“結構與功能”驅動下的小學科學教學研究

【摘 要】在小學科學教學中，引入“結構與功能”概念可以幫助學生理解復雜的科學現象和原理。“結構與功能”驅動下的小學科學教學以結構優化、功能導向、實驗驗證為原則。教學實踐路徑包括明確功能需求，提出教學問題；分析結構特征，探討功能關系；設計優化方案，強化結構功能；實施實驗假設，反饋理論結果；反思實驗結果，調整優化策略；總結教學過程，鞏固科學思維。

【關鍵詞】“結構與功能” 小學科學 教學實踐

【中圖分類號】G613" " 【文獻標識碼】A" 【文章編號】1002-3275（2024）24-57-04

“結構與功能”概念作為科學教育的重要理論基礎，最早在20世紀初提出，并逐漸在各級科學教育中得到廣泛應用。《義務教育科學課程標準（2022年版）》明確提出將“結構與功能”融入課程內容設置和學業要求。“結構與功能”作為科學教育中的一個重要方面，將在新時代中小學科學教育中發揮關鍵作用。

一、“結構與功能”驅動下的概念教學

（一）“結構與功能”理念概述

“結構與功能”這一核心概念最早起源于生物學和工程學領域，旨在闡明自然界和人造系統中事物的結構特征與其功能之間的必然聯系。物體的形狀和結構決定了其主要的特性和功能，“結構”與“功能”之間具有密切的聯系，對這種聯系進行研究，是實現科學發明創造的基本前提。［1］在小學科學教學中，引入這一概念可以幫助學生理解復雜的科學現象和原理。通過探討事物的結構與功能之間的關系，學生不僅能夠理解表面現象背后的科學原理，而且能夠掌握系統化的科學思維方式，具備分析、推理、解決問題的能力。因此，“結構與功能”作為一個跨學科的核心概念，在小學科學教學中發揮著不可或缺的作用，可為學生理解和應用科學知識奠定基礎。

（二）“結構與功能”驅動下的概念教學理解

“結構與功能”這一核心概念在小學科學教學中的應用體現為學生建構科學知識的關鍵過程。學生在初次接觸科學現象時，通常通過觀察事物外在形態來獲得初步的感知經驗。例如在學習植物的葉片時，學生通過觀察葉片的形狀、大小、顏色，逐漸理解其結構特征。這一感知過程是科學概念建構的基礎，為后續的功能理解奠定了初步的知識框架。隨著學習的深入，學生在科學探究中開始將結構與功能關聯起來，理解結構如何影響功能的實現。又如教師在講解鳥類的翅膀結構時，不僅讓學生觀察翅膀的羽毛排列和骨骼形態，而且引導其思考這些結構如何幫助鳥類實現飛行功能。通過這樣的教學活動，學生逐漸認識到結構與功能之間存在著內在的因果關系，而這一關系正是科學現象背后規律的體現。到了學習難度更高的階段，學生需要在更復雜的情境中運用“結構與功能”這一概念，對科學現象進行深層次的探究與分析，從而形成對整個系統的全面理解。

二、“結構與功能”驅動下的小學科學教學原則

（一）以結構優化為原則

結構優化是科學探究的重要路徑。在小學科學教學中，通過引導學生理解和探索結構優化的原理，能夠幫助其掌握科學現象背后的規律，從而提升科學思維能力。同時，結構優化具有普遍適用性，涵蓋了從生物學到物理學等多個科學領域的核心知識。這一原則的應用能夠使學生在學習過程中形成對不同學科知識的整合理解，從而打破學科壁壘，構建綜合性科學知識體系。結構優化不僅是解釋科學現象的重要手段，而且是解決實際問題的關鍵策略。通過在教學中強調這一原則，學生可以將結構優化的思維方式內化為解決問題的基本方法。

（二）以功能導向為原則

功能導向的核心在于通過功能需求明確引導學習過程，使學生能夠從科學現象中捕捉功能性特征，并將其轉化為對結構的理解。這種教學方法強調學習目標的實用性和應用性，使學生能夠在科學探究中不斷明確功能目標，進而在復雜的科學現象中找到線索和依據。此外，功能導向原則還有助于提升學生構建科學概念的系統性和連貫性。學生對科學知識的理解和掌握往往源于對功能需求的認知，結構的分析和優化也是圍繞功能展開的。因此，功能導向為教學提供了一個邏輯起點，使學生能夠在復雜的科學內容中抓住核心，從而建立起知識的整體框架。這不僅有助于學生形成嚴密的科學思維，而且可以增強其跨學科學習能力。

（三）以實驗驗證為原則

實驗驗證作為科學探究的核心環節，是將理論假設與實際觀察相結合的重要手段，起著貫通、引領的作用。［2］通過實驗驗證，學生能夠在真實的情境中觀察和檢驗結構與功能之間的因果關系，從而將抽象的科學概念轉化為具體的認知體驗。這種體驗不僅有助于學生理解科學原理，而且能促進學生批判性思維的發展。此外，實驗驗證為科學教學提供了真實可靠的學習反饋，學生在實際操作和觀察中能夠獲得即時反饋，從而及時調整和修正認知偏差。這不僅能夠幫助學生形成正確的科學觀念，而且有助于提高其動手能力和實踐技能。在實驗驗證的過程中，學生通過不斷嘗試和改進，逐漸理解科學現象的本質，深化對結構與功能之間關系的認識。

三、“結構與功能”驅動下的小學科學教學實踐

（一）明確功能需求，提出教學問題

在“結構與功能”驅動的小學科學教學實踐中，教師需要先從功能需求出發，設置明確的教學目標。根據科學現象或科學原理的功能特性，確定教學內容的核心要素，并將其轉化為具體的學習目標。這些目標應清晰，且具備針對性和啟發性，能夠引導學生聚焦關鍵的功能問題，促使學生從功能需求的角度思考，進而逐步引導其進入科學探究的狀態。還需要通過提出與功能密切相關的探究性問題，有效激發學生的興趣，使其主動參與學習。

以教科版三年級上冊小學科學教材的第一單元第二節“水沸騰了”為例，從功能需求出發，明確教學目標為使學生認識并理解水在沸騰過程中發生的物理變化。科學現象的功能特性在于水在受熱至一定溫度時發生狀態變化，由液態轉變為氣態，并且這一過程伴隨著熱能轉移。功能需求的核心在于學生能夠認識到溫度作為能量的一種表現形式，是如何促使水從液態轉變為氣態的。具體的學習目標設定如圖1所示。

對應的教學問題包括：①為什么水在加熱一段時間后開始產生氣泡？②水沸騰時發生了什么變化？③水沸騰的溫度是多少，為什么達到這個溫度后水就開始沸騰？通過提出這些問題，促使學生思考相應的科學原理，從而幫助其在觀察和思考中逐步理解水沸騰的過程及其科學本質。

（二）分析結構特征，探討功能關系

分析結構特征并探討其功能關系是深化學生對科學概念理解的關鍵環節。這一過程要求學生不僅關注結構的外觀和形態，而且要思考其內部構造與功能需求之間的內在聯系。通過分析結構特征，學生可以理解為何特定的結構能夠有效實現預期的功能，進而認識到結構與功能之間的因果關系，從而能夠從整體上理解科學現象。

在“結構與功能”驅動的小學科學教學實踐中，教師可參考三個步驟：第一步是指導學生系統地觀察科學對象的各個結構特征，明確觀察的重點和細節。這一過程需要學生關注結構的組成、形態、排列方式、相互關系，通過描述和記錄，將這些結構特征具象化。第二步是引導學生思考這些結構如何服務于特定功能，促使其提出關于結構與功能之間關系的假設。通過開展有針對性的討論，學生逐步將觀察結果與功能需求相聯系，形成初步的推理和判斷。第三步是指導學生通過比較和對照不同的結構特征，分析功能差異，幫助學生從多個角度理解結構對功能的影響。教師還應促進學生將這些結構特征的分析與已掌握的科學概念相結合，形成更深層次的理解。

在“水沸騰了”一課教學中，教師讓學生仔細觀察水在加熱時發生的具體變化，如水中出現的氣泡是從杯底慢慢冒出來的，以及水面上升起的蒸汽。這些現象讓學生直接看到水在加熱過程中發生的變化。教師繼續引導學生思考這些變化是怎么發生的，隨后幫助學生理解這些現象與水受熱的關系。學生通過討論認識到，水被加熱后變成了氣體，這些氣體想要跑到空氣中，所以形成了氣泡并從水中冒出來。當水足夠熱時，水面上會出現蒸汽，這也是水變成氣體的一部分。教師通過簡單的解釋和提問，引導學生將看到的現象與水被加熱的過程聯系起來。

（三）設計優化方案，強化結構功能

設計優化方案要求學生將所學的科學知識應用于實踐中，以解決具體問題或提高現有設計的功能性。一方面，教師需要明確提出一個具體的設計任務，學生應在理解相關科學原理的基礎上，對現有結構進行分析，并找出其不足之處。此過程要求學生運用科學知識對結構的各個組成部分進行評估，明確哪些部分可以優化，以更好地實現預期功能。另一方面，學生需要提出可行的優化方案，并在教師的指導下進行實際操作和實驗驗證。通過實際操作，學生能夠直觀地看到結構優化后的功能提升，驗證其設計是否達到預期效果。教師在這一過程中應鼓勵學生進行反復試驗與調整，逐步優化設計方案。

在教學“水沸騰了”一課時，教師可以要求學生設計一個能夠更清晰觀察水沸騰現象的裝置。目標是通過優化觀察條件，使氣泡的產生、上升和水面蒸汽的形成過程更加明顯。這個任務不僅能夠讓學生更好地觀察水沸騰的過程，而且可以幫助其理解不同條件下水沸騰現象的差異。基于此，學生進行方案設計。首先，學生需要思考現有觀察方式的局限性，如水杯的形狀和材料對觀察效果的影響，可以提出使用透明的、較高的玻璃杯或其他容器，以便更清楚地觀察氣泡的形成和上升過程。其次，學生可能會提出在水面上方添加一層透明塑料膜，模擬一個封閉空間，以更好地觀察蒸汽的形成和積聚。通過優化容器的選擇和觀察條件，學生能夠設計出更有利于觀察水沸騰現象的裝置。

（四）實施實驗假設，反饋理論結果

基于上述的方案設計，學生可以運用所學的科學知識，將理論推導和現實觀察相結合，形成具有邏輯性和科學性的假設內容。在實驗過程中，學生應仔細觀察并記錄每一個關鍵步驟，特別是那些能夠直接驗證假設的現象或數據。教師需引導學生保持專注，關注實驗過程中出現的細微變化，這些變化往往是驗證假設的關鍵。精確的數據收集和觀察記錄是實施實驗的核心，學生通過詳細測量和記錄數據，能夠獲得可靠的實驗證據。此外，教師還應鼓勵學生進行即時的調整與控制，確保實驗條件的穩定性和重復性。通過控制變量和保持實驗條件的一致性，學生可以減少實驗誤差，從而提高實驗結果的可信度。通過嚴謹的實驗過程，學生不僅能夠檢驗其科學假設，而且能夠加深對科學探究方法的理解，提升在實際操作中的科學素養和實驗能力。

在教學“水沸騰了”一課時，學生在完成上述的觀察水沸騰現象的裝置后，可以確定實驗假設內容為：當水加熱到一定溫度時，會產生氣泡并開始沸騰，蒸汽會從水面上升。學生需要理解這一假設的基礎是水在受熱過程中的物理變化，特別是液態水轉變為氣態水的現象。接下來，學生按照設計好的裝置開始實驗。教師應指導學生嚴格按照實驗步驟操作，先將水倒入設計好的透明容器中，隨后開始加熱。學生需密切關注加熱過程中水溫的變化，詳細記錄每一個關鍵現象的出現時間和對應的水溫數據。在觀察過程中，教師應提醒學生集中注意力，準確記錄水溫達到100℃時的現象，包括氣泡的量、大小、上升速度，以及蒸汽的形成和散發情況（見表1）。

（五）反思實驗結果，調整優化策略

反思實驗結果的過程不僅要求學生對實驗數據和現象進行分析，而且需要其評估實驗設計的合理性與實施的準確性。通過對比預期結果與實際觀察之間的差異，學生可以識別實驗中可能存在的誤差或需完善之處。調整優化策略則是基于反思過程中的發現，對實驗方法、材料選擇、操作步驟進行改進。學生在這個過程中應學會提出針對性的調整方案，以減少實驗誤差。這一過程要求學生將反思中得出的結論應用于新的實驗設計，強調科學探究的動態性和反復性。通過不斷地調整和優化，學生能夠逐步完善實驗設計，從而獲得更加準確和具有代表性的實驗結果。

學生在完成“水沸騰了”的觀察實驗后，教師應引導學生回顧實驗過程中所記錄的數據和觀察到的現象，特別是水在不同溫度下的變化。學生應仔細對比預期的實驗結果與實際觀察到的現象，如果發現實驗結果與最初的假設不完全一致，應思考可能的原因，如是否在實驗中存在操作不當、觀察不充分、記錄不準確的情況。接下來，教師可以引導學生分析實驗過程中可能影響結果的變量。例如學生可能會思考加熱速度、容器材質、實驗環境溫度是否會對水的沸騰產生影響。基于此，學生意識到控制實驗變量的重要性，進而思考如何調整實驗條件以減少誤差。例如學生可能提出調整加熱速度，選擇更合適的溫度計，或確保在恒定的環境溫度下進行實驗，進一步理解科學實驗的系統性和嚴謹性。

（六）總結教學過程，鞏固科學思維

在小學科學教學中，科學思維的培養和鞏固是重要的教學目標。總結教學過程首先應從回顧教學目標和核心概念入手，幫助學生梳理整個學習過程中涉及的關鍵知識點和技能。通過對教學活動的系統回顧，學生可以將分散的知識整合成有機的整體，形成對科學現象的全面理解。教師應引導學生反思其在學習過程中的思考路徑和推理方法，明確科學探究中結構與功能之間的內在聯系。在總結過程中，教師還應強調科學探究的邏輯性和系統性，幫助學生理解如何通過觀察、假設、實驗、分析等一系列步驟逐步推進科學探究。通過討論和反思，教師引導學生總結科學思維的基本要素，如邏輯推理、假設檢驗、證據支持等，從而鞏固學生對科學探究方法的理解。此外，還應鼓勵學生將所學的科學思維方法應用于新的問題情境中，通過遷移學習進一步提升學生科學思維的靈活性和適應性。

在“水沸騰了”一課教學完成后，教師引導學生回顧實驗的關鍵步驟，從最初的水加熱開始，逐步梳理在實驗中觀察到的現象，例如氣泡的形成、上升，以及水面上蒸汽的產生。在這一過程中，教師應重點強調學生回顧在不同溫度下的觀察結果，幫助學生將具體的實驗操作與科學原理相結合，進一步鞏固其對水沸騰過程的理解。為進一步深化學生對本節課的理解，教師可在最后環節引導學生將所學的知識與更廣泛的科學現象聯系起來，如不同條件（如水的加熱速度）是否會影響水的沸騰過程。通過提出新的問題，幫助學生將所學的科學概念應用到新的情境中，促進其對科學現象的深度理解。

本文探討了如何基于“結構與功能”有效培養學生的科學思維能力，可為小學科學教學提供一定的理論指導，并通過論述具體的教學實踐路徑，為一線教師幫助學生在科學探究中構建知識體系、提升綜合素養提供參考。

【參考文獻】

［1］王麗．“結構與功能”概念導向下的教學活動設計［J］．小學科學，2024（9）：52-54．

［2］段吳健，任丹丹．跨學科視角下小學科學“結構與功能”概念主題學習設計研究［J］．新課程評論，2024（2）：33-41．