基于最近發展區理論，搭建科學思維培養支架

【摘 " 要】科學思維是科學核心素養的重要組成部分。為了促進學生思維的發展，教師需要瞄準學生已有的思維水平和可能達到的潛在思維水平，即學生科學思維的最近發展區。在此基礎上，教師需要搭建直觀體驗、關聯黏合、交流催化等支架，發展學生的模型建構、推理論證、創新思維等思維能力。

【關鍵詞】科學思維；最近發展區；學習支架

思維能力能夠幫助學生應對各種變化和不確定性，是學習能力的核心。《義務教育科學課程標準（2022年版）》（以下簡稱《課程標準》）指出：科學思維是科學核心素養的重要組成部分。在明確培養基本思維方法的基礎上，《課程標準》提出了模型建構、推理論證和創新思維的培養。小學階段的學生處于具體運算階段，開始具有一定的邏輯推理能力，但其思維過程仍以具體事物為依據。為了促進學生思維的發展，教師需要逐步進行引導。具體而言，教師需要瞄準學生已有的思維水平和可能達到的潛在思維水平，在此之間搭建學習支架，使學生實現思維的跨越。

一、追本溯源：明確科學思維最近發展區

以學生現有基礎上的思維水平為起點，以成人指導后可達到的思維水平為目標，兩者的區間即為思維的最近發展區，教師需要在這最近發展區內實施教學。以科學思維發展最近發展區為例，可以從以下三個維度進行分析。

（一）思維抽象度

思維抽象度指的是學生在理解科學概念、完成科學判斷和建構科學模型的過程中，其抽象思維獲得發展的區間。該過程主要涉及模型建構思維的發展。

（二）思維深廣度

思維深廣度指的是學生在科學推理的過程中，其思維層次從淺表到深入的發展區間以及從單一到發散的發展區間。該過程主要涉及推理論證思維的發展。

（三）思維梯階度

思維梯階度指的是學生從低階思維向高階思維過渡時，其思維獲得發展的區間。該過程主要涉及創新思維的發展。

基于此，可以構建學生科學思維發展模型，如圖1所示。

二、按圖索驥：搭建科學思維培養支架

科學思維學習支架指的是在學生思維發展出現困難時提供的即時支持，起到連接已知和未知的作用。學生可以借助這種即時支持實現模型建構、推理論證、創新思維等的發展，并習得包括分析與綜合、比較與分類、抽象與概括等基本思維方法。教師可以從思維抽象度、思維深廣度、思維梯階度三個維度搭建直觀體驗支架、關聯黏合支架、交流催化支架。

（一）搭建直觀體驗支架，跨越思維抽象度，發展模型建構思維

科學模型具有抽象概括的特點，是對研究對象進行簡化處理的結果。這種簡化處理的過程較為抽象，思維跨度過大，容易超出學生的已有認知范疇。直觀體驗支架是思維發展的助推器，指的是教師在學生建構抽象概念、探尋自然規律的過程中，為其提供的助推感性認識的材料或活動。直觀體驗支架可幫助學生形成直觀的感知，實現從直觀形象思維到抽象思維的過渡，達到跨越思維抽象度的目的。

1.利用直觀體驗材料，使科學模型具象化

好的材料能夠幫助學生建構科學模型。學生可借助直觀的科學材料，形成形象具體的思維圖景，然后通過分類和比較積累豐富的具象認識。在此基礎上，學生再整理收集到的證據，并對知識進行抽象、概括，達到跨越思維抽象度的目標。具體過程如圖2所示。

以教科版《科學》一年級下冊《觀察一瓶水》一課為例，在歸納水的顏色時，發現一年級學生難以理解“無色”和“透明”這兩個抽象概念。對此，教師為學生提供了一杯“有色透明”的液體作為材料支架，供學生觀察。這樣，學生便可通過具象的對比理解“無色”和“透明”這兩個抽象的科學模型。

2.借助直觀體驗活動，使模型建構具體化

感性認識是理性思維形成的基礎。科學模型建構過程較為抽象，容易超出學生的思維范疇。這時就需要設計一個直觀體驗活動，幫助學生積累豐富的感性認識，并對其進行整理與分析，使其轉化為理性的證據。憑借對這些證據的綜合分析，學生能夠解決科學問題，自主建構抽象的科學模型。具體過程如圖3所示。

以教科版《科學》六年級上冊《不簡單的杠桿》一課為例，初次接觸杠桿就要求學生理性分析杠桿的省力條件，顯然超出了學生的科學認知水平。事實上，要分析杠桿的省力條件，必須先建構“省力杠桿”和“費力杠桿”這兩個科學模型。學生需要理解為什么小石頭撬起大石頭就表示杠桿是省力的，而火鉗的使用就是費力的。對此，教師可以設計一個“省力”杠桿的體驗活動：在塑料瓶上放一根一頭掛有重物的筷子，另一頭用一只手指按住，另一只手移動筷子，感受手指上用力的情況是否會發生變化（如圖4）。學生以簡單按壓的方式形成了對“省力”和“不省力”的感性認識。有了這種直觀經驗作為基礎，學生能夠進一步分析杠桿省力的條件。

豐富的材料和有趣的活動往往可以調動學生的好奇心和求知欲。教師應嘗試開發富有趣味性的直觀體驗材料和活動，豐富直觀體驗支架。

（二）利用關聯黏合支架，跨越思維深廣度，發展推理論證思維

關聯黏合支架指的是教師在學生形成知識結構、思維方法后幫助他們進行整合關聯，使他們形成組塊思維時提供的即時支持。

實際學習中，多數學生只能在既定路徑上開展探究，少有學生愿意聯系生活進行遷移應用。且學生對科學現象的思考往往只停留在事物的表面，無法深入分析背后的科學本質。關聯黏合支架的搭建能夠使學生的思維深度在推理論證的過程中逐步延伸，使學生的思維廣度在遷移發散的過程中得到擴展。

1.概念關聯，拓展科學推理深度

概念關聯指的是通過對下位概念進行比較，分析事物的內在規律，而后提煉出上位概念，從而提升思維層次的學習活動。概念關聯通常從基于科學事實的具體概念間的關聯開始。學生通過比較分析，推理出更具普遍性的一般概念。而后，這個一般概念成為下一個學習起點，與其他一般概念形成關聯。在此基礎上，學生通過深度比較和分析，找到事物間內在的共同規律，進而推理出事物背后的科學本質。關聯黏合支架能夠促進概念的逐步進階，使科學推理向縱深處延伸。總體原理如圖5所示。

以教科版《科學》四年級下冊“植物的生長變化”單元為例，通過觀察，學生能歸納出根、莖、葉等結構的特征。在此基礎上，教師組織學生對這些特征與其功能進行關聯，引導學生概括出更有深度的結論。

（1）植物的根像爪子，有利于植物扎根。

（2）植物的根上有細毛，有利于根吸收水分。

（3）植物的葉呈扁平狀分散開，有利于葉吸收光照，進行陽光作用。

（4）植物的莖是中空的，有利于水分輸送。

在此基礎上，教師從單元視角出發，組織學生再次對這些特征和功能進行深度關聯，推理出更上位的結論，實現結構與功能的一一對應。

2.經驗關聯，拓寬科學論證廣度

經驗關聯指的是對探究結論與已有經驗（包括生活經驗、過往經歷以及探究過程中積累的實踐經驗）進行關聯，而后進行反復論證，使其進一步得到證實或豐富，進而打開科學論證的廣度。這種關聯是對那些看似沒有直接關系的已有經驗進行比較概括的過程，旨在提煉其共同特征及背后的邏輯關系，由此論證結論的科學性。“滾雪球式”黏合能夠拓展科學論證的廣度。可以說，每一次關聯都是思維的一次發散。

以教科版《科學》五年級上冊《地球的表面》一課為例，學生在交流平原地形的特點時，提到“地球上有很多房屋和農田”。這實際上不屬于地形的范疇。對此，教師充分利用關聯黏合支架，提問：“這和平原有什么關系？”學生分析發現：平原地勢低、平坦，有利于涵養水源，且具有交通便利的特點，因此適合人類生存。可見，學生的論證方向初次得到了擴展。交流高原的特點時，學生提到了“高原反應”。教師再次利用關聯黏合支架，帶領學生分析：之所以出現高原反應，是因為高原地區海拔高，空氣稀薄，導致部分人呼吸困難。此時，論證方向再次發散。之后，學生嘗試自主利用關聯黏合支架進行分析：我在老家能看到大片的茶園和梯田，應該是丘陵地形。可見，學生的科學論證方向得到了發散。

需要注意的是，關聯黏合支架的鋪設只有與學生思維發展一致時才能達到較好的效果。教師要根據學生的思維負荷度，有結構地鋪設邏輯順暢的支架鏈，使學習內容相互關聯，助力學生連貫、有序地進行推理論證。

（三）交流催化支架，跨越思維梯階度，發展創新思維

交流催化支架是思維發展進程中的催化劑，具體是指在學生充分理解一般科學思維方法后，為其提供的圍繞某一事物展開充分交流的平臺。教師使用交流催化支架幫助學生突破思維定式，完成思維重組，實現從低階思維向高階思維的進階。

小學階段，大多數學生只能從“正確與否”的角度思考某種觀點，很難提出自己的意見，主觀上愿意迎接挑戰且有創新性想法的學生人數并不多。可見，在小學階段發展批判思維、創造性思維等高階思維是有難度的。研究表明，從低階思維到高階思維的跨越需要經歷一個從量變到質變的過程，語言交流平臺可以加快“思維分子的運動”，促進不同思維的碰撞，加快思維進階的速度，達到跨越思維梯階度的效果。根據對交流結果處理態度的不同，可以引入不同的交流催化支架，包括揭露對方矛盾的交流辯論、推遲判斷鼓勵發言的頭腦風暴兩種形式。

1.交流辯論，突破定式，培養批判性思維

交流辯論指的是學生用已有的思維邏輯闡明自身對事物或問題的見解，并揭露他人觀點的矛盾之處，最后雙方達成共識的過程。在交流辯論中，學生逐漸走出個人立場，理解他人的思維邏輯，從正向、逆向兩個方面進行推理論證，突破思維定式。實踐證明，圍繞某一個話題組織辯論活動，可以幫助學生打開思維的枷鎖，使他們嘗試用批判性思維辯證地看待問題。具體原理如圖6所示。

以教科版《科學》五年級下冊《溫度不同的物體相互接觸》一課為例，教師可設置如下辯題：將裝有冷水的試管放入裝有熱水的燒杯中，你覺得二者的溫度會發生什么樣的變化？學生中出現了兩個不同的觀點，具體如下。

（1）試管中的冷水會變熱，燒杯中的熱水會變冷，直至與室溫相同。

（2）試管中的冷水會變熱，燒杯中的熱水會變冷，兩者會達到同一個溫度，而后同步下降，直至與室溫相同。

教師組織學生進行辯論。持第一種觀點的學生認為冷水與熱水“相遇”后，由于溫差懸殊，一定會發生熱量的傳遞。其中，冷水吸收熱量，溫度升高，熱量會從熱水傳遞到冷水，導致溫度降低。因為兩者同處于室內，所以最終溫度一定會與室溫一致，不再發生溫度數值的變化。持第二種觀點的學生同意前半句的觀點，但認為二者溫度相同時不一定等于室溫，而應該高于室溫，之后慢慢下降，與室溫一致。

這兩種觀點都體現了五年級學生嚴密的思維。相對而言，第一種觀點受思維定式的影響較大。經過一番辯論之后，全班學生仍認為各方有各方的道理，想保留已有意見。于是，教師順勢組織學生開展實驗。實驗結果出人意料：二者“相遇”后，確實會在某個時刻達成同一個溫度，但之后的溫度變化并不如任何一方所認為的那樣——試管中水的溫度逐漸高于燒杯中水的溫度，再依次下降。這樣的辯論，不僅讓學生印象深刻，更打開了他們認識問題、解決問題的思維枷鎖，使學生在“堅持—質疑—新構”中提升創新思維。

2.頭腦風暴，思維重組，激活創造性思維

頭腦風暴是指參與者推遲判斷，利用集體思維的方式進行思考，產生連鎖反應，由此完成思維的重組，實現創造性思維的發展。頭腦風暴在小學科學工程實踐類課程中的應用尤為廣泛。在設計階段，學生需要集中交流、分析問題，提出自己的觀點，聽取組員的觀點并進行思維重組，形成初步的計劃；在制作階段，學生可能會遇到新問題，需要重新提煉信息，提出新的解決方案；在修改完善階段，學生需要突破思維定式，對作品進行更新迭代。在這三個階段中，學生的靈感不斷積累，創造性思維逐漸得到激活。

以教科版《科學》五年級下冊《珍惜水資源》一課為例，學生通過學習產生了新的想法：水資源如此緊張，我們可否設計一個節水灌溉裝置？沿著這樣的思路，教師帶領學生設計并制作了自動滴灌裝置，學生進行組內或組間的頭腦風暴。開始他們只能想到鋪水管灌溉，逐漸想到利用自動噴灌、循環澆灌、自動滴灌等方式，并開展實踐。在此過程中，學生的創造性思維得到了發展。

漸隱是交流催化支架的最終走向。支架的適時退場能夠避免學生對支架形成過度依賴，使學生在大腦中形成動態平衡的科學思維結構。這種結構可以通過個體與環境的相互作用，過渡到另一種更高水平的平衡狀態。連續的平衡能夠提升學生的科學思維能力。

思維的發展是循序漸進、有跡可循的。教師應遵循學生本位的理念，了解學生已有思維水平和可達到思維水平之間的距離，然后沿著認知規律、學科特征兩條線索，開發恰當的學習支架，發展學生的模型建構、推理論證、創新思維等思維能力。

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）［M］.北京：北京師范大學出版社，2022.

［2］林崇德.發展心理學（第三版）［M］.北京：人民教育出版社，2018.

［3］胡衛平.科學思維的理論與培養［M］.石家莊：河北人民出版社，2023.

［4］來文.基于特征分析和本質研究的兒童科學教學的實踐探索［M］.南京：河海大學出版社，2021.

［5］邵峰星.科學素養怎樣教［M］.北京：教育科學出版社，2021.

（1.浙江省寧波市行知實驗小學

2.浙江省寧波市鄞州區惠風書院）