維的訓練，而非簡單的概念的獲得。

在基于科學思維方法分析教學過程的教學設計活動中，科學思維方法給了教師們審視科學探究活動的工具，使得教學的設計更加具有可操作性，更加具有方法性和可借鑒性。當然，就目前教師對科學思維的認識來看，這樣的教學思考和分析活動還要有一個學習、認識到熟練應用的過程。文中尚未涉及“促成學生能力發展”的討論，僅僅停留于將科學思維引入教學設計的層級。在關注學生核心素養的教育理念下，促成教師關注思維、關注有思維的教學設計將是發展的起始階段，最終將走向促成學生思維能力發展的教學。