以探究實踐促進科學思維的提升

個人簡介

陳建姣，浙江省衢州風華學校初中科學教師，正高級教師，浙江師范大學兼職教授，浙江省教育學會中學科學教學分會常務理事，長三角教研聯(lián)盟專家，浙江省特級教師，浙江省萬人計劃教學名師，教育部新時代中小學名師培養(yǎng)對象。在科學探究開放性、體現(xiàn)科學本質的科學教學等方面開展了較深入的實踐。

“探究實踐是科學這一學科的特色，不僅要有形，更應有神。‘’   

    浙江省初中段實行綜合科學課程的改革已走過30多個年頭，我從1996年大學畢業(yè)至今一直任教初中（自然）科學。“和諧平等、激情帶動、突出本質、互動生成”是我的教學主張，其中“突出本質”體現(xiàn)的是科學這一學科的特色，而科學探究是科學本質的重要方面。從2011年版初中科學課標的“科學探究”到2022年版義務教育科學課標的“探究實踐”，我都依標努力實踐。體現(xiàn)科學探究實踐的科學課深深地吸引著我的學生。探究實踐既是科學學習的內容，也是學習科學的重要方式。經過深入的實踐與反思，我也領悟并踐行了“通過探究實踐促進學生科學思維的提升”這一學科育人目標。探究實踐如何促進科學思維的提升？下面，與大家分享幾個與探究實踐相關的教學故事。

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以探究實踐轉變思維方式

“遺傳與進化”是浙教版科學教材九年級下冊第1章《演化的自然》第5節(jié)的內容，其中“遺傳”部分包括“遺傳和變異現(xiàn)象”“遺傳物質的傳遞”兩部分。DNA、基因及基因對性狀的控制是“遺傳”部分的重要內容。在教學實踐中，根據自己對教材的理解，并依據學生在此之前學習了大量能支持“結構決定功能”的相關科學事實，我結合DNA的結構模型圖介紹DNA分子的結構，之后便快速進入“基因”的教學，強調“基因是DNA分子上起遺傳作用的有效片段”“基因控制生物的性狀”，我以“電視機遙控控制電視音像特點”類比“DNA上的基因控制生物的性狀”，以便學生理解“基因是DNA分子上起遺傳作用的有效片段”“性狀與基因間的對應性”。

然而，上述教學，學生的學習效果并不佳。在“具體情境中，考查基因對性狀起控制作用”的測評中，學生依然會弄不清楚性狀與基因的對應關系，弄不清楚性狀不同是因為基因不同導致的。

反思上述教學，教師雖然采用了直觀教學法、類比教學法，而學生是從“結構決定功能”這一共通概念演繹到基因的學習中——性狀的不同是由基因的不同結構決定的，但學生對基因的結構卻不了解，缺乏相應的證據支持。那如何讓學生獲得形象的證據支持，又不超初中的課標要求呢？

在一次校內的名師教學展示活動中，我對這節(jié)課進行了重新設計。通過以下環(huán)節(jié)組織學習：學生搭建DNA分子模型；學生介紹DNA分子的基本結構單位；學生介紹每個基本單位的結構組成；觀察所給模型，推測不同基因的主要區(qū)別?！懊撗鹾塑账岬慕Y構”并不作知識的要求，只是作為認識基因結構的基礎。當學生建立起“不同的基因，其結構是不同的；不同結構的基因決定了不同的性狀”的認知后，它的使命就完成了。因此，“脫氧核苷酸”并未出現(xiàn)在這節(jié)課的結構化板書中。

在改進后的教學中，我運用了模型開展探究實踐，而這樣的探究實踐不僅成功構建了基因的概念，更促進了思維方式的轉變。初中科學的學習是沿著“尋找證據”到“建立概念”的方向進行的，而非完全通過抽象的演繹來建構概念，即便是“基因”這樣的抽象概念。

2

以探究實踐培養(yǎng)思維方法

“物質的構成”是浙教版科學教材七年級上冊第4章《物質的特性》第1節(jié)的內容，該內容包括“物質由分子構成”“分子之間存在空隙”“分子處于不停的運動之中”“分子之間的引力和斥力”等。教材在該部分安排了“觀察蔗糖”“酒精和水的混合”“芝麻和黃豆混合”“氣體擴散實驗”“液體擴散實驗”“鉛柱粘合實驗”等豐富的探究實踐活動。

在以往教學中，我會將上述探究實踐活動通過演示或小組合作的方式一一開展。學生也會學得不亦樂乎。但是這樣的教學，只是停留在教教材的層面上，只是讓學生參與了“做”，而對學生思維的提升效果并不明顯。

在一次浙江省的“百人千場”送教活動中，我對這節(jié)課進行了新的嘗試。在這節(jié)課中，我以知識為明線、以科學思維方法為暗線來組織。

學生在觀察方糖活動中，當將碾碎的蔗糖粉末放入水中后，發(fā)現(xiàn)蔗糖粉末不見了。這時我問學生：“蔗糖還存在嗎？”“還存在的蔗糖為何不見了？”學生馬上回答：“這時蔗糖以分子的形式存在于水中，所以看不見了?！蔽易穯柕溃骸澳敲矗闶窃趺创_定的呢？”這時，學生無言以對了。隨即，我接過話題，“科學史上，也是因為分子很小，曾經無法直接觀察到它，導致阿伏加德羅提出的分子學說直到他去世，仍然沒有被大多數(shù)化學家所承認?！敝?，我再介紹掃描隧道顯微鏡及其視野下的分子。這部分的教學，為科學思維方法埋下伏筆：“我們今天也要研究分子，但沒有掃描隧道顯微鏡，怎么研究呢？”從而確定研究所需的主要思維方法：從直接感知的現(xiàn)象推測無法感知的事物。這樣的思維方法在生活中也常用到。

從“酒精和水混合后總體積變小”推測出“分子間存在空隙”，從歸納出的“物質能擴散”逐級推測出“分子是會運動的”“分子處在不停的運動中”“分子在不停地做無規(guī)則運動”，從“高錳酸鉀在熱水中的擴散比在冷水中快”（用高錳酸鉀消毒片替換教材實驗中的紅墨水，以便學生操作；而本節(jié)內容的分子泛指構成物質的微觀粒子）推測出“溫度越高，分子無規(guī)則運動越快”，從“鉛柱粘合實驗”推測出“分子間存在引力”。

在本節(jié)課的教學中，我還運用了預測、分類、模型、歸納等思維方法。在學生做“酒精和水混合實驗”前，讓學生對實驗結果進行預測，學生經過討論得出：若分子間不存在空隙，則混合后，總體積可能是不變或增大；若分子間存在空隙，則混合后，總體積可能是不變、增大或減小。當學生通過實驗發(fā)現(xiàn)，混合后總體積減小，則不難推測出“分子間有空隙”的結論了。為加深理解，可讓學生從微觀視角畫出酒精和水混合的模型。從氣體擴散實驗、液體和固體能擴散的事實，歸納出“物質能擴散”的結論，學生再基于此進行推測。

在這節(jié)課的小結環(huán)節(jié)，我讓學生對本節(jié)課的實驗、觀察、控制變量等科學方法進行了反思，也對推測、預測、分類、模型、歸納等科學思維方法進行了小結。這次嘗試，不僅走向了用教材教，也很好地落實了學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

3

    以探究實踐建構思維模型

2012年，我的一個徒弟參加了浙江省衢州市初中科學優(yōu)質課評比，這次比賽的課題是“大氣的壓強”，我作為師父全程參與了磨課。這節(jié)課有很多實驗可以開展，如覆杯實驗、瓶吞雞蛋、馬德堡半球實驗等經典實驗。這節(jié)課學生也有一些前概念，如吸飲料、吸盤掛重物、膠頭滴管吸液體等與“吸”相關的應用。因此，我們設計這節(jié)課時，將以往的教師演示實驗或學生按設計好的方案進行活動改成學生自己選擇儀器證明大氣壓的存在，設計了“吸飲料”比賽，揭示其中的原理。學生將覆杯、吸了液體的滴管、變癟的礦泉水瓶、吞了雞蛋的瓶子分別放入鐘罩，并對鐘罩進行電動抽氣，產生杯中水落下、滴管中液體回到燒杯、礦泉水瓶復原、瓶子吐雞蛋的實驗現(xiàn)象?；顒娱_放又熱鬧，比賽激烈又意外，徒弟憑借扎實的基本功演繹了精彩的一堂課，并獲得第一名。

這節(jié)課真的如此完美嗎？通過課堂觀察，我發(fā)現(xiàn)學生在“證明大氣壓存在”的環(huán)節(jié)時像是無頭蒼蠅，對教師的演示只有驚嘆而沒有思維的發(fā)展。

下課后的調查證實了我的觀察，我找了幾名學生問了幾個問題：“證明大氣壓的方法是你們自己想出來的嗎？”“你是怎么想到用這樣的方法的？”“鐘罩實驗證明大氣壓的存在與你們設計的實驗方法有相似之處嗎？”結果發(fā)現(xiàn)，學生運用的方法是直接從教材或教輔上搬來的，根本沒有一個尋找方法的清晰思路，也自然不清楚他們展示的方法與教師演示的方法間有何相通之處。這節(jié)課的設計存在問題！但我們當時卻想不出解決的辦法。

2013年6月，浙教版初中科學教材進行了改版，在“大氣的壓強”這一節(jié)增加了一個學生活動“瓶中取袋”：將一只薄膜塑料袋放入廣口的瓶中，使塑料袋盡可能貼近瓶壁，將袋口沿瓶口翻過來，用橡皮筋緊緊地扎在瓶口上，試著將塑料袋從瓶內拉出。這個活動啟發(fā)了我對這節(jié)課的重新構思，并進行了實踐。

首先，讓學生通過“瓶中取袋”活動真切體驗塑料袋被外力壓著而拉不出來的感覺，袋子周圍只有空氣，這樣通過此活動就讓學生感受到大氣的壓力，從而驗證大氣能產生壓強。教師再演示，將橡皮筋撤去后，便能輕易地將袋子取出。設問：用橡皮筋扎或不扎，外界的大氣并沒有發(fā)生改變，那為何我們的感受是不同的？學生用語言很難表達，只能講出“內外平衡”的大概意思。我讓兩名學生上臺模擬。甲、乙兩名學生蹲馬步面對面站立，甲用一只手掌緊靠乙的一只手掌，其他學生判斷這兩位是否施力。學生們建議某一方向后退，通過觀察另一方的手是否運動作出判斷。教師引導學生從中抽象出“瓶中取袋”的思維模型：通過減小袋與瓶之間（塑料袋一側）的氣壓，來體現(xiàn)外界大氣壓的存在。

接著，我再讓學生根據這樣的思維模型，自己選擇儀器證明大氣壓的存在，并要求學生在展示時說一說“用什么方法趕走空氣”“證明的大氣壓的方向如何”。教學中發(fā)現(xiàn)，學生在活動時不再像是無頭蒼蠅了！學生能清晰地匯報，分別用水、熱空氣、擠膠頭、擠吸盤等多種不同的方法趕走空氣?？茖W史上著名的馬德堡半球實驗也用了同樣的思維模型。

還有不同的思路來證明大氣壓的存在嗎？有了前面的思維模型作鋪墊，學生很快想到反證法思維模型：使外界氣壓消失或減小，實驗現(xiàn)象將復原。將水不會掉落的覆杯、吸了液體的滴管、變癟的礦泉水瓶、倒置的吞了雞蛋的瓶子分別放入鐘罩中，用真空泵向外抽氣，產生的明顯現(xiàn)象再次佐證了大氣壓強的存在。

最后，進行歸納，無論是立證，還是反證，都是運用“物體兩側產生的壓強差使實驗產生明顯的現(xiàn)象”這樣的思維模型從而得出結論。至此，將各種各樣的證明方法歸為一個統(tǒng)一的思維模型，體現(xiàn)了科學這門學科思維的深刻性、簡潔性和完美性。

探究實踐是科學這一學科的特色，不僅要有形，更應有神。為發(fā)展學生思維而教的探究實踐是核心素養(yǎng)背景下課程改革的新方向，我將繼續(xù)努力實踐。

《中國教育報》2023年06月02日第5版