將“雙螺旋結構”課堂運用于《擰螺絲的學問》教學

◇張牧文（江蘇：南京市江寧實驗小學）

一、“活動-思維”“雙螺旋結構”課堂概述

“活動-思維”“雙螺旋結構”課堂借鑒了生物學上的DNA 雙螺旋結構，“活動”和“思維”作為貫穿課堂始終的兩條螺旋，通過“問題”和“證據”貫連。“活動”包括觀察、實驗探究、調查、讀圖識圖、項目研究等。“思維”主要指科學思維，在小學科學課堂中包括模型建構、推理論證、創新思維等，表現為比較與分類、抽象與概括、歸納與演繹、聯想與重組等邏輯思維的過程和形式，用以感受、提取、理解、推理等，并以此指導科學探究活動。“問題”是指向一節課核心知識或概念的關鍵問題，具有邏輯結構的關鍵問題組成問題環扣，推動活動進階。“證據”是學生在探究活動中獲得的結果與發現，通過對證據的提取、整理、組合形成具有內在邏輯關系、能夠證實或證偽科學問題的證據鏈條。將“活動-思維”“雙螺旋結構”運用于課堂教學，緊抓關鍵問題扣和有效證據鏈，能夠有效推動學生科學思維的螺旋上升，讓科學探究往深處去。

二、基于“活動-思維”“雙螺旋結構”課堂的教學過程

基于“活動-思維”“雙螺旋結構”課堂，筆者將蘇教版科學五下《擰螺絲的學問》一課分為四個層層遞進的教學活動，與學生思維歷程的對應關系如表1。

表1 《擰螺絲的學問》進階教學設計

（一）比較用手和用螺絲刀擰螺絲

活動一的設計是，教師出示一塊嵌有螺絲釘的軟木塊，先請學生嘗試用手將螺絲釘擰進去，簡單說一說感受，接著提問：“有什么方法可能會使你更輕松？”在學生的主動要求下，使用螺絲刀再次嘗試，請學生將兩次擰螺絲的感受進行比較，提出初步主張：使用螺絲刀可以省力。教師通過談話“看來，螺絲刀不簡單，有不少學問呢！”引入對螺絲刀結構的觀察：“揭秘產品的功能，我們可以從觀察結構開始。”滲透“結構與功能”的跨學科概念。之后，將螺絲刀的圖片貼在黑板上，通過師生交流明確螺絲刀主要由刀把、刀桿兩個主要結構組成。教師緊接著提問：“剛剛他是怎么擰螺絲刀的，你們看清楚了嗎？”學生回答：“他握住螺絲刀的刀把，用力旋轉。”教師小結：“并且他認為在刀把上用力，省力。”

活動一的作用是引出螺絲刀這個研究對象，明確螺絲刀的主要結構和“擰”螺絲刀的方法，拋出核心問題之一——使用螺絲刀省力嗎？教師在這一環節有兩個關鍵操作：一是確保所有學生能都觀察到，這位同學是怎么使用螺絲刀擰螺絲的；二是引導學生將兩次擰螺絲的用力大小進行比較，提煉關鍵詞：省力。在落實兩個關鍵操作的基礎上，教師通過三個環環相扣的問題，一步步引導學生說出有依據的觀點。表2 列舉了本環節的“問題環扣”和“證據鏈條”。

表2 活動一“問題環扣”和“證據鏈條”

以上三個關鍵問題，學生回答的依據要么是觀察到的現象，要么是生活經驗。其中，將手的感覺或生活經驗作為證據，都是不可靠的，活動三將對這些證據提出疑問。關鍵問題1 和問題2作為思維階梯，推動了活動二中，學生對刀把和刀桿運動方式的觀察，為抽象出輪軸模型打好基礎。問題3 為活動三中，為引導學生思考四種螺絲刀是否省力搭建腳手架。

（二）觀察螺絲刀主要結構的運動方式，抽象出輪軸模型

在明確螺絲刀主要結構的基礎上，教師請學生以小組為單位，使用螺絲刀擰一擰螺絲，并提出兩點要求：觀察刀把和刀桿各自的運動方式；和小伙伴說一說，你是怎么成功擰進螺絲的。之所以讓每一個學生都體驗并觀察擰螺絲的過程，是因為五年級學生的思維處在具象向抽象的過渡階段，抽象出輪軸模型需要學生以感性經驗作為基礎。學生體驗之后，能夠描述出刀把和刀桿是一起旋轉的，朝向同一個方向。接著，教師出示橫過來的螺絲刀截面圖，將它轉動起來，請學生再次觀察。通過兩次觀察，刀把和刀桿確實朝向同一個方向一起轉動，并且它們的運動描繪出了兩個同心圓，這兩個圓組成了螺絲刀的抽象模型。其中，代表刀把、大一點的圓稱為輪，代表刀桿、小一點的圓稱為軸。教師再請學生完整地描述，自己是怎么成功擰進螺絲的。學生能夠使用“輪”“軸”這樣的詞匯代替“刀把”“刀桿”進行描述，并補充道：“軸隨著輪一起轉動。”說明學生已經在頭腦中建立起了輪軸的抽象圖示，并且這幅圖示包含輪與軸之間的關系：輪和軸固定在一起，輪轉動時，軸也跟著一起轉動。表3 列舉了本環節的“問題環扣”和“證據鏈條”。

表3 活動二“問題環扣”和“證據鏈條”

問題1 是學生構建輪軸模型的基礎，證據1是學生通過感性體驗獲得，而證據2 其實是對圖像的抽象理解，二者在思維層次上有所上升。問題2 提出時，學生已經明白可以用“輪”來稱呼刀把，用“軸”稱呼刀桿，于是學生可以使用“輪”和“軸”來描述擰螺絲的過程，并且這描述的內容，一方面來自學生擰螺絲的體驗，另一方面來自學習過的輪軸模型。因此以上兩個問題和三個證據之間也是層層遞進的。

（三）觀察并體驗四把尺寸不同的螺絲刀

在抽象出輪軸模型的基礎上，教師出示四把不同的螺絲刀和它們的輪軸圖，在圖上標記輪和軸的尺寸，向學生提問：“這四種輪軸有什么不同？”學生很容易對比得出，它們軸的尺寸相同，輪的尺寸逐漸變大。教師追問：“在它們的輪上用力，省力嗎？”學生開始提出不同的觀點，有的學生認為輪大的省力，依據是大一點的輪受力面積大；有的學生認為輪小的省力，依據是小一點的輪方便握住用力；極少數學生依據直覺認為輪的大小與省力程度無關。教師將這些想法全部記錄下來，不評判對錯，繼續追問：“你們的猜想是否正確，怎么證明？”學生提出動手擰一擰，比較一下。教師順勢請四位學生分別試一試，將最省力的一把舉起來給大家看。結果發現，四位學生的選擇并不相同，教師趁勢追問：“將感覺作為證據，可靠嗎？”引導學生對證據的可靠性進行質疑，滲透科學本質的認識，接著在師生交流中形成共識：我們要更科學、更準確的證據。表4 列舉本環節的“問題環扣”和“證據鏈條”。

表4 活動三“問題環扣”和“證據鏈條”

活動三中，教師通過有趣的小活動引導學生質疑證據的可靠性，而不是直接告訴學生，因為學生對親歷活動印象更為深刻，更容易動搖學生的前概念。三個關鍵問題中，問題1 以活動二中學生構建的輪軸模型為基礎，引導學生比較四幅輪軸的圖畫，發現原來輪有大有小，并聯系到螺絲刀刀把的尺寸有大有小上。問題2 勾起學生的前概念，且學生的前概念各不相同，教師不作評價，觀點要靠活動四中收集的科學、準確的證據來證實（證偽）。

（四）推理論證：證明“在輪上用力省力”“軸相同時，輪越大越省力”

1.使用論證框架

教師出示三層輪軸實驗裝置，說明此裝置可以搜集準確的數據作為證據，并帶領學生認識裝置的結構——軸、小輪、大輪，向學生講解如何在軸上增加阻力、如何測量軸上阻力和小輪、大輪上用的拉力大小。接著向學生提問：“利用這套裝置，你怎么搜集證據，證明你的觀點？”學生提出實驗思路：保持阻力不變，分別測量輪軸到達平衡時，小輪和大輪上用的力，將兩個數值進行比較。接著，教師通過短視頻介紹實驗步驟，演示如何在學習單上記錄數據。視頻播放結束后，定格在學習單上，向學生提問：“這是老師做實驗時，獲得的一組數據，請你來找找證據，證明你的觀點。”學生此時能初步描述觀點：“大輪上用的力比小輪上用的力小，所以軸相同時，輪越大越省力。”但筆者在長期教學中發現，學生這樣描述，沒有突出自己的觀點，沒有點明搜集到的證據，論證質量不高。因此，教師出示論證框架，并要求學生使用框架中的句式“我們的觀點是……”“我們找到的證據是……”“我們的解釋是……”“我們最后的結論是……”來描述，使表達更加完整。并且將這位學生的匯報提供給其他同學作為范例，引導學生使用論證框架，基于證據展開有序、合理的論證。

證明“在輪上用力，省力”，學生找到的證據是阻力值、小輪用力值、大輪用力值，將阻力與用力進行對比，發現無論是大輪還是小輪，用力都比阻力小；證明“軸相同時，輪越大越省力”，學生找到的證據是小輪用力值、大輪用力值，將二者進行對比，發現大輪用力比小輪小。接著，教師提問：“這一組證據足夠說服你嗎？”學生提出，要測量多組數據。接下來，教師給每個小組發了一套材料和一張記錄單，請每個小組設置三個阻力值，記錄三組數據。活動完成后，全班共收集到二十四組不同的數據。

2.科學論證

教師請小組圍繞本組數據進行交流，使用論證框架形成組內一致的觀點。接著，請各個小組將記錄單貼在大記錄單上，將二十四組數據羅列在一起。在公開論證環節，請一個組的學生一起來匯報，學生間分工合作，確保每位學生都知曉數據應該如何比較和解釋。在小組匯報結束后，其他小組可以基于證據進行反駁。兩到三個組匯報后，教師提問：“你能結合全班的數據進行分析嗎？”請學生綜合全班數據進行匯報。最后，教師點明其中的思維方法：分析本組的少量數據，學生再進行比較；結合全班的數據，學生再進行歸納。

3.應用遷移

經過大量數據的驗證，結論進一步確定。此時，教師出示學生在環節二中使用的螺絲刀，提問：“你能想辦法，使它更省力嗎？”學生思考后提出：“換一個更大的輪。”或者“在螺絲刀的輪上套一個更大的殼。”教師再補充：“你們知道工程師是怎么解決的嗎？”接著演示螺絲刀的三種變形方式。本課中使用的螺絲刀的刀把上有嵌口，可以將另一根刀桿插進去從而增大輪的尺寸，也可以將另一把螺絲刀從刀桿一頭插進去，使輪的尺寸更大。教師邊演示，邊提問：“請你解釋螺絲刀變形的原理。”學生依據本節課學到的原理進行解釋，將輪軸的抽象規律又一次具象到了實物上，進一步發展了學生的科學思維。表5 列舉本環節的“問題環扣”和“證據鏈條”。

表5 活動四“問題環扣”和“證據鏈條”

三、實施“活動-思維”“雙螺旋結構”課堂教學的路徑

在上述教學案例的四個活動中，關鍵問題與有效證據相互關聯，活動與思維螺旋上升。而要設計這樣一節遞進的課堂教學，可以從兩條路徑來探索。

（一）設計引發思維的問題環扣

所謂促發思維，依據杜威“做中學”教育理論、維果斯基“最近發展區”理論、顧長明“做思共生”教學理論等，須強化探究實踐，重視學生的前概念和最近發展區，通過有趣的活動激發學生認知沖突，找到學生思維生長的落腳點。而問題環扣，階梯式抬升，學生每解決一個問題，認知水平勢必有所提高。新問題需建立在學生新的認知水平上，引導學生進一步提升。因而，科學教師要基于系統論的思想，把握課堂教學核心概念的生長路徑，將教學各個要素進行有序規劃，形成前后遞進的問題環扣。

例如，本課教學中，圍繞“使用輪軸省力”這個教學重點，提出的一系列問題有“在螺絲刀的刀把上用力，省力嗎？”“在輪上用力，省力嗎？”“請你找一找證據，證明你的觀點。”其中第二個問題出現在學生構建起輪軸抽象模型之后，對螺絲刀的認知從具象上升到了抽象，第三個問題則引導學生使用數據作為證據來論證，學生的抽象思維水平進一步提升。

（二）建立獲取、分析有效證據鏈條的途徑

證據，是學生用來證實（證偽）觀點的依據，因而證據的有效性影響探究活動的成敗。在探究活動中搜集可靠的證據，需要學生具備實證意識，能夠對證據進行批判性的處理和分析，并在學習共同體中進行進一步整合。科學教師要引導學生建立對證據的批判質疑態度，通過設計有序的活動為學生提供科學的證據，使用具有思維結構的學習單使學生的思維線性化，并運用促進學生參與的測量，促進學習共同體之間的交流互動。

綜上所述，在教學中運用“問題環扣”和“證據鏈條”能夠增強學生的實證意識，提高學生的推理論證水平，而由此構建成的“活動-思維”“雙螺旋結構”課堂能夠有效促發學生深度思維、促進學習進階。為進一步構建完善的“雙螺旋結構”課堂，我們今后仍將不斷探索前行。