指向科學思維發展的小學科學進階實驗串設計研究

摘要 在探究實踐中發展科學思維是小學科學探究的重要目標之一，但是目前科學課堂的實踐探究存在時間短探究淺、少設計難引導、重結論弱反思等問題，這使得科學探究難以深入，學生的科學思維得不到充分的發展。因此，以進階實驗串為抓手，從明確實驗目標、優化探究過程、科學反思結論三方面入手，提出以進階實驗串為核心的科學探究鏈，以期發展學生科學思維，讓學生在進階實驗中能夠獲得連續的、內化的、延伸的學習增量。

關? 鍵? 詞 小學科學 進階實驗串 科學思維 實驗目標 探究過程 科學反思

引用格式 方麗麗.指向科學思維發展的小學科學進階實驗串設計研究[J].教學與管理，2023（32）：46-49.

在探究實踐中發展科學思維是小學科學探究的重要目標之一，但是目前科學課堂的實踐探究存在時間短探究淺、少設計難引導、重結論弱反思等問題，使得科學探究難以深入，學生的科學思維得不到充分發展。這主要是由于探究目標不明確，探究過程機械化，結論反思不充分造成的。因此，本文以進階實驗串為抓手，從明確實驗目標、優化探究過程、科學反思結論三方面入手，提出以進階實驗串為核心的科學探究鏈，以期發展學生科學思維，讓學生在進階實驗中能夠獲得連續的、內化的、延伸的學習增量。進階實驗串的設計是在實驗目標之下，對學生首次實驗后提出的新疑問、獲得的新發現、學到的新知識進行再次深入思考的過程。它以多個進階實驗的形式，幫助學生解決新疑問、解釋新現象、重構新經驗。在進階實驗串的探究實踐中，學生通過反思、辯證看待進階實驗探究中的一個個結論，促進其發展模型建構、推理論證和創新思維的能力。

如圖1是以進階實驗串為核心的指向科學思維發展的小學科學探究實踐操作過程：首先，在實驗操作時為了讓探究目標更加明確，需要提前收集學生在這一領域的疑問和已有的前概念，明確學生的探究需求。其次，在探究過程中充分尊重學生的新發現、提出的新疑問及在遷移應用時產生的新問題，并在此基礎上設計進階實驗，以期讓學生在探究中通過建構問題模型自主解答疑問、解釋新發現、重構新經驗。最后，在實踐探究后，學生需要推理論證得出的結論是否合理，通過證實和證偽相結合的方式，從不同角度分析、思考問題，辯證看待結論的科學性。通過一系列的實驗設計和探究實踐，促進學生科學模型建構能力、推理論證能力和創新思維的發展。

一、明確實驗目標——確定實驗起點

1.收集學生疑問，明確探究需求

科學學習是一個不斷解決問題的過程，只有針對學生有疑問的問題進行實驗探究才是有效的探究。因此，在實驗前，教師需要先收集學生的疑點和難點，確定實驗設計需要解決的問題，才能確定實驗目標。

比如在學習教科版《科學》四年級下冊“巖石和土壤”單元時，通過疑問墻的展示與交流，發現學生最想知道的其實是“巖石是怎樣形成的”，而課標的要求則是“學會通過觀察和使用簡單工具，比較不同巖石的顏色、堅硬程度、顆粒粗細等特征”。課標要求對學生來說并沒有強烈的探究需求，因此在確定探究目標時，可以將巖石的特征與巖石的形成結合起來研究——巖石的形狀特征是否與其形成過程有關呢？通過這樣的鏈接，吸引學生興趣，從而進一步研究，使實驗探究更符合學生需求。

2.調查前概念，了解已有經驗

學生的前概念經驗會影響后續的學習與發展，如果只按教材要求設計實驗目標往往會出現學生重復探究、無效探究的現象。因此，教師需要在實驗探究前調查學生已有的前概念，在前概念基礎上確定實驗目標，讓實驗探究更有效，使得學生有新的發現[1]。

比如在學習教科版《科學》五年級上冊“光”單元前，用問卷星收集了學生對“白天我們能看到放在桌子上的蘋果，為什么在漆黑的夜里就看不到了？”這一問題的一些想法（如圖2），發現大多數學生認為，因為白天有光所以能看到。殊不知，人眼能看到蘋果是因為有反射光進入人眼。學生只“看到”光源照射到物體上的光路，“看不見”物體反射到人眼的光路。因此，在確定探究目標時需要讓學生明確：除了有光，還需要有光線進入人眼。這樣，物體才能被我們看到。

上述案例中，學生已經知道了光對人眼能看見物體必不可少，但是沒有考慮其他因素。教師需要通過實驗設計，重構學生的經驗。比如自身能發光的物體在黑暗中人眼也看不見嗎？自身不能發光的物體在黑暗中適應一段時間后是否能被看見呢？……在明確已有經驗后，教師在設計探究目標時就有了更為清晰的方向。通過提前收集學生疑問和調查前概念的方式，明確實驗目標，讓學生帶著需求去探究，會大大提高他們的主動性，從而產生新的疑問和發現，引發學生思考與討論[2]。

二、優化探究過程——保障學習進階

1.打破思維定勢，重構學習概念，從經驗中進階

每位學生在走進科學課堂之前，頭腦中已經有了一定的事實性認知，這些事實會讓他們在思考問題時產生一定的思維定勢，限制其思考的廣度和深度。錯誤的前概念也會影響學生的思考路徑，需要在進階實驗中，進一步重構已有的學習概念。

比如在學習教科版《科學》四年級上冊“運動和力”單元起始課“讓小車運動起來”時，學生普遍認為力能讓物體運動起來，而讓物體靜止下來只要將原來加在物體上的力移走即可。基于這樣的認識，筆者設計了進階實驗“到站小車”（如圖3）：讓運動的小車停在指定位置。學生發現如果在即將到達指定位置時抬起墊片，拉力消失，小車也并不會馬上停下來，而是會繼續運動一段距離后才能停止。但是，如果直接用手按住小車，小車則會立刻停止。這一實驗發現與學生認為的事實（沒有力時物體會停下）產生了沖突。

本案例中，筆者從學生已有經驗出發，在教材實驗的基礎上設計了進階實驗——“到站小車”，讓學生打破了思維定勢，明白沒有力時小車還是會由于慣性而繼續前進，直到最后因為“看不見的摩擦力”而停止運動。這一進階實驗引發學生的分析，從事實中推理歸納小車停下來的本質，發展其科學思維。

2.尊重學生發現，分析實驗現象，從疑問中進階

在探究過程中教師應充分保障學生學習的自主性，肯定他們的新發現，從而在探究中發現新的問題，開展新的進階式研究。

如教科版《科學》五年級下冊“增加船的載重量”一課中，學生用鋁箔紙做了三款不同體積的小船，發現小船的載重量并沒有隨著體積的增大而增大，與書上的結論“體積越大小船的載重量越大”不一致。于是筆者從這一發現出發，設計了進階實驗，讓學生利用不同材料（橡皮泥和鋁箔紙）展開對比實驗（如圖4），以期找到其中的原因。

從學生的發現中設計進階實驗，能夠讓探究更加充分、思考更為深入。通過進階實驗的進一步探究發現，由于鋁箔紙船較軟，承受一定的重物以后會發生形變，最大載重量也會隨之發生改變。為了驗證小船載重量與小船體積之間的關系，學生發現應該選擇不易變形的材料（如橡皮泥或更硬的鋁箔紙），同時對比過程中墊圈的放置方法也要保持一致。

3.聯系生活實際，建構思維模型，從遷移中進階

科學實驗的發現離不開生活的檢驗，將實驗發現與生活實際聯系起來可以更好地內化所學概念[3]。但是由于理論并不能完全解釋實際現象，需要學生在遷移時深入探究，建立起能夠解釋某一現象的思維模型，指導解釋更多相似的現象。

在執教教科版《科學》三年級上冊“水到哪里去了”一課時，為了讓學生明白凝結的過程，第一次實驗時學生發現冷熱兩塊玻璃片蓋在兩杯水溫相同的燒杯上方，玻璃片上產生的現象不同，冷的一塊產生了小水珠。通過這一實驗學生發現熱的水蒸氣遇到冷的玻璃片會變成小水珠。但若實驗到此結束，學生可能還難以透徹地理解這一原理，并解釋生活中的一些現象[4]：生活中水壺燒水時壺嘴口會出現“白氣”，這又是什么原因呢？于是教師出示了一個進階實驗：出示圓底燒瓶，加熱里面的水，觀察瓶口的情況（如圖5）。學生發現在接近瓶口處沒有任何變化，但是在距離瓶口一段距離處出現了“白氣”。這是因為接近瓶口處溫度高，水蒸氣看不見摸不著，所以接近瓶口處是水蒸氣，但是遠離瓶口處溫度相對較低，水蒸氣遇冷凝結成了液態的小水珠，也就是我們看到的“白氣”。

上述案例中，學生通過進階實驗，建構了一個思維模型去解釋生活中的類似現象，即熱的水蒸氣（看不見）遇到冷的物體（冷玻璃、冷空氣）會凝結變成小水珠（看得見）。學生利用這一思維模型就能解釋水壺燒水時壺口產生“白氣”的原因了。

三、科學反思結論——持續探究發展

1.深挖基礎實驗現象，推理論證結論

通過一個實驗馬上就得出“結論”是目前科學課堂的常態，但是真正的科學探究需要我們對科學結論進行反思，逐步探究實驗現象產生的原理，這不僅能真正提升學生的科學素養，也為今后研究相關問題打下實踐基礎。

在執教教科版《科學》六年級下冊“產生氣體的變化”一課時，學生通過實驗現象發現，白醋和小蘇打反應會產生氣泡，但是反應過后，留下的液體到底還是不是白醋并沒有深究。基于此，筆者設計了進階實驗：讓學生往白醋中一包一包地加小蘇打，往小蘇打中一小瓶一小瓶地加白醋。學生發現，加入第三包小蘇打或第三瓶白醋時，氣泡都逐漸減少了，直至不再產生氣泡，由此引發思考，原來的兩瓶液體里面已經沒有白醋或小蘇打了。

通過這一進階實驗，學生逐漸明白瓶子里的白醋或小蘇打已經消失了，取而代之的可能是另外一種不知名的物質，因為新加入的小蘇打或白醋不再與瓶中原有的物質發生反應了。像這樣，以真實的實驗現象來推理論證科學結論，更有說服力。

2.證實證偽相結合，辯證分析結論

卡爾·波普爾在《猜想與反駁》中提出科學與非科學的界限是：科學是能夠證實也能證偽的。一個結論如果可以從正反兩面去證明，那就說明它是科學的。很多學生對科學結論缺乏批判意識，不會質疑，因此教師可以加以引導，在科學實驗中通過證實與證偽相結合的方式，多角度論證得出結論的科學性[5]。

在執教教科版《科學》五年級上冊“光是怎樣傳播的”一課時，學生僅通過一束光能穿過幾張帶孔的紙屏便驗證了光能直線傳播，卻不會質疑結論的合理性。于是，筆者采用證實與征偽相結合的方式，設計了進階實驗：將光穿過一段彎曲的不透明吸管（如圖6），觀察光線是否會從另一端射出[6]。學生發現，光沒有從另一端射出。這一實驗發現從反面使學生認可了光沿直線傳播這一結論的合理性。

證實與征偽相結合的方式能促進學生辯證思維的發展，促使他們從正反兩個角度去思考問題，使得結論更加科學合理，更有說服力。

指向科學思維發展的探究實踐優化策略，在小學科學課堂中能夠牢牢抓住學生需求，明確實驗目標，讓科學實驗有的放矢，大大提高了學習的有效性。在探究過程中，面對實驗過程中的新發現、學生思維定勢的困擾、所學概念的遷移應用等問題，通過進階實驗串能夠得到有效的化解，保證學習質量。最后，對已經得出的結論也需要通過進一步的推理論證，深挖結論的合理性，實偽結合，分析結論的科學性。在一系列的進階式探究進程中，促進學生模型建構、推理論證和創新思維的發展。因此，進階實驗串是通往具有發展性的、有效性的探究實踐的橋梁，能夠使學生在探究實踐中有目標、有方法、有反思，從而獲得知識與能力的增量。

參考文獻

[1] 湯春燕.以實驗探究促進學生思維進階：來自科學課堂的探索[J].教育研究與評論：小學教育教學，2022（09）：46-49.

[2] 張俊紅.設計進階創新實驗? 促進學生深度學習：以“地球的繞日運動”為例[J].中小學實驗與裝備，2022，32（05）：19-22.

[3] 吉俊.基于思維進階的初中物理實驗教學設計[J].數理天地：初中版，2022（20）：74-76.

[4] 張巍波.指向深度學習的進階情境實驗教學設計與實施：以“探究溫度對酶活性的影響”實驗為例[J].生物學教學，2023，48（01）：56-58.

[5] 徐君玲.對小學生科學實驗結論山寨版現象的分析和研究[J].課程教育研究，2014（21）：19-20.

[6] 曾曉麗.光的傳播相關實驗優化[J].湖北教育，2023（1）：68-70.

［責任編輯：陳國慶］