小學科學思維型教學具象化處理策略

摘要 科學思維是小學科學四大學科核心素養之一。科學課堂教學實踐中科學思維的培養存在難量化，難跟蹤、難描述等難題。因此，可以通過課堂流程的大環節擬定（定“教”）、板書的結構化呈現（定“板”）、記錄單的支架式設計（定“學”）、論證活動的開放式組織（定“論”）、實驗材料的結構化準備（定“料”）等策略實現小學科學思維型教學的具像化處理。

關? 鍵? 詞 小學科學 思維型教學 具像化

引用格式 杜偉.小學科學思維型教學具象化處理策略[J].教學與管理，2023（29）：54-58.

科學思維能力是學生科學核心素養的重要內容，是學生思考和解決科學問題的必備品質，也是小學科學課教學的核心關注點。小學科學課教學應當將學生科學思維的培養潛移默化地貫穿于常態化教學，使學生面對已知或未知科學問題和現象的時候，成為具有獨立思考和批判思維能力的個體。

《義務教育科學課程標準（2022年版）》提出，學生應掌握基本的思維方法，具有初步的科學思維能力[1]，特別強調在模型建構、推理論證、創新思維等方面的素養。林崇德、胡衛平兩位學者提出，思維型課堂教學理論包括認知沖突、自主建構、自我監控和應用遷移四個方面的基本原理[2]。教學能力是教師專業能力的關鍵，教學過程中各個教學要素和核心能力都是相互依存、互為基礎的關系[3]。在小學科學課教學設計中，可以通過多種互動方式，精心雕琢科學探究的每一個環節[4]，實現科學思維訓練的目的。實踐證明，不能將認知沖突、自主建構、自我監控和應用遷移割裂地看成四個環節，它們是交替、同時、反復出現的，怎樣平衡處理和靈活應對四個原理在課堂上的均衡滲透，并將課堂生成作為思維型教學的課堂資源，成為小學科學思維型教學具象化處理過程中面臨的最大難題。本文以典型的科學探究課——《壓縮空氣》教學為例，通過定“教”、定“板”、定“學”、定“論”、定“料”等具體課堂教學策略，探索思維型教學與小學科學學科的深度融合之道，以期為小學科學思維型課堂的構建提供借鑒。

一、定“教”：課堂大環節的擬定

1.矩陣層級式梳理

面對一個新課題，教師備課首先要做的是確定這節課有幾個大環節，每個環節有哪些問題可以引發學生更大的興趣，可以促發學生更積極地思維，可以帶出學生更有批判性的問題，然后再去豐富和優化每個大環節里面的小環節、小細節。教師常用的方法是矩陣層級式梳理。本課教學要體現思維型教學的理念，首先要將認知沖突、自主建構、應用遷移三個思維型教學基本原理作為環節設計準則，而自我監控作為一種貫穿所有學習環節的反思手段，不適合作為大環節往里填充內容。在認知沖突大環節，筆者用一根吸管+一根筷子+一個濕紙團，帶領學生做了一個簡易的空氣壓縮槍。學生在完成自己的空氣壓縮槍作品后，隨即開啟了問題模式，在大量關于空氣壓縮槍的問題里，選取一個與本課主題關聯最大，最能統領所有零碎問題的問題，展開第二階段的實證研究，順利過渡到自主建構階段。通過這一階段的半開放的自主探究和合作交流，學生獲得了很多有意思的發現，進而與空氣壓縮槍的原理進行類比思考，獲得很多關于空氣壓縮的新認識，進而理所當然地進入到應用遷移環節。其實，自主建構環節將注射器實驗獲得的相關證據與空氣壓縮槍進行聯系，本身就是一次應用遷移。在此基礎上，學生還會提到諸如噴壺、足球、籃球、噴霧等與空氣壓縮有關的生活經驗。當然，圖1呈現的矩陣層級式梳理只是表達教師備課過程中，怎樣從無到有備好一節內容豐富且能激發學生思維的課，并不代表一節課里認知沖突、自主建構、自我監控和應用遷移之間存在包含與被包含的集合關系，它們之間更多是一種“你中有我，我中有你”的關系狀態。例如，認知沖突產生問題，問題需要得到解決，解決問題就產生了后續活動的研究動力。

2.漏斗過濾式引導

科學課要體現其思維含量，就不能只是圍繞知識設計活動，活動與問題的設計都要以激發學生內驅力為前提，否則就容易陷于低水平的課堂窘境——“教師強行推著走，學生勉強配合演”。設計一節課，必須先搞清楚這些問題：為什么要學這個內容？有什么價值和意義？在活動中學生的思維有何發展？如何發展？

科學實驗里有一個經典的過濾實驗操作，如果將科學思維型教學的關鍵要素類比為此操作中的各個關鍵要素，可以獲得以上問題的破局之道。如圖2所示，“混合液體”代表學生認知里的前概念，教師需要通過“導流棒”的作用，將學生混雜的前概念引入“漏斗”代表的研究場域，“濾紙”代表的是教師的引導性策略，學生的探究性實驗和論證過程、學生前概念里不完善和有錯誤的部分在“濾紙”的作用下逐漸得到“凈化”（概念發展、重構、修正的過程），錯誤的前概念被留在了濾紙上方，有價值的結論性觀點得以保留，進而應用拓展到更多同層級的概念應用場景，甚至提煉出或佐證于更為上位的大概念。以上的整個“過濾”操作過程，實際上就是教師帶領學生開展有意義的科學探究活動的形象化表征。其中的很多細節，值得品味和深思。例如，因為有“導流棒”（教師控場）的存在，使學生混雜的前概念得以有序的梳理，也被引導到“漏斗”（研究場域）里合適的位置。因為有研究場域的存在，學生的討論不至于跑偏，概念的發展、重構、修正有了邊界和載體，這就既保證了學生是在完全自主的狀態下開展探究活動，又保證了探究活動有明確的指向、高效的引導。整個“過濾”（科學學習）過程，沒有借助教師生拉硬拽的強制性外力，完全借助教師控場“導流”和“漏斗”研究場域的引導，依靠“液體自身重力”（學生自主探究和論證活動）的作用完成整節課的學習。當然，值得注意的是，“漏斗過濾式引導”的教學方式，對教師個人的課堂組織能力、洞察和抓取課堂生成的敏銳眼光、學生研究工具的結構化設計，都提出了很高的要求，教師想要熟練駕馭這種教學方式，需要積累較為豐富的課堂經驗才行。

二、定“板”：板書設計的預設

1.符合科學研究邏輯

基于學界和社會對科學研究方法的普遍共識，一般認為，主流科學方法就兩種：演繹法：設定原理—邏輯與數學推演—提出推論—實驗驗證—形成理論；歸納法：觀察現象—總結規律—提出預言—實驗驗證—形成理論。無論以上哪種科學研究的邏輯，其實都包含最基礎的五步：“提問、假設（解釋）、證據（實驗、論證）、結論（再解釋）、應用（拓展）”。因此，板書設計的結構，也要參考科學研究的基本邏輯，不同的課題內容在呈現結構上會有區別，但基本結構是趨同的。例如，在《壓縮空氣》這課的板書預設中，就分為問題、解釋、證據、結論、應用5個板塊。這種板書設計可以幫助學生形成良好的科學研究邏輯習慣，有利于實現科學探究活動“由扶到放”的能力進階目標。

2.符合兒童視角呈現

兒童視角下的板書設計，強調呈現方式要盡可能結構化和形象化，這是幫助班級學習共同體協同思考，促進個體與周圍信息積極交互的有效手段。

（1）板書結構化。本課在進行板書結構化設計過程中，首先要考慮探究過程的邏輯線索，也就是前段提到的5個基本板塊。最容易想到的是線性排布，即從左到右，依次呈現問題、解釋、證據、結論、應用，因受限于黑板結構，過長的線性排布被替換為圖3所示的“象限排布”。其次要考慮的是每個板塊內包含的內容。寫進板書的文字和圖片一定是能成為課堂重要研究和討論對象的內容。例如，在解釋板塊，學生提到氣壓問題，提到密閉空氣被壓縮產生力的問題；在證據板塊，學生找到對應的現象能夠證明這種解釋；在結論板塊，學生將之前通過分析推理得到的認識具像化為相應的圖示表達。每一條板書的詞匯、短語、圖示，都將成為學生課堂研討的重要素材，成為學習共同體協同思考的線索依據。

（2）板書形象化。將思維可視化運用到學科教學中，可以實現零散知識系統化、隱性思維顯性化、解題規律模型化[5]。兒童對圖示、圖片的敏感度，遠高于文字，這意味著我們在兒童視角下設計板書的時候，必然要做到圖文并茂，最理想的板書形象化呈現方式是整個板書都是圖，文字作為標注和配角出現。但本課的板書設計只有少量圖示，大部分是文字，是否符合形象化的要求，是否有利于學生理解呢？細看不難發現，板書里的文字其實都來源于學生的表達。教師只是學生觀點的搬運工，將他們表達的重要內容和觀點提煉出來，放在它們應該出現的位置。同時，這些文字的出現，也不是一股腦放上去的，而是隨著學生思維活動的進程循序漸進出現的。本課板書文字多于圖示還有一個很重要的原因是課題內容導致的，在梳理學生口頭表達的觀點時，文字提煉的效率要高于圖示，但在結論板塊，因為要呈現學生對空氣壓縮的形象化認識，圖示的效果就要優于文字。

3.符合課堂自然生成

在實際教學中，板書預設和實際呈現會有較大差異，這是“生長型”課堂的特點。“生長型”課堂最大程度尊重學生的自我認識和自我表達。美國教育家達克沃斯在其所著的《精彩觀念的誕生》一書中提到，任何年齡階段、任何發展水平的任何學生，都是帶著自己觀念進入教學的，在學習過程中他們又會不斷產生新的、獨特的、更精彩的觀念，這個精彩觀念不斷誕生的過程其實就是他們智力和認知不斷發展的過程[6]。因此，課堂教學必須建基于學生的獨特觀念之上，教學的目的（或價值）就是幫助學生在原有觀念的基礎上產生新的、更精彩的觀念。作為科學教師，想要讓學生具備專家思維，也就是像科學家一樣思考和解決問題，就必須尊重學生的課堂自然生成，這意味著教師不可能提前預設一個完全符合學生認知和表達的板書。班級或小組學習共同體之間的差異，學生個體之間學習能力、認知水平的差異，都會導致相同課題內容的科學課會有不一樣的板書呈現。教師只能最大限度地去預判學生的課堂行為，使板書成為一個能體現學習共同體學習成果的實時生成的作品。

三、定“學”：學習大支架的設計

學生，作為思維型課堂的主體，教師必須找到一個適切的學習支架或思維載體定義學生的“學”，讓學生的思維可見，這個支架或載體最直接的呈現方式就是探究記錄單。思維型課堂探究記錄單的設計，必須深度整合到教學環節中去，這意味著，探究記錄單的內容必須與課堂板書對接，與學生表達對接，與證據呈現對接。同時，還要兼顧學生的課堂學習成本，不能讓探究記錄單成為拖累學生探究活動的負擔和可有可無的廢紙。

1.與板書對接

板書，是課堂重要信息的留痕載體。板書的內容，除了來自學生口頭表達的提煉、關鍵概念的整理外，大部分內容來自學生探究記錄單里的信息。例如，在本課中，作為在自主建構大環節里發揮重要作用的探究記錄單，上面的很多信息直接被提煉到證據和結論的板塊，在匯報交流環節，教師要求學生將他們的記錄單展示在大屏幕上，學生一邊匯報，教師一邊將重要信息整理到板書上。

2.與表達對接

匯報交流，最讓教師頭疼的莫過于學生的表達磕磕巴巴，詞不達意，缺乏規范。探究記錄單的存在，很大程度上幫助學生有條理、有結構、有重點地記錄重要信息，使得他們在表達匯報的時候，敘述有條理、思維有結構、論證有重點，極大提高匯報交流效率。

3.與證據對接

探究記錄單作為證據記錄的紙質載體，可以客觀呈現學生的真實發現，不僅在表達交流的時候起到旁證的作用，也將作為大單元教學的重要過程性資料。一種常見的課堂場景是：本節課的客觀記錄，也許在后面課時的探究過程中，又將成為其他發現的重要佐證，又或者因為其他新的發現，本節課看似證據確鑿的觀點又得以發展和修正。此外，學生的記錄，也是思維活動的體現，教師可以從他們的記錄中發掘很多值得探討且有意思的內容，使得記錄單得以成為課堂自然生長的一個重要節點。

四、定“論”：表達多樣性的應對

思維型科學課最能體現思維屬性的部分，就是論證環節。一般來說，論證環節集中安排在實驗探究后，學生依據自己和他人獲得的證據類素材，展開思辨活動。同時，在提問環節和總結應用環節，也會有論證活動的存在。如何組織好論證活動，做好學生思維的引路者，對教師教學技能有比較高的要求。

1.殊途同歸

為了迅速聚焦主要問題，為后續探究活動節約時間，科學課的導入環節可以直接拋出主要問題，給學生留下一段短暫的思考時間后，開始安排小組分工，指導操作細節，組織分組活動。這種做法的好處顯而易見，劣勢也極其顯著。問題應該在情境中自然生成，如果教師創建的問題情境對學生具有足夠的吸引力，是不需要教師拋出主要問題的。例如在制作壓縮空氣槍這個問題情境中，學生提出的問題，看似各不相同，其實都指向怎樣讓“紙彈”順利發射出去這個大問題。例如“紙彈”被發射出來的時候會有“砰”的一聲，是因為壓縮空氣在極速恢復過程中釋放能量而導致的結果；“紙彈”之所以要沾水浸濕，是為了更好地將空氣封閉在一個密閉空間內，方便壓縮積蓄能量；用木棍戳是為了對抗壓縮空氣產生的巨大反彈作用力，需要較大的力量。因此，在這個環節，學生的論證思維活動已經很活躍了，即使沒有后面的實驗活動，思維上的分析推理已經可以初步解釋一些問題，也能初步反駁一些問題，思維活動的背后，關鍵是教師能否從學生異彩紛呈的問題里，抓住那個最關鍵的統領大問題。

2.求同存異

結論得出的環節一定伴隨一些“副產品”——與結論觀點相關的其他認識。這些“副產品”不應該被忽視，而且要給予足夠的重視。學生的多元表達、發散思維，都需要在“副產品”里去尋找落點。例如，本課的主要結論是空氣可以被壓縮，這是課程標準要求學生必須掌握和理解的內容。顯然，這是一個容易獲得的結論，甚至是很多學生沒有通過實驗探究就已經知道的生活經驗。因此，教師沒有簡單地將空氣可以被壓縮這個結論呈現出來，而是選擇了學生認知里一些重要的發現和推理：一定條件下，空氣不僅可以被壓縮，也能被拉伸，空氣被壓縮或拉伸后，都可以復原，因此會產生彈性（力量）。這些“副產品”是某一位或某一部分學生發現和提出的，不一定能得到所有學生的理解和贊同，但因為這些“副產品”的存在，讓一節意料之中的科學課誕生了一些意料之外的認知收獲，也為后續研究提供了有意義的接口。

五、定“料”：實驗材料的結構

思維型科學課必須輔以結構化的材料。所謂結構化的材料，主要指教師根據教學內容和教學目標，對實驗材料進行因地制宜的創造性設計、改進和重組。另外，對實驗材料的發放與管理，也屬于結構化材料的范疇。

1.簡約材料

結構化材料的第一原則就是簡約。小學科學實驗教學注重其科普屬性，能用簡單材料實現的效果，絕不復雜化；能用便宜材料實現的效果，絕不貴重化；能用學生身邊就能碰觸到的日常品，就絕不用稀罕物。材料簡約，不代表思維簡約。本課中采用的吸管、筷子、紙巾、注射器，都是日常用品，它們不僅可以用來完成本課的科學探究活動，還可以在更多課時里發揮作用，關鍵在于教師是否有結構化材料構建的意識，用簡約的材料引導出活躍且有深度的思考。

2.劣構材料

簡約材料容易帶來材料準備的劣構，使實驗效果可控性變低，實驗預期存在較大不確定性。對小學科學實驗而言，劣構材料導致的問題恰恰能給學生的思維活動留下大展拳腳的空間——材料實驗效果如果不明顯，問題出在哪兒？更換材料是否會有不同的效果？劣構的材料，能夠給學生思維帶來無限的延展性。例如，本課使用的吸管如果換成更粗的、更長的、更硬的，根據我們獲得的關于壓縮空氣的結論性觀點，實驗效果可能會有怎樣的變化？其他材料的替換，又會帶來怎樣的結果？在不同班級的教學中，每個班級學生使用同樣的材料，會出現各種不同的結果，甚至實驗失敗，教師如果將這種“失敗時刻”轉化為可以利用的課堂資源，意料之外的結果反而更吸引學生的注意，學生會特別在意教師為什么失敗，失敗后，又做了哪些操作，這對學生反思自己的操作過程，反思科學原理的運用，具有一定的示范作用。

3.出現時機

實驗材料發放時機的把握是大有講究的，甚至會直接決定一節科學課思維活動的成敗。不同學段，不同課題內容，不同器材的復雜度，都會影響材料發放的時機。三年級學生的注意力，一般不會在一個問題或環節上集中太長時間。根據普遍的課堂教學經驗來看，低年級學生每隔5～10分鐘，必須有一次課堂小高潮，或者課堂節奏的變化。實現“小高潮”和“變化”的方法有很多，簡單來說，就是在手、耳、眼、鼻、腦之間不斷切換感受的主體。用實驗材料的發放和管理來實現這種切換，是常用且有效的辦法。在第一環節，教師將吸管、筷子、紙巾、水杯放在一個實驗籃內，學生進行空氣壓縮槍的制作體驗活動，這個過程大約用時7分鐘；隨后，教師回收所有材料，引導學生迅速轉入對剛才活動的思考，思考的過程包括提問和基于前概念的簡單解釋，這個過程持續約6分鐘；之后教師發放第二組材料——人手一支的注射器，學生按指引完成證據的搜集活動，用時約7分鐘；完后教師再次收回材料，引導學生進入平靜的思考狀態，完成記錄單的整理，用時約3分鐘；最后是7分鐘左右基于記錄單和實際觀察體驗的表達和梳理。以上是課堂的主體環節，加上課堂開始的3分鐘演示，應用拓展部分5分鐘的趣味視頻和拓展性思考，以及課堂組織的時間，整節課的節奏變化基本定調。實驗材料的兩輪發放與管控，對節奏的把控起著重要作用，也是規范引導學生靜心思考的關鍵操作。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部．義務教育科學課程標準（2022年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2022.

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[3] 胡衛平.教師教學能力評價初探[J].中國考試，2021（10）：12-17.

[4] 溫小勇，周玲，劉露，等.小學科學課程思維型教學框架的構建[J].教學與管理，2020（24）：109-111.

[5] 劉濯源.思維可視化：減負增效的新支點[J].中小學管理，2014（06）：10-13.

[6] 達克沃斯.精彩觀念的誕生：達克沃斯教學論文集[M].張華，等譯.北京：高等教育出版社，2005：94.

［責任編輯：陳國慶］