在科學論證教學中培養學生高階思維

科學課程標準指出，科學思維包括模型建構、推理論證、創新思維等，強調推理論證是基于證據與邏輯，運用多種思維方法，建立證據與解釋之間的關系并提出合理見解。科學論證由觀點、證據與推理構成。高階思維具體表現在問題提出、證據搜集、信息解釋等方面。可以說，科學論證過程與高階思維培育有諸多不謀而合之處。教師在科學論證教學中要引導學生有理有據地推理，從建構概念到理解概念，讓高階思維訓練得以落實。

一、精準分析學情，制訂論證目標

科學論證教學需要教師精準分析學情，并基于學情設計教學。在三年級學生的課前調查中發現，學生都認為地球是球體，但是不知道如何通過生活中的現象解釋地球是球體，并提出“地球是球體，為什么看上去地面卻是平的”這樣的困惑。基于學生的前概念，本課的教學設計聚焦讓學生從觀察到的現象中尋找證據，分析推理，并進行科學論證。教師需不斷引導學生通過現象分析推理，逐步建構“地球是橢球體”這一概念。課堂進行到這里，學生的思維發展并未停止，教師要引導他們進一步論證：既然地球是橢球體，為什么地面看上去卻是平的？這也是古人認定天圓地方的原因所在。唯有此，學生才能從本質上理解“天圓地方”的含義，他們的認知才能形成邏輯閉環。

教師要把握學生學習的起點與進階的層級，通過設計科學論證活動，使他們在科學論證中實現學習進階，并提高科學論證能力。[1]教師可以用模擬實驗再現現象，引導學生通過對比、觀察、推理的方法思辨地球的形狀是橢球體，再通過觀察到的現象分析推理、建模、思辨：為什么地面看上去是平的？可以說，親歷科學論證的過程比知道地球是橢球體這一概念，隱含更多價值，這也是科學論證教學的核心價值所在。

二、串聯科學故事，巧設論證階梯

教師在實踐活動中可以精心設計巧妙連貫的故事線滲透科學核心概念，使學生的科學解釋能力在此過程中得到提升。[2]教材在探索環節設計了天圓地方、月食、航海、麥哲倫環球旅行的故事線，這是人類認識地球形狀過程中的關鍵事件。

教學從古人對地球的認識，即天圓地方開始。學生認為古人的觀點是錯誤的，在接下來的活動中不斷論證地球的形狀。第一個活動以月食情境導入：究竟是什么形狀的物體擋住了月亮，產生了月食這樣的現象？學生對比觀察正方體和球體投射的影子，發現用球體、橢球體都可以看到輪廓為圓形的影子，但正方體不能。第二個活動，學生通過模擬實驗，重現古希臘人對帆船進港現象的思考。學生分別觀察在平面與弧面上駛來的帆船，桅桿與船身出現的先后順序，基于現象分析推理海面的形狀，尋找支持地球是球體的證據，完善關于地球形狀的認識。根據三年級學生的認知水平，教師細化平面與弧面的觀測點，讓他們以畫圈的形式記錄先觀察到帆船的哪一部分。緊接著，學生通過麥哲倫航海實驗分析推理地球的形狀是球體。教師結合多媒體技術，展示在宇宙中觀察的地球形狀，再引導學生基于數據進行分析推理，意識到地球的形狀不是規則的球體，而是橢球體。

學生在一連串的故事情境中不斷論證，豐富了對地球形狀的認識，知道地球是個橢球體。可是，地球是橢球體，為什么地面看上去卻是平的呢？“地球是橢球體”這一科學觀念與學生的生活經驗產生了矛盾。教師讓學生將兩段長度相同的紙帶貼在大小不同的球上，他們發現紙帶在小球上是彎曲的，而在大球上則比較平緩，思考如果球不斷變大會怎樣，進而意識到地球是巨大的球體，因此造成了“肉眼看上去地球表面是平的”的效果。

在教學過程中，教師可以選擇關鍵事件進行梳理，巧設論證階梯，讓學生順著故事脈絡基于現象分析推理，逐步建構關于地球形狀的概念，并在一次次的推理論證中發展高階思維。

三、優化教具結構，豐富推理證據

思維進階會依照觀察到的現象逐步推進。本課一共有三個實驗，分別是影子實驗、航海實驗、紙帶貼球實驗。學生在影子實驗中發現地球不是方的；在航海實驗中發現地面、海面不是平的，而是圓弧的；在紙帶貼球實驗中發現地球很大，所以看上去更平。在本課的教學中，教師通過對教具的優化，豐富證據素材，為推理論證提供支架。

影子實驗中，教材的活動僅僅讓學生觀察正方體和球體的影子。為了增強學生的實證意識，本課教學增設了圓柱體，讓他們觀察三種不同形狀物體的影子。學生觀察到正方體的影子輪廓是平直的，球體的影子輪廓為圓弧，而圓柱體的影子既有弧面，又有平面。以此引起學生思辨：什么形狀的物體的影子可以產生月食現象？絕大多數學生都認為球體的影子可以產生月食現象，正方體肯定不能。而關于橢球體產生的影子，其特殊之處在于既有平直的，又有圓弧的，恰好能作為學生思維生長的支架。學生基于觀察到的現象進行推理，將現象作為證據支持自己的觀點。球體和橢球體都能產生圓弧形狀的影子，類似于月食現象，但正方體不能，于是他們否定“地球是方的”這一觀點。為了便于觀察，教師對實驗材料進行改進，在正方體、球體、圓柱體木塊的不同角度打孔，可改變木棒的插孔位置。學生手舉木棒投影時能避免手部影子對觀察的干擾；通過改變木棒的插孔位置調試觀察角度，能獲得更全面、充分的證據（如圖1）。

教學片段

師：月食現象說明了什么？

生：方形的物體不能形成我們看到的月食現象，但是球形的物體可以，橢球體的話，有時候可以，有時候不可以。

生：地球是球形的。

生：不對，地球可以是球體，也可以是橢球體，只要它有一個面是圓的就行了。

師：我們根據剛才的月食現象和實驗結果，能直接得出地球是球體這樣的結論嗎？剛才的實驗中，哪個形狀不能成功制造月食現象？

生：方形的不能。

生：我知道了，地球不是方的。

航海實驗中，教師可以對教具進行優化，讓學生在直徑為60厘米的瑜伽球、木板上分別觀察帆船靠港。利用影子實驗中貼有月球圖像的木板反面進行航海實驗，重復利用教具。在弧面上選取航行過程中的三個觀測點，使學生能分別看到桅桿的旗幟出現、桅桿、船身出現，用畫圈的形式將看到的部分在帆船上逐次圈出。在平面上則看到桅桿與船身總是同時出現。學生根據證據，即弧面上，總是先看到桅桿，而平面上同時看到桅桿和船身，推理得出海面不是平面，而是弧面。他們最終根據麥哲倫環球航行的故事，完善地球是球體的認識。

教學片段

師：在航海實驗中你看到了什么現象？這個現象說明了什么？

生：當帆船在弧面行駛時，先看到桅桿，再看到船身；而帆船在平面行駛時，同時看到整個船。所以當我們看到帆船靠港時，先出現桅桿，說明海面是弧面。

生：我剛剛還有一個發現，如果海面是方的（用手比畫船從正方體的側面向上行駛），可能就會出現相反的現象，會先出現船頭，而不是桅桿。

師：你的分析有理有據，原來地面、海面不是平的，而是圓弧的！

四、多種論證方法，深化論證水平

本課的科學論證教學中，采用了多種論證方法。

首先是反證。反證是指通過證據進行推理來描述其他解釋不合適的原因。教材中學生模擬月食現象，觀察到地球的影子邊緣是圓弧的，進而推斷地球是球體。為了豐富學生的論證證據，深化論證水平，教師增設了更多形狀的物體。學生發現原來圓柱體、橢球體都可以產生圓弧狀的月食，用正方體作為反證得出“地球不是方的”，這樣的論證符合邏輯。

其次是定性和定量實驗融合。學生通過影子實驗對不同形狀影子能否產生月食現象，產生定性觀察與思考；通過航海實驗對在平面與弧面上是否先看到桅桿，產生定性觀察與思考；根據地球的赤道半徑與兩極半徑，產生定量觀察與思考；通過紙帶貼球實驗對用相同長度的紙帶在不同大小的球體表面進行形狀比較，產生定量觀察與思考。無論是定性實驗，還是定量實驗，其本質都是搜集科學證據用于支持或修正觀點，而作為觀測結果的數據就是證據。

在本課的科學論證教學中，實驗可以是定性的，如影子實驗、航海實驗，在這樣的實驗中，學生往往通過觀察現象進行判斷，其推理結果往往是“是與否”，是對性質的判斷，得出“地球不是方的”“海面不是平的”這樣的推斷。實驗還可以是定量的，如通過多媒體展示在宇宙中觀察、測量比較赤道半徑和兩極半徑，以及紙帶貼球實驗中相同長度紙帶在不同直徑球體表面的弧度比較。學生通過對比數據發現，地球的赤道半徑與兩極半徑并非等長，由此推理得出地球不是正球體，而是橢球體。

教學片段

師：隨著科學技術的發展，我們能到外太空看地球，科學家還通過測量獲得了關于地球的一組數據，同學們仔細觀察，發現了什么？

生：從宇宙觀察，我發現地球是球體。

生：我認為地球是橢圓的（橢球體）。

師：你有什么證據嗎？

生：你看！從南北方向看，地球的半徑是6357千米，而從東西方向看，地球的半徑是6378千米，所以我認為地球不是規則的球體。

生：我也認為地球是橢球體，赤道直徑更長。

對于學生而言，能夠在課堂上盡可能多地運用論證的方法，可以培養他們的邏輯思維、創造性思維和批判性思維。

五、借助模型建構，具象論證結果

科學論證教學關注學生概念建構中的真思考、真問題，這是科學論證教學不同于淺層次學習的關鍵之處。當學生通過層層推理，論證了關于地球是橢球體這一科學解釋時，課堂往往已接近尾聲。然而，學生雖然知道地球的形狀是橢球體，卻不能解釋為什么地面看上去是平的，或僅能說出地球很大所以看上去是平的。此時，教師順勢追問學生，激發認知矛盾。緊接著，引導他們通過紙帶貼球實驗建模、類比，尋找證據進行科學解釋。當將相同長度的紙帶貼在不同直徑的球面上時，學生能直觀地看到現象（如圖2）；而當學生在記錄單上畫一畫紙帶在大球、小球上的形狀時，現象進一步聚焦，使論證結果得以具象化。借助模型，學生不僅知道了地球的形狀，更論證了天圓地方的視覺原理。

教學片段

師：兩條相同長度的紙帶，分別貼在大小不同的球上。你觀察到什么現象？

生：紙帶在小球上是彎曲的，而在大球上接近于平直狀態。

師：想象如果換成更大的球，紙帶會是怎樣的？

生：紙帶會更平。

生：大到像地球那么大，紙帶看上去就是平的了。

生：雖然我認為紙帶還是有一點點彎，但已經看不出來彎曲了，肉眼看上去就是平的。

師：現在你能說說古人為什么會認為天圓地方了嗎？

（學生紛紛舉起手。）

生：古代科技不發達，古人出不了遠門，只能用腳步丈量天下。而地球是巨大的，導致肉眼看上去地面是平的，所以古人認為天是圓的，地是方的。

科學論證就是研究和解釋世界的運行規律，教師通過科學論證教學，可以培養學生的推理論證能力，促進他們高階思維的發展，讓他們像科學家一樣思考與研究。

（作者單位：浙江省杭州市臨平區文正小學）

參考文獻

[1]弭樂，郭玉英.概念學習進階與科學論證整合的教學設計研究[J].課程·教材·教法，2018（05）.

[2]何燕玲.科學論證怎樣教[M].北京：教育科學出版社，2024.