基于發展科學思維的模型構建在初中科學課堂教學中的應用研究

摘 要：初中科學課堂教學應當著眼于學生個人生活及社會發展需求，從科學探究、科學思維方面出發，基于證據和事實，以恰當方式解釋相關知識內涵，使學生能夠內化和遷移知識，提高教學效率。為此，文章基于發展科學思維的模型構建，簡要闡述初中科學課堂意義，分析初中科學課堂發展科學思維模型的構成要素，即思維內容、思維方法、思維品質，并以此為基礎，提出教學措施，從而為相關教育者提供參考。

關鍵詞：發展科學思維；模型構建；初中科學；課堂教學

中圖分類號：G633.98?? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1673-8918（2024）05-0031-04

自21世紀邁入人工智能和信息化時代，科技的作用愈發顯著，加劇了社會競爭，規律性、重復性思維將被機器取代，社會更注重個人的創造能力、創新精神及科學思維。而科學是綜合課程，涵蓋化學、物理、生物等學科，是培養學生科學思維的重要途徑。學生擁有科學思維，能夠從科學角度認識客觀事物內在規律、本質屬性及互相關系。因此，初中科學課堂中，應基于發展科學思維的模型構建，培養學生科學思維，讓學生掌握科學方法，凸顯科學思維內在價值。

一、 基于發展科學思維的模型構建的初中科學課堂意義

（一）培養學生觀察能力

初中科學課堂中，基于發展科學思維構建模型，能夠發展學生思維能力，使其在科學活動中明確觀察目的、方法，并預測觀察結果，注意比較實驗現象，獲得形象、清晰的感性認知，進而將思維活動上升為理性認知，思考、分析各種異常情況，培養學生創新能力。學生觀察能力的培養是漸進且緩慢的，立足于發展科學思維模型，采取各種演示實驗、課外實驗方法，通過訓練與示范，適當鼓勵學生，能夠讓其自己思考、觀察實驗現象，掌握科學知識。

（二）培養學生科學態度

初中課堂培養學生科學態度作為重要環節，有助于學生更好地應對和理解周圍事物，合理地探索世界。因此，在初中科學課堂中，構建科學思維模型，以科學的教學目標，調動學生好奇心，使其在互動交流、實踐探索中，培養觀察能力及實踐能力，主動探究事物本質，以親身實踐的方法，驗證化學知識，得到正確結果。因此，科學課堂需要立足于階梯式發展科學思維模型，精心策劃活動，以科學方法仔細觀察、實驗，方能達到教學目的。

（三）培養學生科學思維

科學思維是科學能力核心環節，學生科學思維培養必須貫穿于科學方法、知識的教學中，通過收集材料、綜合分析實驗現象的方式，促使學生牢固掌握科學知識，調動學生學習興趣，實現思維能力發展。例如，在燃燒蠟燭實驗中，可將蠟燭放在倒置的500mL與1000mL燒杯中，提出假設，觀察燃燒時間長短。或是讓學生根據實驗現象、結果等，得出結論，如蠟燭燃燒中將空氣中的氧氣耗盡，停止燃燒。通過此種方法，讓學生能夠循序漸進、由淺及深地發展科學思維。

二、 初中科學課堂發展科學思維模型的構成要素

（一）思維內容

在初中科學中，發展科學思維內容涵蓋科學概念、科學現象、科學問題及科學規律。其中，科學現象是指實驗與自然中表現的現象；科學概念是科學現象或事實抽象概括獲得的認知；科學規律是概括概念關系后，表現的科學定律與原理等；科學問題是從事實或現象出發形成的“科學是什么”及具體問題。

（二）思維方法

科學思維方法包括比較分類、分析綜合、科學推理、抽象概括。一是比較分類。把握不同對象異同點，結合一定依據，實現研究對象的分類。例如，硫酸溶液與鹽酸溶液滴加紫色石蕊試液，溶液變紅。二是分析綜合。將對象分解為要素或部分開展研究，或是將要素、部分整合后研究。例如，力的三要素，重力研究需要從重力大小、方向、作用點進行分析。三是科學推理。根據已有判斷，推測另一判斷的思維過程。例如，水自高處向低處流，到達抽水機后，抽水機將水抽到高處，進而形成循環水流，類比電流，則電源作用如同抽水機。四是抽象概括。從諸多對象中舍棄個別要素和次要素，抽取本質要素與諸要素，進而將本質與主要要素組合聯系。例如，水沸騰時，溫度恒定不再上升，撤掉加熱酒精燈，溫度盡管保持相同數值，卻會停止沸騰，可據此概括水沸騰的條件。

（三）思維品質

科學思維能力中，思維品質是指對思維活動、內容做出反應的狀態，具有批判性、靈活性、深刻性、獨創性、敏捷性特點。學生應善于思考科學知識與問題，抓住事物本質，系統、全面地思考科學問題，從不同角度、不同方向分析，對知識進行遷移運用。

三、 基于發展科學思維的模型構建在初中科學課堂教學中的應用

（一）認識模型，構建概念

維果斯基概念理論認為，學習概念不僅在于概念獲得，本質在于概念轉變，不能將學生看作一張白紙，需注重系統科學學習前的概念，即學生日常生活經驗，培養學生科學素養。例如，在“水的浮力”教學中，核心概念為“浮力”，教師可以引導學生以“浮力”為核心，構建知識概念網絡。教師應注意學生原生態思維，了解其認知誤區，有的學生說：“日常生活中發現水面上能夠漂浮船只，船受到的浮力大于重力。”有的學生認為：“下沉物體浮力小，上浮物體浮力大。”還有的學生難以理解“排出”與“排開”，需要引導學生再認識、再觀察、再思考，從而加強學生對概念認知，使學生更好地分析、思考、解決問題。教師可讓學生觀察水中巨石下沉，分析巨石所受浮力，進而觀察上浮的泡沫，發現前者V排較大，后者V排較小。教師要引導學生通過理性剖析與現實觀察，尋求新解釋，學生會發現泡沫受重力小，巨石受重力大，進而得出結論，判斷物體沉浮不能僅看一個力，需要看重力與浮力。通過科學推理與分析，讓學生能夠對周圍現象、事物認真觀察，培養科學思維，加強對概念的認知。

（二）理解模型，提煉本質

科學試驗是闡明科學現象、檢驗科學理論的重要途徑。相比課堂教學，實驗教學更為自由、獨立，更具探索性，可有效培養學生獨立操作能力、觀察能力、表達能力及判斷能力，實驗過程也是發展學生科學素養，使學生形成科學世界觀的教學過程。基于發展科學思維的模型構建的科學課堂中，為構建理解模型，提煉科學本質，即可采取實驗、對比等方式，讓學生獲得具體、形象、清晰的感知，分析異常現象，推動學生發展。

1. 實驗活動

在“水的浮力”教學中，教師可立足于生活體驗，促使學生轉變前科學概念，利用彈簧測力計、金屬圓柱體、燒杯等器材，開展實驗（見圖1）。

教師要引導學生深入體驗，繪制彈簧測力計拉力數值與圓柱體浮力數值，通過圖像分析及實驗的方式，使得學生深刻認識圓柱體是否浸入水中，對其數值測定具有影響。同時，讓學生分析數值變化，確定水深是否會對浮力造成影響。學生發現，表面上物體浸入水深影響浮力，實際上是物體排開液體體積對浮力數值大小有所影響，最終使學生建立科學概念。

2. 比較分析

在“水的浮力”教學中，為加深學生認知，教師可拿出1個密度比水大的長方體，用記號筆畫出16個寬1cm、長2cm的格子，用彈簧測力計掛起來后，設計2個實驗，1個掛在a處，1個掛在b處，將物體浸入水內，控制物體浸水均為2cm（見圖2）。

課堂上，教師引導學生對實驗情況進行觀察，并準確記錄各項顯示參數，使得學生明確，即便物體浸入相同的深度，也會呈現不同浮力。進而將b端向下浸入，控制兩者顯示相同數值，記錄后，與另一實驗數值相比較，引發學生產生認知沖突，即物體浸深不同，浮力相同。通過精心設計實驗，讓學生加強對水的浮力本質的認知，提煉知識重點，使學生確定真正影響浮力的因素不是其浸入深度，轉變以往學生片面性、局限性認識，領悟科學概念本質。

3. 準確辨析

在“水的浮力”教學中，為避免學生混淆“排出”與“排開”，可運用阿基米德原理，使用溢杯，使得浸入液體的物體受向上浮力，明確“排開”液體體積相比“排出”液體體積多。在此過程中，教師可用量筒做實驗，放入10mL水，將體積是25cm3物體浸入量筒中，記錄量筒示數。此時，被物體排開水的體積是原有量筒內水體積2.5倍，可知1N液體能夠產生2.5N浮力。另外，少量水也能產生較大浮力，讓學生利用一次性紙杯實驗，取2只一次性紙杯，A杯放入較多水，進而裝入紅墨水，B杯水量較少，放入與紅墨水等量的藍墨水，進而將A杯放入B杯內，A杯為漂浮狀態。以此表明，少量水也能產生超過自身重力的浮力。通過簡易操作，學生可體驗實驗過程，能夠讓學生辨明概念，做到在辨析中轉化、提煉與重構，掌握科學本質。

（三）運用模型，尋找規律

1. 智改教材實驗

基于發展科學思維的模型構建中，教師需利用自身智慧審視實驗設計，必要時創造性改進實驗裝置，成為富有創造性的“工程師”，從而合理引導學生運用實驗模型尋找科學規律。例如，在“液體壓強規律”教學中，原有實驗活動中的橡皮膜難以控制方向，容易出現實驗其他變量，加上實驗時間不統一，需要先后開展操作，會占據課堂大部分時間。為此，教師可以對裝置進行優化，使得試管側面連接直線，在不同高度上，設計3個小孔，插入小管固定，將U型管連接導管、試管，進而注水，觀察不同液體深度壓強，查看U型管的高度差。通過此種方式，學生既可觀察液體內部各方向均有壓強，也能理解產生浮力的原因。

2. 運用創新實驗

運用創新不僅有助于學生建構知識框架，還能體現實驗探究過程，激發學生興趣，使學生樹立正確科學探索思維，喚醒學生質疑精神。例如，在“水的壓強”實驗中，傳統實驗是向底部橡皮膜部位注水，對橡皮膜變化進行觀察，確定水的壓強對橡皮膜的影響，進而理解掌握水越深壓強越大知識。而該實驗變量難以有效控制，即便向內部注水，水深變化的同時，液體質量與重量也會隨之變化，且即便水深相比之前較深，現象卻仍不明顯。所以，教師可以創新實驗，改進實驗裝置（見圖3）。

該實驗中無須加水，控制水體積、質量不變，僅需改變漏斗高度，即可控制液體深度，獲得明顯的實驗效果。通過創新實驗裝置，能有效吸引學生注意力，啟發學生批判質疑，培養學生細致、嚴謹科學態度，激發學生自主尋找科學規律。

3. 利用實驗意外

波普爾曾說：錯誤中通常孕育著比正確珍貴的創造與發現因素。實驗是科學的基礎，將每個實驗認真做好，能夠提高科學教學效果。但是，實際實驗中，不可避免會出現失敗、錯誤或意外現象，這些均屬于寶貴教學資源，教師需要對其進行合理運用，服務于教學，引領學生探尋科學規律，為課堂注入生機與活力。例如，在“測量物體電阻”教學中，學生初步學會電流、電壓的測量及連接電路方法，按部就班進行實驗，由于課堂容量小，僅停留于手動操作，難以開展驗證性實驗，而促進學生探究性思維發展，需讓實驗結果更明顯、數據更有說服力，交流更及時。

類型1：小組電流、電壓實驗數據漂亮整齊，見表1。

根據實驗數據情況，引發學生討論：“類型4數據偏差明顯，這是怎樣形成的，你會怎樣處理？”“類型1～2，小組學生比較數據區別，你認為哪種合理？”“對于類型3數據你們有哪些評價？”有的學生認為：“數據錯誤可能是量程錯誤，可將其進行改動。”有的學生說：“不能因為數據錯誤而對其改動，可將失誤數據舍去，重新測量，尊重實驗事實。”還有的學生認為：“類型1～2各有合理之處，僅是被測電阻數值存在差異。”通過課堂討論的方式，讓實驗的錯誤轉變為研究資源，特別是剛生成實驗，學生對于數據、過程都牢記于心，能有效運用素材，解決學生心中疑惑，加深印象。

（四）構建模型，反饋提升

在發展學生科學思維中，應當立足于構建模型，轉變原有評價理念，發揮評價功能，展現學生在科學態度、科學能力、科學方法等方面的提升效果。具體方法如下：

第一，評價取向方面，以主體學習多元體驗為主。需認識到學生是課堂的活動者、思考者、建構者、合作者，應尊重學生個性特點與個體差異，注重主體價值個性化與多元化。所以，初中科學需轉變忽視實驗過程、關注實驗結果的情況，以學生為主體，評價學生在實驗中的態度、情感、認知、方法等，促進學生個性發展。

第二，評價技術方面，整合質性評價與量化評價。學生科學探究中，不僅要關注學生最后掌握多少知識，還要關注學生在學習中的情緒體驗、態度轉變、情感投入、方法習得。所以，僅依靠量化方式，課堂評價將喪失科學教學最根本的價值。

第三，評價內容方面，兼具情境性與真實性。強調課堂知識與學生生活的聯系，不能局限于孤立的、虛擬的問題作答，需設置真實情境，考查學生整體反應。所以，在設計評價問題中，教師需保證問題情境性、真實性，考查學生理解能力、領悟能力、創造能力。

四、 結論

綜上所述，由于課程系統性與邏輯性較強，以往初中科學教學中，通常將完整知識割裂，產生了教學重復煩瑣、知識面狹窄的問題，只注重傳授科學知識，忽視學生科學思維的培養。為此，初中科學課堂上，教師應當結合實際情況，基于發展科學思維的模型構建，從認知模型、理解模型、運用模型、構建模型這幾方面出發，深化學生對科學知識的認知，有效培養學生科學素養。

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作者簡介：宮萍（1978～），女，漢族，浙江杭州人，杭州市弘益中學，研究方向：科學思維模型構建。