基于學習進階理論的學生科學推理能力培養路徑

摘" "要：科學推理是根據探究的問題、收集事實證據、分析論證并得出結論的學習過程。學習進階理論能科學精準地架構學生科學推理能力發展的水平層次，為教師研判與發展學生科學推理能力提供框架?；趯W習進階理論，設計深度學習的教學問題，搭建學生學習與實踐活動平臺，引領學生科學推理能力有序發展，落實學科核心素養。

關鍵詞：初中科學；核心素養；學習進階；科學推理；實踐路徑

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A " " 文章編號：1003-6148（2024）1-0092-5

科學推理是科學思維的重要組成部分。科學推理有歸納推理、演繹推理和類比推理三種類型［１］。根據證據與結論的前后因果關系，科學推理方式又分為正向推理和逆向推理兩種形式［２］。構建學生科學推理的理論模型與實踐路徑具有重要的理論與實踐價值。

１" " 學生科學推理能力“學習進階”概述

１．１" " “學習進階”內涵

“學習進階”是由威爾遜（Ｗｉｌｓｏｎ）與他的同事一起提出的“結構圖”（ｃｏｎｓｔｒｕｃｔ ｍａｐ）概念，最早出現在教育測量與評價研究中。研究者認為，學生的認知水平或某一能力是隨著時間的推延逐漸提高或變化發展的，由低一級向高一級螺旋式上升［３］。隨后，教育研究者斯蒂文斯 （Ｓｔｅｖｅｎｓ）、馬瑞特（Ｍｅｒｒｉｔ）、阿隆佐（Ａｌｏｎｚｏ）與斯蒂朵 （Ｓｔｅｅｄｌｅ）、薩琳娜（Ｓａｌｉｎａｓ）等相繼對學習進階進行研究，他們強調學習進階是對學習者在學習過程中思維程度逐漸發展的連貫性學習路徑描述［４］。綜合已有研究可以發現，學習進階是指學習者為了達到某一能力而經歷的一系列連貫性的學習思維路徑。學習進階包括五個方面的要素：學習者的學習目標，即學習進階的終點；發展變量，即達到某一學習層次水平時所經歷的素養要素；成就水平，即學生所處的學習水平層次；學生表現，即學生達到某一水平層次時所表現的能力；測評工具，即研究者對學生所處的學習水平進行測量的有效工具［５］。學習進階理論勾畫出學生學習能力發展的一系列的水平層次，能測量評價學生能力水平發展的“位置”，為教師研判與發展學生能力提供了有章可循的“框架”。

１．２" " 學生科學推理能力“學習進階”的架構

ＳＯＬＯ分類理論將認知教學目標分為前結構水平、單點結構水平、多點結構水平、關聯結構水平、擴展抽象結構水平五個層次，由低到高形成學生認知發展的階段［6］。從縱向發展來看，學生科學推理能力學習進階從低到高分為５個水平，知道證據推理價值、簡單運用證據推理、恰當運用證據推理、綜合運用證據推理、創造性運用證據推理。從橫向發展來看，科學推理能力的關鍵在于學生要經歷科學推理的思維過程。筆者根據學生科學推理能力發展的進階序列，架構了二維發展模型（圖１）［7］。學生的科學推理能力培養不是機械重復的，而是在新穎情境中遷移應用、深度學習活動中習得發展的。利用學生科學推理能力學習進階的二維模型架構，能從學生的現有水平出發，層層遞進，將學生的科學推理能力逐級沿著層級臺階提升。通過對科學推理能力的頂層設計和整體規劃，既能從能力培養全局考慮，又能從學生階段性學習過程中考量學生的水平層次，基于教學情境、實驗現象或習題作業等及時地調整教學內容，做到“見木又見林”。

２" " 基于學習進階理論的科學推理能力培養路徑

２．１" " 例舉結論與證據之間的關聯，樹立基于證據的科學推理意識

教師要深挖科學史背后的資源，引領學生追溯科學發展的過程，不僅能提高學生對科學知識的理解，也能深化對科學本質的認識，理解結論與證據之間的關聯。以牛頓第一定律教學為例，為了研究阻力對物體運動的影響，教師可以用斜面與小車實驗，獲取證據，分析推理，得出結論。讓小車放在一定高度斜面上自然滑下，觀察小車在粗糙程度不同（棉布、粗木板、玻璃板）的水平面上運動的距離。然后分析小車運動的距離與受到的阻力大小關系，得出結論。然后再科學推理，假如小車受到的阻力更小或等于０時，那么小車將會一直運動下去。教師再呈現伽利略、笛卡爾、牛頓對力與物體運動研究的貢獻史實，讓學生理解科學是逐步發展的。牛頓是在實驗取證與科學推理的基礎上建立了牛頓第一定律。

２．２" " 能使用證據進行推理論證

在碘升華的概念教學中，為了理解與推理固態碘直接變成氣態的事實，教師可以將碘顆粒放在燒瓶中，將燒瓶水浴加熱，觀察碘狀態的變化。先讓學生觀察實驗現象，學生將看到紫黑色碘固體變成紫紅色的碘蒸氣。教師出示先行者材料，碘的熔點是１１３．６ ℃，碘的沸點是１８４．２５ ℃。然后，讓學生分析現象、科學推理、思維加工，并科學論證得出結論。教師可以提出問題，固態的碘有可能變成液態的碘嗎？為什么？學生回答，碘要變成液態，溫度至少要達到熔點，而水浴加熱最高溫度是１００ ℃，不可能到熔點，也就是固態的碘不可能變成液態，碘只能直接變成氣態。

２．３" " 能對科學探究中的現象進行分析和推理，得出結論

科學探究是學生學習的重要方式之一。例如，在講授摩擦力時，教師取兩本七年級教材，把一本書每頁都交叉疊放在另一本書中，請班上兩個力氣最大的學生用手像拔河一樣對拉書本。學生活動以后，提出問題“為什么不能拉開書本”，順勢提出本節課題——“摩擦力”。在探究影響滑動摩擦力大小的因素時，則可以進行如下設計：

（１）創設活動情境。

將手掌壓在桌面上，并慢慢地拖動，讓學生學著嘗試這個動作。以學生活動為出發點，引導其體驗手慢慢拖動時，手受到的摩擦力大小情況，并聯系已有的生活經驗提出猜想，明確探究目的。

（２）設計、評價和完善實驗方案。

任務一：小組合作設計實驗方案?？紤]初一學生探究能力較為薄弱，可以提供有結構材料的器材。給學生一塊棉布、一個木塊、一盒鉤碼、一個彈簧秤。讓學生設計實驗方案。

任務二：收集學生實驗方案，選擇有差異的實驗方案進行對比、展示，并修正。

任務三：問題交流。①如何測量物體的壓力？②如何改變壓力的大小？③如何測量滑動摩擦力的大??？

學生通過討論認識到該實驗要收集的證據是摩擦力大小，只有當木塊做勻速直線運動時，摩擦力才等于拉力，記錄的數據才是要收集的證據。通過討論，達成共識，實施實驗，收集證據。

（３）獲取事實與證據，不同學生進行小組實驗，記錄數據，完成表格。

（４）分析、推理、論證、交流。師生總結，得出結論。

學生在設計、交流、評價、分析、總結的基礎上構建科學規律，這樣才會深刻理解影響滑動摩擦力大小的因素。

２．４" " 合理使用證據進行推理論證，得出結論

教師應引導學生合理地使用證據，并進行推理論證，得出結論。教師首先展示“省電王”實物，介紹其使用方法和商家宣傳的顯著效果，以鮮明的對比引發學生強烈的質疑。然后確定用電基準，選擇實驗儀器（量筒、溫度計、電熱水壺和電能表等），進行實驗，得出結論?；顒舆^程：①關掉家庭其他電器，只讓電熱水壺工作。記下水燒開時電能表轉盤轉過的轉數。②依據自己家里電能表銘牌上的參數，計算這段時間內電熱水壺工作所消耗的電能。再用“省電王”燒水，重復實驗，記錄數據，多次測量，取平均值，整理如表 1所示。從表格中數據可知，實驗組消耗電能與對照組消耗電能相等，它們兩者都大于理論計算的消耗電能。這是正常現象，因為有一部分能量散失到空氣中去了。通過從實踐取證到理論的科學解釋，認識了“省電王”不能省電的原因。但是，“省電王”是否能夠真正起到省電的效果，還需考慮具體的使用情況和設備特性。例如，對于一些長時間開啟的設備，如冰箱、空調等，節電器的使用效果就會比較顯著，于是得出結論——“省電王”能省電；而對于短時間使用的設備，如電視、電腦等，節電器的作用就不是很明顯，因此得出結論——“省電王”不能省電。因此，我們要考慮證據的可靠性，合理使用證據進行推理論證，得出結論。

２．５" " 在解決真實復雜的生活問題中讓學生推理論證迭代進階得出結論

例如，在學習電壓、電流、歐姆定律、電路設計有關知識以后，教師基于真實情境開展項目化教學活動，提升學生推理論證能力。進階式問題的科學探究是以原始問題為起點，基于事實證據，不斷深化認識連貫性的探索學習認知過程，進而達到解決問題的目的。例如，以設計自動煎藥壺的電路圖為例，讓學生在解決真實復雜的生活問題中基于證據推理迭代進階科學探究得出結論。

探究進階１：設計三擋加熱模式的電路圖。

問題１：煎藥壺（圖略）能實現哪些功能？需要哪些電路元件？如何設計三擋模式的電路圖？

加熱和保溫的功能。需要電源、導線、開關、電阻等電路元件。如圖2為煎藥壺三擋模式的電路改進過程圖。

探究進階２：設計電路，加熱后自動切換到保溫模式。

問題２：如何實現加熱后切換到保溫模式的功能？

需要溫控開關。

問題３：在發熱體的電阻一定時，如何改變功率？

還需要溫控電阻。

問題４：如圖2中右下角電路圖，在虛線內設計電路，實現發熱部分功率的改變，從而實現加熱后切換到保溫模式。

問題５：如何設置溫控開關的溫度？

原理：當溫度低于一定溫度值時，金屬片接觸，電路接通。當溫度達到一定溫度后，電路斷開。查閱資料得知煎藥壺保溫溫度為６０ ℃。

問題６：煎藥壺會進入保溫模式還需要哪些條件？

需要水量控制開關。

探究進階３：基于證據推理，水量控制開關和溫控開關應該如何連接？

問題７：如何實現既受溫控開關的控制，又受水量開關的控制呢？

根據煎藥壺“加熱”或“保溫”狀態與溫控開關、水量開關的關系（表2），你有什么發現？

只要其中一個開關閉合，就會處于加熱的模式。

問題８：你覺得溫控開關和水量開關應該串聯還是并聯？

溫控開關和水量開關應該是并聯。圖4為煎藥壺水量開關與溫控開關電路設計過程圖。

進階任務４：設計水量開關，以實現增加不同的水量時，出藥量相同。

問題９：水量開關通斷的依據是什么呢？

當水量增加時，壓敏電阻變小，控制電路的電流增大，電磁繼電器開關閉合，煎藥壺加熱。當水量減少時，壓敏電阻變大，控制電路的電流減小，電磁繼電器開關斷開。圖5為煎藥壺水量開關電路設計的改進圖。思維需要問題來啟動，并以進一步的問題來推進。在問題解決過程中，教師要設計遞進性問題，引發學生積極思考，推動學生思維的深入，基于證據推理尋找解決問題的方法，基于“證據推理”的自動煎藥壺的電路設計教學流程如圖6所示。

3" " "總結反思

學生科學推理能力學習進階的理論模型是立足于大多數學生的普遍認知而言的。由于學生認知基礎的特殊性與認知方式的差異性，教師不必拘泥于科學推理能力學習進階的層級結構，也不必機械地等量齊觀、平均著力，而是要尊重學生的認知水平，突出關鍵要素思維層次，逐級發展、螺旋提升。

參考文獻：

［１］周建秋． 基于核心素養的科學推理能力的“學習進階”［Ｊ］．現代中小學教育，２０２０，36（７）：５１－５４．

［２］周建秋． 發展學生“證據推理”核心素養的教學實踐探索［Ｊ］．現代中小學教育，２０２３，39（９）：３６－３９，49．

［３］美國科學促進協會．面向全體美國人的科學［Ｍ］．中國科學技術協會，譯．北京：科學普及出版社，２００１．

［４］郭玉英，姚建欣，張玉峰，等． 基于核心素養的物理學科能力研究［Ｍ］．北京：北京師范大學出版社，２０１７：９－１０．

［５］郭玉英，姚建欣，張靜． 整合與發展——科學課程中概念體系的建構及其學習進階［Ｊ］．課程·教材·教法，２０１３，33（２）：４４－４９．

［6］宋潔，趙雷洪．化學開放性問題的ＳＯＬＯ分類評價思維［Ｊ］．課程·教材·教法，２００６，26（１０）：６４－６７．

［7］中華人民共和國教育部．義務教育科學課程標準（２０２２年版）［Ｓ］．北京：北京師范大學出版社，２０２２：５－８．

（欄目編輯" " 李富強）

收稿日期：２０２３－１０－０５

基金項目：浙江省教師教育規劃重點課題“初中科學教師‘依標命題’能力提升的區域實踐研究”（ＺＤ２０２０００３）。

作者簡介：周建秋（１９７５-），男，中學高級教師，主要從事初中科學教學研究。