科學“雙螺旋結構”課堂的構建

張駿

【摘 要】科學思維作為科學課程核心素養的重要組成部分，也是一種關鍵能力，對培養學生科學核心素養起著至關重要的作用。然而，在課堂教學實踐中，重探究活動，輕科學思維，探究活動與科學思維脫節的現象還是比較常見的。本文以“浮力”的教學為例，試著構建“雙螺旋結構”科學課堂，引領學生在優化的探究活動中進行深度的科學思考，發展科學思維能力，體味科學探究本質，提升科學核心素養。

【關鍵詞】“雙螺旋結構”課堂 活動與思維 情境場 問題串 證據鏈

《義務教育科學課程標準（2022年版）》指出，科學課程要培養的學生核心素養，主要是指學生在學習科學課程的過程中，逐步形成的適應個人終身發展和社會發展所需要的正確價值觀、必備品格和關鍵能力，包括科學觀念、科學思維、探究實踐、態度責任。其中，科學觀念是素養的基礎；科學思維是關鍵能力，是素養的核心；探究實踐是關鍵能力，是主要途徑；態度責任是必備品格，體現素養的方向性。四者相互依存，體現了科學課程的育人價值。從中我們不難看出：科學思維作為核心素養的核心，對學生核心素養的培養起著至關重要的作用。然而，科學思維的培養又不能成為空中樓閣，它必須通過一定的載體來實現，探究實踐活動則是實現它最好的載體。可在實際教學實踐中，重探究活動，輕科學思維，探究活動和科學思維脫節的現象并不多見，甚至出現只見探究活動、不見科學思維的狀況。下面，筆者以蘇教版科學四年級上冊“浮力”一課為例，具體闡述如何將以實踐為特征的科學探究活動與科學思維有機結合，促進學生科學思維的發展，從而實現學生科學核心素養的提升。

一、“浮力”一課的常見課堂教學設計

教師引導學生認識“在水中的物體，無論沉浮都受到水的浮力”后，重點帶領學生研究影響物體沉浮狀態的因素是什么。四年級學生已經在三年級上冊學習過固體和液體的內容，能認識到物體具有質量、體積等特征。因此，在本節課中，需要學生提取質量、體積等物體特征的認知來解釋影響物體在水中沉浮的可能因素。大多數教師，直接出示教材中的兩個主體活動內容，設置問題、實驗材料和實驗設計，讓學生根據要求操作，發現現象，再對現象進行分析思考，從而發現物體的質量和體積會影響其沉浮狀態。

從教學過程來看，看似學生經歷了探究活動，活動過程中和結束后，教師也組織學生進行了預測和對探究結果的分析，從而得出科學結論。可從課堂實際教學效果來看，學生更多的是按照教師提供的活動步驟一步步操作，關注點和注意力更多是在對實驗材料的操作上，而對物體的沉浮狀態與物體的質量、體積之間的內在關聯缺乏真正的思維關注。因為整個活動是教師安排的，“為什么這樣做？要關注什么？如何關注？”等問題，學生根本沒有真正地思考，科學思維并沒有真正發生。

二、“雙螺旋結構”課堂的界定

科學“雙螺旋結構”課堂是指學生在進行探究式學習時，架構以“活動”和“思維”為主線，由“問題”和“證據”與之相關聯，形成一個穩定整體的科學學習課堂。它是一種探究活動和科學思維關聯共生、螺旋發展的做中學、學中思的科學課堂。

“活動”是以實踐為特征的科學探究活動，包括動手操作、實驗模擬、信息搜集、觀察考察等。“思維”是以心智為特征的各種思維活動， 表現為演繹與歸納、分析與綜合、分類與比較，以及概念、判斷、推理等邏輯思維的過程和形式，用以感受、提取、理解、判斷、選擇、記憶、想象、假設、推理，并以此指導科學探究活動。兩條螺旋主線通過“問題”和“證據”貫連構成一個穩定的課堂架構。“問題”是指圍繞某一探究目標，在探究活動關鍵環節精心設計指向明確的關鍵問題，由這些具有一定邏輯結構的關鍵問題組成問題鏈，環環相扣，成為達成同一目標的閉環的整體結構，問題之間相互關聯且具有一定的邏輯關系，指向共同目標。“證據”是指學生在科學探究活動中通過觀察、實驗、調查等多種途徑來獲得事實和證據，通過對證據的提取、整理、組合形成具有內在邏輯關系、能夠證實（證偽）科學問題的證明鏈條。

三、構建“雙螺旋結構”課堂的教學實踐

基于以上對常見科學課堂教學設計的剖析和“雙螺旋結構”課堂的認識，筆者對“浮力”一課的課堂教學進行了重新架構。

（一）片段與評析

1.預測、實測物體在水中的沉浮情況，形成認知沖突，產生問題

師：請大家仔細觀察老師帶來的小土豆塊、小鐵釘、大土豆、木塊、玻璃珠、蠟燭，小組內相互說說它們在水中是沉還是浮，并說明理由。

四人小組討論，之后全班匯報。

生1：小鐵釘沉了，因為它是鐵的；大土豆沉了，因為它比較重；小土豆塊浮起來了，因為它比較輕；木塊浮起來了，因為它比較輕；玻璃珠沉了，因為它比較重；蠟燭浮起來了，因為它比較輕。

師：有不同的想法嗎？

生2：大土豆是浮的，它雖然較重，但比較大。

生3：蠟燭會沉下去，因為它是實心的。

……

師：看來，大家的猜測不太一樣哦！大家都有各自的理由，到底猜測得對不對呢？我們一起來觀察。

教師將物體逐個放入水中，讓一名學生上黑板做記錄，其他學生觀察沉浮狀態。學生發現小土豆塊是沉下去的，蠟燭是浮上來的，和自己原先的想法不一樣，可又說不清楚到底是怎么回事。

師：物體的大或小、輕或重、空心或實心好像都有可能讓物體沉或浮，到底是什么在影響物體的沉浮呢？

評析：通過預測生活中較常見的物體在水中的沉浮狀態，充分暴露學生原有的想法，再通過實際的操作，學生發現實驗結果和自己的想法不太一樣，很自然地就產生了認知沖突。在這樣的活動中，學生雖然沒有直接動手操作，但通過觀察、討論、交流、質疑等一系列活動，他們的大腦中已經對物體的沉浮狀態的預測及理由都有了充分的思考，并產生了認知沖突，自然而然地對下面的探究充滿了期待，激發了研究的興趣。

2.任務驅動：讓小球懸浮在水中，逐步建立起沉浮與質量之間的聯系

在學生初步認識到物體的體積、質量以及是否空心好像都可能影響物體的沉浮情況，而又處于模糊混沌狀態之時，筆者沒有直接讓學生做“體積相同，質量不同”和“質量相同，體積不同”的操作活動，而是以一個有趣的探究任務作為驅動，通過一個個問題組成的問題串，讓探究活動更加有層次，從而引發學生不斷地思考，讓科學思維不斷向前推進。

（1）如何讓小黃球懸浮在水中？

教師出示1號小黃球，將其放入水中，學生觀察發現：浮在水面。出示2號小黃球，將其放入水中，學生觀察發現：沉入水底。出示3號小黃球，將其放入水中，學生觀察發現：既沒有浮在水面，也沒有沉入水底，而是懸浮在水的中間。

師：3號球很特別，懸浮在水中，想做一個這樣的小球嗎？如何讓小黃球懸浮在水中呢？

生1：可以在小黃球里裝點重物，如蠟燭之類的東西。

師：你的意思是往小球里加點東西，怎么加呢？

生1：把小球剝開。

師：找一個可以打開的小球，老師可以提供這樣一個可以打開的小黃球和一些你所說的重物，也可以用玻璃球來代替。

評析：通過這個有挑戰性的任務驅動，調動了學生研究的積極性，更重要的是這樣的實踐活動暗含著小球的體積大小是不變的，往里面加玻璃球，實際上是改變小球的質量大小，比較符合學生的已有認知，容易達成活動的預期目標。

（2）怎樣往小黃球里加玻璃球？加多少顆最有可能懸浮？

師：這么多玻璃球，可以采取什么方式往里加呢？

生1：先放1個，試試看；再增加1個，再試試看，直到懸浮為止。

生2：可以先裝滿，看看能不能懸浮，然后逐漸減少，直到懸浮為止。

生3：可以先加一半，再根據情況增加或者減少。

師：大家的方法各不相同，都是要不斷地嘗試，直到成功，是不是？大家邊嘗試、邊思考，加多少顆最有可能懸浮？

學生小組嘗試完成任務。

評析：雖然加玻璃球的方法不同，但本質上卻是相同的，即改變小黃球的質量。在這樣的問題對話中，學生的探究思路更加清晰，不管采用怎樣的放入順序，先少后多，先多后少，都是要看小黃球的質量多少與懸浮之間的聯系。學生在探究活動前帶著這樣的問題，目的指向會更明確，思維含量也一定會得到提升。

（3）是什么在影響小黃球的沉浮？

學生通過不斷的嘗試，發現不管用哪種順序放玻璃球，最終都是放8顆玻璃球能讓小黃球最接近懸浮狀態。筆者沒有止步于這樣的結論，而是引導學生對整個過程進行梳理和分析——

師：是什么在影響小黃球的沉浮呢？

生：小黃球里面玻璃球的數量是多少。

師：改變玻璃球數量的多少其實就是改變了什么？

生：小黃球的質量大小。

師：質量大小會影響小黃球的沉浮嗎？

生（齊）：會。

師：怎么影響的呢？

生1：質量大，小黃球就會沉；質量小，小黃球就會浮。如加1顆玻璃球，用手掂量掂量，比較輕，放入水中會浮起來；加9顆玻璃球，用手掂量掂量，比較重，放入水中會沉下去。

生2：我們組有一個疑問，剛開始我們看到木塊質量也不小，為什么它也是浮上來的呢？

師：非常好的問題，看來我們這個結論好像有問題哦！

（學生有點懵）

師：剛才我們研究的都是同一個小黃球，什么是一樣的？

生（齊）：大小。

師：也就是體積相同，是要有前提條件的，怎樣修正這句話？

生3：相同體積情況下，質量大，會沉；質量小，會浮。

師：相同體積，質量大，一定會沉嗎？質量小，一定會浮嗎？

（學生又陷入沉思）

師：讓我們還原剛才的研究過程，將不同質量的小球并排放入水中，你們發現了什么？

生4：相同體積，質量越大，越容易下沉；質量越小，越容易上浮。

評析：學生看似無序地在不斷嘗試操作，實則在他們的頭腦中必定會堅持一個想法，就是要找一個合適的重量才行，而這恰恰指向了最核心的因素——質量。因此，當教師問到是什么在影響小黃球的沉浮時，學生必然想到其質量大小。但質量大小又是如何影響物體沉浮的，學生還不能準確地建立起兩者之間的聯系，教師通過不斷的追問，并幫助學生回顧并還原之前的探究現象，作為有力的證據來逐步明晰物體沉浮與質量大小之間的關系。通過問題和證據的關聯，學生的探究活動必然伴隨著科學思維的參與，并且不斷走向深入。

3.觀察、比較相同質量的小球的沉浮，建立沉浮與體積之間的聯系

在明晰了小黃球的質量大小與沉浮的關系后，筆者順勢拿出兩個質量相同但大小不同的小黃球，提問：這兩個球質量相同，放入水中又會出現什么現象呢？你們的理由是什么？

生1：都會沉，或者都會浮。因為它們質量相同。

生2：不一定。因為它們雖然質量相同，但大小不一樣。我認為大的會浮，小的會沉。

生3：我也認為不一定，但我認為大的會沉，小的會浮。

（教師操作，學生觀察）

師：你們發現了什么現象？能不能也用一句話來描述你觀察到的結果。

生：質量相同的球，體積大的容易浮，體積小的容易沉。

評析：此問題的提出很自然地延續了前一個活動環節，也符合學生的學習邏輯。教師雖然沒有讓學生自己動手操作，但學生能依據前面的研究結果發表自己的觀點，產生新的認知沖突。再通過對實驗現象的觀察，利用新的證據來佐證自己的觀點，從而分析歸納出物體沉浮與體積之間的關系。在整個活動中，學生始終在不斷地思考，活動與思維如影隨形，相依相伴。

4.總結歸納沉浮規律，拓展延伸，引發進一步思考

師：通過剛才的研究，你們認為物體的沉浮到底與什么因素有關呢？

生1：物體的沉浮既與質量大小有關系，也與體積大小有關系。

生2：體積相同，質量大容易沉，質量小容易浮；質量相同，體積大容易浮，體積小容易沉。

生3：在體積相同的情況下，要看它們的質量大小；在質量相同的情況下，要看它們的體積大小；不能只比質量，也不能只比體積，要兩者結合起來分析。

……

師：還記得開始上課的時候，我們發現大土豆和小土豆的質量不同，體積也不同，可都是沉入水底的，又是怎么回事呢？看來物體沉浮的秘密還真不少呢？讓我們帶著這個問題課后繼續研究吧。

評析：在初步總結歸納影響物體沉浮的因素后，并不代表探究活動的結束。在真實的情景中，并不會正好出現相同質量和相同體積的物體讓學生去比較，剛上課時設置的情境恰恰提供了這樣的教學資源。不同物體或者相同物體，質量和體積都不一樣，又如何去判斷它的沉浮，影響沉浮的因素又是什么？通過這樣的問題，再次引發學生深思，活動與思維交織著螺旋式上升，直抵物體沉浮的本質。雖然以四年級學生的知識水平和認知能力暫時無法真正理解，但它會促使學生始終保持著探究的興趣和動力，促使學生不斷地尋找證據來證明自己的觀點，從而將思維引向更深處。

（二）整體解讀

1.情境場：呈現已有經驗，引發認知沖突

認知心理學理論認為，學生真正地學習的過程是認知結構不斷改造拓展的過程。首先，教師通過呈現有結構的常見物體，讓學生根據自己的經驗對其沉浮情況進行預測，再與實際觀察到的現象做比較，引發認知沖突，產生真實而有價值的問題，激發其探究動機。其次，在“讓小黃球懸浮在水中”的情境任務中，學生是帶著已有的經驗來嘗試的，即要有適當的重量。學生在不斷地調試過程中逐步解決問題，但教師和同伴的追問、質疑又引發了新的認知沖突。學生始終在教師創設的情境中發現問題，提出疑問，認知結構得到不斷改進和提升。

2.問題串：讓活動有層次，讓思維有連貫

思維總是由問題引發并圍繞問題展開的，問題是學習的核心，也是學生思維發展的動力和方向。縱觀整節課，若干個關鍵問題，形成連貫的問題串，將整個探究活動連成一個有機整體。一系列關鍵問題，貫穿在課堂中，相互關聯，不斷遞進，使活動更加有層次，讓學生的思維有一定的連續性，讓活動和思維兩條線關聯共生、螺旋式上升，最終指向核心目標。

3.證據鏈：在“論”中推理，在“證”中建構

科學思維是從科學的視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認知方式。推理論證作為其主要方式之一，要能合理分析與綜合判斷各種信息、事實和證據，運用證據對研究的問題進行描述、解釋和預測，基于證據與邏輯，建立證據與解釋之間的關系并提出合理見解。可見，證據在推理論證中起著至關重要的作用。本課中，教師引導學生對“如何讓小球懸浮在水中？”和“質量相同、體積不同的小球沉浮狀態一樣嗎？”提出自己的觀點，尋找證據，并通過對證據進行提取、整理、組合，形成一個有內在邏輯聯系的證據鏈，用科學的語言把推理論證過程中直觀、零散的發現進行概括和整理，建立證據與觀點之間的聯系，證明自己的觀點，從而建構有條理、有內在邏輯的科學概念。這樣的證據鏈，分別對應著相關的問題，緊密結合在一起，共同推動著活動和思維向深處發展，有利于學生將探究結果和概念有機聯系起來，也有利于促進學生對科學本質的理解。

【參考文獻】

熊曳.如何在科學論證中提高學生獲取證據的質量——以“造紙橋”內容教學為例[J].湖北教育（科學課），2020（2）.

注：本文系江蘇省教育科學“十四五”規劃2021年度重點課題“小學科學‘雙螺旋結構課堂構建與實施的研究”（編號：B/2021/02/174）的階段性成果。