在探究各環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力

◇孔令強(qiáng) 張春田（山東：肥城市教育科學(xué)研究中心肥城市龍山小學(xué)）

2022年版《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱“課標(biāo)”）課程總目標(biāo)把培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力作為重要內(nèi)容，為今后教學(xué)指明了方向。如何在科學(xué)探究中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力，是一線教師關(guān)注的重大課題。科學(xué)探究和科學(xué)思維能力有著天然的聯(lián)系，但是在教學(xué)實(shí)踐中，科學(xué)探究與科學(xué)思維卻存在割裂狀態(tài)：教師只講科學(xué)探究，缺乏科學(xué)思維培養(yǎng)；只重視實(shí)驗(yàn)操作，不分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；只重視操作步驟，不注重邏輯關(guān)系；只注重實(shí)驗(yàn)結(jié)論，不反思結(jié)論的可靠程度。將科學(xué)探究等同于科學(xué)思維培養(yǎng)，只講究科學(xué)探究的過程和結(jié)論，沒有思考科學(xué)探究背后隱藏的科學(xué)本質(zhì)，學(xué)生無法掌握必備的科學(xué)思維方法，不利于學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。筆者嘗試從科學(xué)探究涉及的提出問題、做出假設(shè)、制訂計(jì)劃、搜集證據(jù)等要素出發(fā)，探討每個(gè)要素所蘊(yùn)含的培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力的內(nèi)容與方法，將科學(xué)探究與科學(xué)思維融合起來，達(dá)到探究中有思維、思維中有探究的目標(biāo)。

科學(xué)思維是從科學(xué)的視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識方式。思維是科學(xué)探究的核心，科學(xué)探究與科學(xué)思維相互伴隨，科學(xué)探究中蘊(yùn)含著科學(xué)思維能力的培養(yǎng)。

科學(xué)探究與科學(xué)思維是密切聯(lián)系的。它起源于一個(gè)學(xué)生可以研究的科學(xué)問題，在尋找問題答案的過程中，學(xué)生圍繞問題提出初步假設(shè)，針對假設(shè)開展觀察、測量、實(shí)驗(yàn)、調(diào)查等活動(dòng)，獲取信息和證據(jù)后，運(yùn)用歸納、推理、論證、建模等思維方法進(jìn)行解釋，最后通過教師與學(xué)生之間的交流與論證，形成共識。

科學(xué)探究的每一個(gè)要素包含的科學(xué)思維是提高學(xué)生思維能力的重要載體。思維過程與科學(xué)探究過程是共同發(fā)展的，科學(xué)探究過程是思維的內(nèi)化、提升和發(fā)展的過程，培養(yǎng)科學(xué)思維有助于提高科學(xué)探究的深度和實(shí)效。

一、在問題提出和分析中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力

（一）創(chuàng)設(shè)情境，提出問題

情境創(chuàng)設(shè)的目的，是使學(xué)生能夠聯(lián)系已有知識和經(jīng)驗(yàn)去解決問題，鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立思考、挑戰(zhàn)權(quán)威、合作互動(dòng)，形成主動(dòng)學(xué)習(xí)、積極參與的教學(xué)氛圍。創(chuàng)設(shè)的情境能引起學(xué)生的興趣，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，誘發(fā)思維動(dòng)機(jī)。提出問題是基于一定情境的，沒有情境的問題是含糊不清、沒有把握的，是胡思亂想；問題與答案是相對應(yīng)的，提出問題和尋求答案是同時(shí)發(fā)生的，即問題是必須有答案的問題。提出問題的過程是思考的過程，也是把思維結(jié)果呈現(xiàn)出來的過程，好的問題一定具有思維價(jià)值。愛因斯坦曾經(jīng)說過：“提出一個(gè)問題往往比解決一個(gè)問題更重要。因?yàn)榻鉀Q問題也許僅是一個(gè)數(shù)學(xué)上或?qū)嶒?yàn)上的技能而已，而提出新的問題，卻需要有創(chuàng)造性的想象力。”

在情境中提出問題，需要將生活中的問題變?yōu)榭茖W(xué)問題，在科學(xué)思維中需要運(yùn)用思維的方法。如，在《自行車胎為什么爆裂》教學(xué)中，教師創(chuàng)設(shè)情境：同樣的輪胎，在夏天容易爆裂，在冬天不容易爆裂。學(xué)生比較兩種情況下的輪胎，產(chǎn)生了疑惑——自行車胎爆裂與夏天和冬天有什么關(guān)系？在此過程中提出生活問題，運(yùn)用比較的思維方法。然后引導(dǎo)學(xué)生將生活中的問題轉(zhuǎn)化為科學(xué)問題——自行車胎爆裂與溫度有什么關(guān)系？這一過程運(yùn)用到概括的思維方法。

（二）探究聯(lián)想，提出問題

科學(xué)探究是不斷地提出問題和解決問題的過程，通過問題持續(xù)引發(fā)學(xué)生的思維動(dòng)力。圍繞問題，教師引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用聯(lián)想等思維方法，解決科學(xué)問題。如，在《自行車胎為什么爆裂》教學(xué)中，在選擇實(shí)驗(yàn)材料時(shí)，教師提出問題：夏天溫度怎么樣？如何模擬夏天的情形？如何模擬冬天的情形？用什么代表輪胎？引發(fā)學(xué)生思考。學(xué)生采用聯(lián)想的思維方法，會想到用熱水或酒精燈加熱模擬夏天的環(huán)境，用冷水模擬冬天的環(huán)境，用密封容器（如燒瓶等）模擬輪胎。教師繼續(xù)提出問題：如何密封燒瓶呢？學(xué)生聯(lián)系生活經(jīng)驗(yàn)，想到可以用氣球封閉燒瓶口、用水柱封住玻璃管口等。在實(shí)驗(yàn)過程中，對比在熱水和冷水中燒瓶上方氣球的變化、水柱的高低變化等，學(xué)生通過推理，認(rèn)識到氣體具有熱脹冷縮的性質(zhì)。

（三）課后延伸，提出問題

課堂結(jié)束，但科學(xué)探究沒有終止。教師需要引導(dǎo)學(xué)生將獲得的科學(xué)概念、探究實(shí)踐技能和思維方法遷移應(yīng)用到新的情境中，提出新問題，解決新問題。如，在學(xué)習(xí)完“葉的蒸騰作用”后，教師啟發(fā)學(xué)生課下繼續(xù)思考以下問題：光照過強(qiáng)對葉的蒸騰作用有什么影響呢？夜晚植物會不會發(fā)生蒸騰作用呢？莖是通過什么方式進(jìn)行蒸騰作用的？根能進(jìn)行蒸騰作用嗎？激發(fā)學(xué)生持續(xù)探究的興趣。隨著不斷探究，學(xué)生對葉蒸騰作用的理解會更加深入，意識到對蒸騰作用的認(rèn)識是無限的，對蒸騰作用概念的建構(gòu)是不斷發(fā)展的。

二、在尋求相關(guān)變量之間關(guān)系的假設(shè)中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力

做出假設(shè)是基于問題提出假設(shè)性答案的過程，主要是闡明變量之間的關(guān)系。學(xué)生需要通過不斷測試和修正假設(shè)來構(gòu)建知識。

（一）猜想階段，建立聯(lián)系

猜想并不是胡思亂想，而是基于客觀事實(shí)和科學(xué)理論，通過對比聯(lián)想、相似聯(lián)想、相關(guān)聯(lián)想、因果聯(lián)想，讓學(xué)生在問題與答案之間建立聯(lián)系，是一種超前思維，具有猜測性。如，在《擺》的教學(xué)中，研究擺的擺動(dòng)快慢與什么有關(guān)系時(shí)，教師首先出示幾種不同的擺，引導(dǎo)學(xué)生觀察擺的結(jié)構(gòu)，然后讓學(xué)生試著擺動(dòng)幾種不同的擺。讓學(xué)生根據(jù)觀察到的擺動(dòng)現(xiàn)象做出猜想：擺的快慢可能與擺線長短、擺錘重量、擺角大小有關(guān)。這樣的教學(xué)充分考察了影響擺動(dòng)快慢的各個(gè)因素，培養(yǎng)了學(xué)生思維的嚴(yán)謹(jǐn)性。

（二）假設(shè)階段，確定關(guān)鍵因素

假設(shè)是在對問題的洞察和理解的基礎(chǔ)上做出的有根據(jù)的推測或判斷，是問題的假定性答案。假設(shè)是試探性的，不具有決定性。假設(shè)的過程就是思維同步進(jìn)行的過程，通過聯(lián)想、想象、發(fā)散性思維等，從不同的角度進(jìn)行思考，確定哪個(gè)自變量與因變量有關(guān)。在多個(gè)自變量中，確定因變量與某一自變量的關(guān)系，通過自變量的變化觀察因變量的變化。如，在上述《擺》的教學(xué)中，學(xué)生做出猜測后，教師引導(dǎo)學(xué)生思考擺動(dòng)快慢與擺長有什么關(guān)系。學(xué)生做出猜測，形成假設(shè)——擺長越長，擺動(dòng)越慢；擺長越短，擺動(dòng)越快。為后續(xù)探究做好準(zhǔn)備。

三、在嚴(yán)謹(jǐn)計(jì)劃制訂中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力

為了對假設(shè)進(jìn)行證實(shí)或證偽，教師需要引導(dǎo)學(xué)生利用聯(lián)想、分析與綜合、歸納與演繹等思維方法，制訂嚴(yán)謹(jǐn)縝密的計(jì)劃，預(yù)測事件發(fā)生、發(fā)展的過程，為后續(xù)搜集證據(jù)確定行動(dòng)路線。

（一）在現(xiàn)象聚焦中增強(qiáng)學(xué)生的證據(jù)意識

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是可以借助儀器和感官觀察出來的，難以觀察到的現(xiàn)象可以運(yùn)用比較法、平衡法、替代法、模擬法、轉(zhuǎn)化法、放大法等，通過觀察其他物體的變化，推想實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。如，有些物體振動(dòng)產(chǎn)生聲音的現(xiàn)象不明顯，可以將振動(dòng)不明顯的音叉放入水中，觀察波紋的變化，推測得出音叉的振動(dòng)。在探究氣體熱脹冷縮時(shí)，空氣是看不見的，人們可以根據(jù)受熱、遇冷時(shí)氣球的體積變化，推斷空氣體積的變化。

（二）在材料準(zhǔn)備中培養(yǎng)學(xué)生轉(zhuǎn)化思想

科學(xué)探究中，需要將生活情境轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)情境，包含類比、替代思維。如，夏天熱、冬天冷的環(huán)境在實(shí)驗(yàn)中轉(zhuǎn)化為熱水、冷水；充氣的輪胎轉(zhuǎn)化為氣球、液柱等封閉的實(shí)驗(yàn)裝置。將生活中的物品轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)中可操作的物品，如，用氣球密封瓶口、用塑料管和水柱密封等，滿足實(shí)驗(yàn)的條件。

（三）在操作過程中強(qiáng)化學(xué)生的安全意識

實(shí)驗(yàn)應(yīng)遵守操作規(guī)范，一方面能降低安全風(fēng)險(xiǎn)、保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)性；另一方面，教師知行合一的“真實(shí)驗(yàn)”也對學(xué)生起到良好的示范作用。如，生化類實(shí)驗(yàn)最基礎(chǔ)的防護(hù)規(guī)范是“實(shí)驗(yàn)前后的手部衛(wèi)生清潔、手套、口罩、護(hù)目鏡”，啟發(fā)學(xué)生思考規(guī)范操作的意義：在保護(hù)自己的同時(shí)，防范樣品被自己污染。讓學(xué)生領(lǐng)會安全操作的必要性。

（四）在意外事件處理中培養(yǎng)學(xué)生思維的系統(tǒng)性

要保證實(shí)驗(yàn)安全順利進(jìn)行，教師需要引導(dǎo)學(xué)生分析意外事件發(fā)生的可能性，做好應(yīng)急預(yù)案，培養(yǎng)學(xué)生思維的縝密性和處理突發(fā)事件的靈活性。如，提前準(zhǔn)備濕布和沙子，防止使用酒精燈時(shí)出現(xiàn)火災(zāi)。

四、在搜集證據(jù)過程中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力

在計(jì)劃實(shí)施的初始階段，學(xué)生使用不同的調(diào)查手段和工具，利用發(fā)散思維，采用比較、分析、綜合等思維方法，從多個(gè)角度搜集證據(jù)。

（一）排除無關(guān)現(xiàn)象，吸引學(xué)生注意力

在科學(xué)探究中，有些現(xiàn)象是不支持結(jié)論的，我們把這些現(xiàn)象稱為無關(guān)現(xiàn)象。教師要引導(dǎo)學(xué)生分析無關(guān)現(xiàn)象，批判性地思考產(chǎn)生無關(guān)現(xiàn)象的原因，將其排除在證據(jù)之外。如，在研究壓縮空氣時(shí)，有的學(xué)生認(rèn)為，注射器內(nèi)空氣體積變小是由于部分氣體溢出。面對這種質(zhì)疑，我們引導(dǎo)學(xué)生思考：假如空氣溢出，將注射器放入水中推動(dòng)活塞時(shí)，一定會有氣泡冒出；去掉作用在活塞上的推力，注射器內(nèi)的空氣無法恢復(fù)到原來的體積。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)，排除了以上兩種現(xiàn)象，說明空氣沒有溢出，從而消除懷疑，證明空氣體積變小是因?yàn)榭諝饪梢员粔嚎s。

（二）加強(qiáng)現(xiàn)象之間聯(lián)系，形成可靠證據(jù)

科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究中會出現(xiàn)一系列的現(xiàn)象或數(shù)據(jù)，它們是衡量實(shí)驗(yàn)效果的重要指標(biāo)。我們要尋找現(xiàn)象間或數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)，可以采用以下方法：現(xiàn)象附加條件，解釋變化規(guī)律；現(xiàn)象還原條件，尋找問題根源；現(xiàn)象轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)變化趨勢；現(xiàn)象進(jìn)階本質(zhì)，澄清事實(shí)真相。

（三）歸納現(xiàn)象，增加證據(jù)的說服力

在科學(xué)研究中，僅僅靠一種現(xiàn)象或一種證據(jù)不能得出科學(xué)的結(jié)論。當(dāng)某種現(xiàn)象作為證據(jù)使用時(shí)，需搜集更多類似的現(xiàn)象作為支撐，才能形成具有說服力的證據(jù)。如，在研究重力現(xiàn)象時(shí)，我們引導(dǎo)學(xué)生觀察身邊各種物體下落時(shí)的情景，盡管物體的大小、輕重、運(yùn)動(dòng)軌跡各不相同，但是都會落向地面。這些現(xiàn)象具有相似性，體現(xiàn)了事物的本質(zhì)，可以作為證據(jù)來使用。學(xué)生通過歸納推理和類比推理，得出“物體由于地球吸引而落向地面”的結(jié)論。

綜上所述，科學(xué)探究要以科學(xué)思維為核心。科學(xué)探究不僅是技能操作訓(xùn)練，更是科學(xué)思維培養(yǎng)和發(fā)展的過程。學(xué)生思維能力的培養(yǎng)有助于認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)、理解科學(xué)觀念、解決生活問題。科學(xué)教師需要理解科學(xué)思維和科學(xué)探究的含義和特征，在科學(xué)探究的各個(gè)環(huán)節(jié)中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，從而提高學(xué)生的核心素養(yǎng)。