在《撬重物的竅門》實驗教學中構筑“雙螺旋結構”課堂

◇李 菲（江蘇：南京市江寧實驗小學）

多年來，科學教學一直強調培養學生的探究能力。近幾年來，隨著國內外對科學思維的重視，教師也逐步關注到了學生思維能力的培養。2022 年版的《義務教育科學課程標準》中提到，科學學科的核心素養包括科學觀念、科學思維、探究實踐、態度責任。與上一版本的課標相比，新增了科學思維?？梢?，在科學教學中，教師不但要重視提高學生的探究能力，還要培養學生的思維能力。但是，在科學課堂上，教師常常只會關注探究活動的過程與步驟，卻忽視了學生科學思維能力的培養。

“雙螺旋結構”的科學課堂是指在學生進行探究式學習時，架構“活動”和“思維”兩條螺旋主線，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。本文以蘇教版小學科學五年級下冊《撬重物的竅門》兩次教學為例，闡述如何建構“雙螺旋結構”的科學課堂。

一、圍繞核心概念設計螺旋遞進的探究活動

學科核心概念對科學教學具有重要的意義。落實到科學課堂上，科學概念的建構就顯得尤為重要。探究活動的設計應該指向概念的建構。概念的建構不是一蹴而就的，要基于學生的前概念建構科學概念，這個過程應該是螺旋上升、逐步遞進的。因此，教師需依據核心概念，設計螺旋遞進的探究活動，以此幫助學生在已有概念的基礎上建構科學概念。

《撬重物的竅門》一課對應了課程標準中“能的轉化與能量守恒”的核心概念。其內容要求是知道簡單機械（杠桿）及其在生產生活中的應用。圍繞核心概念，學生需在活動中認識杠桿的結構并發現杠桿的秘密及其應用。于是筆者設計了第一次教學活動。

活動一：通過玩蹺蹺板，認識杠桿的結構，并提出研究的問題：輕的同學能不能把重的教師撬平衡？

活動二：認識平衡尺，并通過一組實驗，初步研究杠桿撬重物的秘密。教師規定了在支點左側10 厘米的位置掛2 個鉤碼代替男教師，實驗中當平衡尺平衡時，記錄右側的數據。

活動三：利用平衡尺收集更多組實驗的數據，再次研究杠桿撬重物的秘密。在這次活動中，學生自己設定平衡尺支點左側男教師的位置和重量，再通過實驗記錄右側的數據。

活動四：舉例分析并解釋生活中常見的省力杠桿。

通過活動一，學生探究的興趣大增，并提出了感興趣的問題。活動二和活動三，都是利用平衡尺研究如何省力?；顒佣校瑢W生通過對一組數據進行比較，初步得出結論?；顒尤校瑢W生搜集了多組數據，不僅對數據進行了比較，還運用了歸納的思維方法分析并得出結論。最后，學生進行遷移應用。

這四個活動看似層層遞進，但是仔細分析不難發現，這種遞進僅僅表現在思維方法上：提出問題—比較—歸納—遷移。如果從概念建構的角度來分析，這里每一個活動指向的概念都是如何讓輕的物體把重的物體撬起來，即都是省力杠桿。學生并不能通過這幾個活動全面地認識杠桿背后的秘密，也就無法建構完整的杠桿概念。因此，教學活動的螺旋遞進，不僅要體現思維的發展，還要指向概念的建構。基于以上的想法，筆者設計了第二次教學活動。

活動一：通過玩蹺蹺板，認識杠桿的結構，并提出初步的猜想：輕的同學能不能把重的教師撬平衡呢？

活動二：借助平衡尺做模擬實驗，并通過一次實驗，初步研究杠桿撬重物的秘密。學生用較多的鉤碼模擬男教師并掛在支點左側，用較少的鉤碼模擬輕的同學并掛在支點右側。當平衡尺撬平衡時，記錄數據。

活動三：利用平衡尺做更多的實驗，通過多組實驗，探究杠桿背后的秘密。這個活動是一個挑戰性的任務：如果在支點左側10 厘米處掛2 個鉤碼，那么在右側哪個位置掛幾個鉤碼才能平衡呢？如果在支點左側10 厘米處掛3 個鉤碼呢？學生在充分猜測的基礎上再進行實驗，依據數據分析出杠桿背后的秘密。

活動四：舉例分析并解釋生活中常見的各種類型的杠桿。

活動二中學生用鉤碼模擬重的教師和輕的同學，在對本組實驗數據比較和分析的基礎上，再歸納全班的數據，能發現撬起重物的秘密，即省力杠桿?；顒尤袑W生在對挑戰性任務進行猜測時，不僅要依據生活經驗，更要依據活動二中的數據。學生要對這些數據進行充分分析，在此基礎上進行推理和猜測。最終通過對數據的比較、分析與歸納，發現省力杠桿、費力杠桿和不省力也不費力杠桿。從思維的角度來分析，學生從第二個活動到第三個活動，經歷了多次推理論證的過程。從概念建構的角度來說，學生從研究省力杠桿開始到探究所有類型的杠桿，是在逐步建構完整的杠桿概念。

二、依據問題與證據推進活動與思維的螺旋上升

“雙螺旋結構”科學課堂旨在將探究活動與科學思維進行有效的聯結，讓學生的探究能力與思維能力能夠關聯共生、螺旋發展。而將這兩者進行有效聯結的紐帶就是“問題”和“證據”。

（一）推進活動遞進的手段——關鍵問題

“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，成為實現同一目標的閉環的整體結構。這些關鍵問題之間相互關聯，具有一定的邏輯關系，指向共同目標。因此，設計好每一個關鍵問題，能引領探究活動的開展。而這些關鍵問題組成的問題環扣，能逐步推動探究活動的遞進，最終實現探究的目標，從而讓學生的探究實踐能力不斷得到提升。

那么如何設計環環相扣的關鍵問題呢？教師需要明確每一個活動需實現的目標，依據活動目標，設計環環相扣的關鍵問題。

以《撬重物的竅門》第二次教學為例。

第一個活動目標是通過玩蹺蹺板，認識杠桿的結構。因此，設計的關鍵問題為：仔細觀察蹺蹺板，它的結構是什么樣的？

第二個活動目標是借助平衡尺做模擬實驗，研究撬起重物的秘密。設計的關鍵問題為：在什么情況下，輕的同學能把重的教師撬平衡呢？

第三個活動目標是通過平衡尺的挑戰性任務，在論證的過程中發現杠桿的秘密。設計的關鍵問題是：依據數據分析，這些杠桿都是省力杠桿嗎？說說理由。

第四個活動目標是將研究杠桿的結果運用于解釋實際問題。設計的關鍵問題是：它們屬于哪一種杠桿，你能解釋嗎？

在這一個個關鍵問題的引導下，探究活動能不斷地推進，學生的探究實踐能力也在逐步提升?；顒右恢?，學生首先需仔細觀察蹺蹺板的結構，并在詳細的描述中認識杠桿的結構。此時，學生應掌握觀察的科學方法。活動二中，學生要利用鉤碼和平衡尺設計模擬實驗，并通過實驗搜集證據，分析證據并發現撬重物的秘密。在這個探究活動中，學生要能夠制定計劃并搜集證據，分析證據并得出結論，以及準確地表達?；顒尤校瑢W生要基于上一個活動的數據，完成挑戰性的任務，進行實驗并搜集證據，對數據進行分析與解釋，發現杠桿的秘密。在這個探究活動中，學生要能針對科學問題進行合理的猜測，經歷較為完整的探究過程，還需對結果進行解釋。也就是說，通過該活動，學生能夠較為全面地獲得科學探究能力?；顒铀闹校瑢W生在分析并解釋生活中常見的各種類型杠桿時，就已經掌握了解釋的科學方法。

（二）促進思維提升的關鍵——證據鏈條

“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。

學生在螺旋遞進的探究活動中，能夠逐步獲得具有內在邏輯關系的證明鏈條。而后，當學生對諸多證據進行推理論證時，要基于證據與邏輯，運用分析與綜合、比較與分類、歸納與演繹等思維方法，建立證據與解釋之間的關系并提出合理見解。這個過程能有效地促進學生科學思維的發展。

如何幫助學生利用證據進行推理論證呢？教師需采取有效的策略，幫助學生運用合適的思維方法，建立證據與解釋之間的關系并進行表達和交流，讓學生的思維顯性化。通過有內在邏輯關系的證據，促進學生思維的不斷發展。

《撬重物的竅門》第一次教學時，學生將實驗數據記錄在表格里，實驗后將數據讀了一遍，便得出實驗結論，缺少推理論證的過程。因為沒有全面地經歷比較、分析、歸納等思維活動，所以學生的科學思維能力無法得到提升。

第二次教學，為了促使學生利用思維方法對證據進行解釋，教師采用了以下策略。

1.設置論證主張表

我們的觀點是什么？我們的證據是什么？我們的解釋是什么？我們的結論是什么？

基于這種科學論證的框架，學生在進行推理時，需對搜集到的證據進行比較、分析和歸納。學生依據這種框架進行解釋，就能較為完整地將思維歷程進行表達和交流。

2.轉變記錄方式

本課中，學生在對證據進行分析時，不僅需要將動力點到支點的距離與阻力點到支點的距離進行比較，還需將動力與阻力的大小進行比較。為了便于學生發現距離與力的關系，可以將數據記錄轉變為畫圖記錄。因為畫圖的呈現方式可以讓距離和鉤碼數量的比較看起來更加直觀。

3.設計有利于論證的任務單

學生在完成挑戰性任務時，可以將猜測的想法畫在任務單上。之后，學生通過實驗搜集的證據也可以記錄在同一張任務單上。也就是說，任務單不僅可以呈現實驗前的觀點，還可以呈現真實的證據。這就促使學生要依據搜集到的證據對原先的觀點進行解釋，可以利用證據支持之前的觀點，也可以提出反對或質疑。

利用有效的策略，學生能夠基于證據進行推理論證。在科學論證的過程中，學生的科學思維能力逐步得到發展。

三、結語

總之，構筑“雙螺旋結構”的科學課堂，需要圍繞核心概念設計螺旋遞進的探究活動。而將探究活動與科學思維緊密聯系、螺旋發展時，就需要起著關聯作用的紐帶，它既能在螺旋遞進的探究活動中客觀存在，又能逐步發展科學思維。這個紐帶就是問題與證據。環環相扣的關鍵問題要依據活動目標而設計，并推動探究活動的螺旋遞進。在層層遞進的探究活動中，各種有效的策略能幫助學生利用證據進行推理論證，從而促進科學思維的不斷提升。