指向科學思維培養的教學設計與實踐

沈亮亮

［摘 要］有的放矢地培養學生的科學思維是當下科學教學的重要研究課題。小學科學教師結合兒童思維發展特點，采用以問引學、以探促學、以辯思學、以用遷學的教學策略，能讓學生在真實的問題情境中通過“探究—研討—應用”，參與高水平的思維活動，真正達成讓學生主動參與、實踐探究、合作交流、學以致用的教學目標，有效發展學生的科學思維能力和科學思維品質。

［關鍵詞］小學科學;科學思維;教學策略;教學設計

［中圖分類號］ G623.6［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1007-9068（2024）09-0078-03

《義務教育科學課程標準（2022年版）》指出：“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識方式，主要包括模型建構、推理論證、創新思維等。”科學學習提倡學生進行與科學家研究類似的科學探究，并在此過程中掌握科學知識和方法，形成科學思維能力，樹立科學工作者態度。如果說科學探究是學生科學學習的外顯形式，那么科學思維則是學生科學探究的內核目標。如何有的放矢地培養學生的科學思維是當下科學教學的重要研究課題。

《溫度不同的物體相互接觸》是教科版科學教材五年級下冊《熱》單元的第3課，旨在引導學生通過測量冷水在熱水中的溫度變化，了解熱的傳遞過程和方向，對熱傳遞形成初步認知。筆者分析教材后認為，本節課的教學不應局限于達成“熱通常從溫度高的物體傳向溫度低的物體”這一淺顯的概念目標，還應引導學生探究熱傳遞發生的條件與傳遞過程所具有的特點。基于此，筆者采用以問引學、以探促學、以辯思學、以用遷學的教學策略，對本節課進行了重新設計與實踐，在科學探究中培養學生模型建構、推理論證、創新思維等科學思維能力，并為后續學習熱傳導、熱對流與熱輻射做好充足的準備。

一、以問引學，自主式驅動思維

科學學習通常從一個好的探究問題開始。一個好的科學探究問題一定是真實、有意義且與學生個人生活經驗密切相關的。這樣的探究問題既能讓學生快速進入學習狀態，激發學生的學習內驅力，又能喚醒學生原有的生活經驗，引發思維的高度參與。

教材將本課的問題聚焦于“熱水是怎樣使牛奶由涼變熱的”。學生在生活中已積累了用熱水加熱冷牛奶的生活經驗，都知道通過浸泡會使冷牛奶變熱、熱水變冷。但熱量的不可見性使得該問題過于抽象，學生的探究熱情不高，最后演變成“師說生做，按步開展”的局面。因此，教師要活用教材，將教學目標轉化為真實、有意義的探究問題，調動學生的已有經驗，使學生在運用已有知識解決真實問題的過程中發展科學思維，從而打造指向科學思維培養的研學課堂。在充分考慮教材、學情與教學目標的基礎上，筆者創設了以下任務情境：冬天，當我們想喝一杯熱牛奶時，我們通常會把牛奶放到熱水中泡一會兒，但有時候拿得早了牛奶還不夠熱，拿得遲了又牛奶太燙了，我們該什么時候去拿牛奶？

為了解決這個問題，學生一方面要明確牛奶加熱到多少攝氏度適合飲用，另一方面要知道多久能加熱到這個溫度。這樣，學生自然而然地就提出了新的探究問題：加熱過程中，熱水和冷牛奶的溫度會怎么變化？同時，思考出解決方法：測量熱水和冷牛奶的溫度變化。新的探究問題正指向熱傳遞發生的條件與傳遞過程所具有的特點。學生思考如何解決問題并提出新的探究問題之時，也是科學思維自主參與之時。這樣以問引學，能充分激發學生的探究欲望，促使學生積極主動地進行思考。

二、以探促學，螺旋式激發思維

學習本質上是一種思維活動。學生只有經歷了具有較高思維含量的學習活動，才能有效發展科學思維能力。本課教學中，為了幫助學生建構熱傳遞概念，筆者在初次執教時安排了兩個學習活動。

活動1：預測冷水與熱水接觸后二者的溫度變化情況。

活動2：測量并記錄冷水放入熱水中二者的溫度變化情況。

筆者在執教后發現，在活動1中，由于沒有精確測量過熱水加熱冷水這一過程中二者的溫度，學生此時的預測是沒有依據的盲目猜測，僅停留在“熱水溫度降低，冷水溫度上升”的低階思維層面。活動2是本節課的主要環節，要求學生每隔2分鐘（共12分鐘）測量并記錄冷水和熱水的溫度變化情況（加上時間損耗，大概需要15分鐘）。該活動實質上是一個觀察實驗活動，學生以4人為一組完成實驗探究單。他們要做的只是等待2分鐘，記錄溫度計示數，再等待2分鐘，再記錄示數……無須主動思考，也無須科學思維的參與。在這寶貴的15分鐘內，學生獲得的只是操作與技能層面上的熟練，科學思維并未得到發展。基于此，筆者對上述探究活動進行了整合重構。

1.“預測+實測”：動態修正，拓寬思維

在明確探究問題后，學生小組討論，確定哪些證據是解決問題需要的，以及收集證據的方法。教師要為學生提供80℃的熱水、20℃的冷水，以及溫度計支架，后者能解放學生雙手，減少手持溫度計導致的測量誤差，保證數據的準確性。

任務1：實驗探究，預測、實測，并記錄熱水和冷水的溫度變化，畫出溫度變化折線圖。

筆者將預測和實測進行整合，改進記錄單（見表1），增設預測溫度變化一欄，以提高探究活動中學生思維的參與性。小組4人每人一張記錄單，在記錄初始溫度后預測2分鐘后的溫度，再實測并記錄2分鐘時的溫度；緊接著預測4分鐘后的溫度，再實測并記錄4分鐘時的溫度……學生一邊預測一邊實測，人人參與思維活動，充分暴露對熱傳遞過程中溫度變化的前概念，并比較預測溫度與實際測量溫度，從而在思維加工的過程中動態修正原有認知，產生對獲得的實驗數據與科學事實的深度思考與探究欲望，發展科學思維。

2.“數據+建模”：抽象概括，深化思維

科學的實質是在觀察證據基礎上的有效描述。在探究過程中，學生要對觀察到的結果進行描述、分類和解釋，使探究結果更科學、具體。模型建構是對客觀事物進行抽象和概括，以及運用模型分析、解釋現象和數據，描述系統的結構、關系及其變化的過程。它是培養學生科學思維的重要方式，也是縮短證據與解釋之間差距的過程。為了更好地引導學生建立證據與解釋之間的聯系，幫助學生建構熱傳遞概念，筆者在任務1的基礎上設計了任務2。

任務2：根據實驗發現，利用箭頭畫出熱水與冷水熱傳遞的情況。

該任務支架能很好地引導學生建立證據與解釋之間的聯系，輔助學生提煉概念、深入思考。學生需要充分運用分析與綜合、抽象與概括、歸納與演繹等思維方法，將小組獲得的數據和科學事實，運用圖示的形式建構模型來解釋。圖示的直觀性與思維的結構性、概括性相結合，能讓探究過程中隱性的思考方法、思維路徑顯現出來，變得可見、可感、可測，從而發展學生的模型建構能力，深化學生的科學思維。

三、以辯思學，進階式提升思維

高質量的研討交流是促使學生思維快速、深入發展的有效方式。但在日常教學中，教師往往只抽取個別小組的數據進行展示，而其他小組也很少提出質疑，課堂缺乏廣泛的研討；在匯報時，直接引導學生從數據中得出結論，導致學生的辯證思維缺位；當學生回答不到關鍵點上時，教師往往采用“挖洞填空”的方式，硬生生地讓學生說出教學設計所需要的回答，忽視了學生邏輯思維的參與，抹殺了學生思維的批判性。因此，教師要轉變教學觀念，改進研討策略，以合理解決探究問題為根本目標，引導學生在探究中積累證據素材，使其在研討交流中有話可說；要鼓勵學生在真實的問題中，運用觀察得到的證據形成抽象的概念，運用獲得的知識和觀察到的結果進行推理解釋。本課的研討主題即結合小組數據，分析熱傳遞發生的條件及傳遞過程中所具有的特點。

1.“說”出理由：逆向研討，引領辯證思維

課堂推進至此，學生已經積累了許多證據素材，為深入研討提供了保障。探究結束后，各小組評選出一張最佳記錄單，教師利用多媒體展示記錄單，開展逆向研討。與先拿出證據再得出結論的常規研討不同，逆向研討是先由學生說說小組的發現，并提出論證觀點“熱水將熱量傳遞給冷水，熱水溫度下降，冷水溫度上升”，再在全班觀點初步統一的情況下提取證據，并進行論證。證據即實驗得到的數據與圖表。學生圍繞“一開始是怎么預測的？為什么這么預測？實際測量后又有什么新發現？”展開交流。由展示的數據可見，學生起初預測溫度會出現均勻變化、先慢后快或先快后慢等情況，在實際測量后發現溫度變化是先快后慢。學生不斷修正接下去的預測，在修正中發現溫度的變化規律，并思考熱傳遞的特點。

逆向研討利用數據證實或證偽學生提出的論證主張，引導學生分析解釋熱傳遞發生的條件與過程中具有的特點，有助于發展學生的辯證思維。通過對比分析，學生更容易聚焦“熱量傳遞引起溫度變化”的觀點，認識到溫度不同的物體由于含有的熱量不同，在接觸時熱量會出現從高到低傳遞的趨勢，最終二者達到溫度（熱量）的平衡，并以此為依據修改建模圖示。此時，學生對熱傳遞概念的認知是深刻的。通過以上任務，學生實現了從熱量到溫度再到熱傳遞的概念進階。

2.“放”開空間：問題思辨，激發批判性思維

“放”開空間，指教師作為引領者，要將思辨的主導權交給學生，讓學生在問題情境下展開思維碰撞，接受他人的質疑，并表達自己的觀點，最終達成共識。本節課要解決的問題是牛奶要加熱多久才適合飲用（達到40℃）。通過折線圖，學生很容易找到牛奶從初始溫度上升到40℃的時間點。此時，教師提問：“除了這個時間，還有其他時間能滿足要求嗎？”學生集中注意力，很快發現再過一段時間，熱水和冷水的溫度都會在某一時刻下降到40℃。教師繼續追問：“這兩個時間點都能滿足要求，你們覺得哪一個時間去取牛奶更好？為什么？”學生圍繞這個問題展開思考和討論，激發了批判性思維。有些知識儲備豐富的學生想到，加熱過程中，牛奶中蘊含的蛋白質會因溫度過高而變性，飲用后可能對人體造成不良影響。教師可以相機出示相關資料，讓學生了解到蛋白質在60℃的環境中會開始變性且不可逆，從而引導學生對取牛奶的時間點做出最佳選擇。

四、以用遷學，漸進式發散思維

以用遷學，即學以致用，是促進學生認知與思維再發展的重要策略。教師要引導學生在新的問題情境中遷移應用結論，從不同的角度思考、分析問題，解釋新的現象或提出解決問題的新辦法，發展學生的創新思維。

在本課教學的最后一個環節，筆者讓各小組圍繞“夏天，當我們想喝一杯冰涼的飲料時，我們可以怎么做呢？”這一問題展開討論。一方面，該問題的研討既是對本課核心概念的遷移應用，又是對學生能否運用熱傳遞知識來解釋制冷過程的考查。通過上面的探究，學生已經充分認識到熱傳遞發生的條件與傳遞過程中所具有的特點，自然能反向推導出制冷的原理：熱飲料將熱量傳遞給冰塊，使飲料溫度降低，冰塊溫度上升。另一方面，這個問題讓學生認識到：常溫水不僅可以成為受熱對象，也可以成為熱源去傳熱，只要與它接觸的物體比它溫度低。這樣，打破了學生對常溫水只能被傳熱的思維定式。在對熱水加熱冷水、冰塊制冷飲料這兩個常見現象的比較與解釋中，學生不斷發散思維，加深了對熱傳遞概念的理解，培養了科學質疑精神。

科學思維的培養不僅是科學教學的內核目標，更是落實科學核心素養的關鍵途徑。教師應注重在科學探究中培養學生的科學思維，在真實的問題情境中通過“探究—研討—應用”，達成讓學生主動參與、實踐探究、合作交流、學以致用的教學目標，有效發展學生的科學思維能力和科學思維品質。

［ 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.

[2］ 喻伯軍.義務教育課程標準（2022年版）課例式解讀：科學[M].北京：教育科學出版社，2022.

[3］ 季榮臻.聚焦以科學思維為核心的科學探究[J].江蘇教育，2017（73）：39-41.

[4］ 查良.基于大概念的單元起始課教學改進與實踐：以教科版五年級《熱》單元為例[J].小學教學研究，2020（14）：70-72.

[5］ 史振華.推進學生建模能力螺旋上升的探索與思考[J].湖北教育（科學課），2022（10）：22-24.

（責編 蔡宇璇）