以探究实践促进科学思维的提升

个人简介

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陈建姣，浙江省衢州风华学校初中科学教师，正高级教师，浙江师范大学兼职教授，浙江省教育学会中学科学教学分会常务理事，长三角教研联盟专家，浙江省特级教师，浙江省万人计划教学名师，教育部新时代中小学名师培养对象。在科学探究开放性、体现科学本质的科学教学等方面开展了较深入的实践。

“探究实践是科学这一学科的特色，不仅要有形，更应有神。‘’   

浙江省初中段实行综合科学课程的改革已走过30多个年头，我从1996年大学毕业至今一直任教初中（自然）科学。“和谐平等、激情带动、突出本质、互动生成”是我的教学主张，其中“突出本质”体现的是科学这一学科的特色，而科学探究是科学本质的重要方面。从2011年版初中科学课标的“科学探究”到2022年版义务教育科学课标的“探究实践”，我都依标努力实践。体现科学探究实践的科学课深深地吸引着我的学生。探究实践既是科学学习的内容，也是学习科学的重要方式。经过深入的实践与反思，我也领悟并践行了“通过探究实践促进学生科学思维的提升”这一学科育人目标。探究实践如何促进科学思维的提升？下面，与大家分享几个与探究实践相关的教学故事。

1

以探究实践转变思维方式

“遗传与进化”是浙教版科学教材九年级下册第1章《演化的自然》第5节的内容，其中“遗传”部分包括“遗传和变异现象”“遗传物质的传递”两部分。DNA、基因及基因对性状的控制是“遗传”部分的重要内容。在教学实践中，根据自己对教材的理解，并依据学生在此之前学习了大量能支持“结构决定功能”的相关科学事实，我结合DNA的结构模型图介绍DNA分子的结构，之后便快速进入“基因”的教学，强调“基因是DNA分子上起遗传作用的有效片段”“基因控制生物的性状”，我以“电视机遥控控制电视音像特点”类比“DNA上的基因控制生物的性状”，以便学生理解“基因是DNA分子上起遗传作用的有效片段”“性状与基因间的对应性”。

然而，上述教学，学生的学习效果并不佳。在“具体情境中，考查基因对性状起控制作用”的测评中，学生依然会弄不清楚性状与基因的对应关系，弄不清楚性状不同是因为基因不同导致的。

反思上述教学，教师虽然采用了直观教学法、类比教学法，而学生是从“结构决定功能”这一共通概念演绎到基因的学习中——性状的不同是由基因的不同结构决定的，但学生对基因的结构却不了解，缺乏相应的证据支持。那如何让学生获得形象的证据支持，又不超初中的课标要求呢？

在一次校内的名师教学展示活动中，我对这节课进行了重新设计。通过以下环节组织学习：学生搭建DNA分子模型；学生介绍DNA分子的基本结构单位；学生介绍每个基本单位的结构组成；观察所给模型，推测不同基因的主要区别。“脱氧核苷酸的结构”并不作知识的要求，只是作为认识基因结构的基础。当学生建立起“不同的基因，其结构是不同的；不同结构的基因决定了不同的性状”的认知后，它的使命就完成了。因此，“脱氧核苷酸”并未出现在这节课的结构化板书中。

在改进后的教学中，我运用了模型开展探究实践，而这样的探究实践不仅成功构建了基因的概念，更促进了思维方式的转变。初中科学的学习是沿着“寻找证据”到“建立概念”的方向进行的，而非完全通过抽象的演绎来建构概念，即便是“基因”这样的抽象概念。

2

以探究实践培养思维方法

“物质的构成”是浙教版科学教材七年级上册第4章《物质的特性》第1节的内容，该内容包括“物质由分子构成”“分子之间存在空隙”“分子处于不停的运动之中”“分子之间的引力和斥力”等。教材在该部分安排了“观察蔗糖”“酒精和水的混合”“芝麻和黄豆混合”“气体扩散实验”“液体扩散实验”“铅柱粘合实验”等丰富的探究实践活动。

在以往教学中，我会将上述探究实践活动通过演示或小组合作的方式一一开展。学生也会学得不亦乐乎。但是这样的教学，只是停留在教教材的层面上，只是让学生参与了“做”，而对学生思维的提升效果并不明显。

在一次浙江省的“百人千场”送教活动中，我对这节课进行了新的尝试。在这节课中，我以知识为明线、以科学思维方法为暗线来组织。

学生在观察方糖活动中，当将碾碎的蔗糖粉末放入水中后，发现蔗糖粉末不见了。这时我问学生：“蔗糖还存在吗？”“还存在的蔗糖为何不见了？”学生马上回答：“这时蔗糖以分子的形式存在于水中，所以看不见了。”我追问道：“那么，你是怎么确定的呢？”这时，学生无言以对了。随即，我接过话题，“科学史上，也是因为分子很小，曾经无法直接观察到它，导致阿伏加德罗提出的分子学说直到他去世，仍然没有被大多数化学家所承认。”之后，我再介绍扫描隧道显微镜及其视野下的分子。这部分的教学，为科学思维方法埋下伏笔：“我们今天也要研究分子，但没有扫描隧道显微镜，怎么研究呢？”从而确定研究所需的主要思维方法：从直接感知的现象推测无法感知的事物。这样的思维方法在生活中也常用到。

从“酒精和水混合后总体积变小”推测出“分子间存在空隙”，从归纳出的“物质能扩散”逐级推测出“分子是会运动的”“分子处在不停的运动中”“分子在不停地做无规则运动”，从“高锰酸钾在热水中的扩散比在冷水中快”（用高锰酸钾消毒片替换教材实验中的红墨水，以便学生操作；而本节内容的分子泛指构成物质的微观粒子）推测出“温度越高，分子无规则运动越快”，从“铅柱粘合实验”推测出“分子间存在引力”。

在本节课的教学中，我还运用了预测、分类、模型、归纳等思维方法。在学生做“酒精和水混合实验”前，让学生对实验结果进行预测，学生经过讨论得出：若分子间不存在空隙，则混合后，总体积可能是不变或增大；若分子间存在空隙，则混合后，总体积可能是不变、增大或减小。当学生通过实验发现，混合后总体积减小，则不难推测出“分子间有空隙”的结论了。为加深理解，可让学生从微观视角画出酒精和水混合的模型。从气体扩散实验、液体和固体能扩散的事实，归纳出“物质能扩散”的结论，学生再基于此进行推测。

在这节课的小结环节，我让学生对本节课的实验、观察、控制变量等科学方法进行了反思，也对推测、预测、分类、模型、归纳等科学思维方法进行了小结。这次尝试，不仅走向了用教材教，也很好地落实了学科核心素养的培养。

3

以探究实践建构思维模型

2012年，我的一个徒弟参加了浙江省衢州市初中科学优质课评比，这次比赛的课题是“大气的压强”，我作为师父全程参与了磨课。这节课有很多实验可以开展，如覆杯实验、瓶吞鸡蛋、马德堡半球实验等经典实验。这节课学生也有一些前概念，如吸饮料、吸盘挂重物、胶头滴管吸液体等与“吸”相关的应用。因此，我们设计这节课时，将以往的教师演示实验或学生按设计好的方案进行活动改成学生自己选择仪器证明大气压的存在，设计了“吸饮料”比赛，揭示其中的原理。学生将覆杯、吸了液体的滴管、变瘪的矿泉水瓶、吞了鸡蛋的瓶子分别放入钟罩，并对钟罩进行电动抽气，产生杯中水落下、滴管中液体回到烧杯、矿泉水瓶复原、瓶子吐鸡蛋的实验现象。活动开放又热闹，比赛激烈又意外，徒弟凭借扎实的基本功演绎了精彩的一堂课，并获得第一名。

这节课真的如此完美吗？通过课堂观察，我发现学生在“证明大气压存在”的环节时像是无头苍蝇，对教师的演示只有惊叹而没有思维的发展。

下课后的调查证实了我的观察，我找了几名学生问了几个问题：“证明大气压的方法是你们自己想出来的吗？”“你是怎么想到用这样的方法的？”“钟罩实验证明大气压的存在与你们设计的实验方法有相似之处吗？”结果发现，学生运用的方法是直接从教材或教辅上搬来的，根本没有一个寻找方法的清晰思路，也自然不清楚他们展示的方法与教师演示的方法间有何相通之处。这节课的设计存在问题！但我们当时却想不出解决的办法。

2013年6月，浙教版初中科学教材进行了改版，在“大气的压强”这一节增加了一个学生活动“瓶中取袋”：将一只薄膜塑料袋放入广口的瓶中，使塑料袋尽可能贴近瓶壁，将袋口沿瓶口翻过来，用橡皮筋紧紧地扎在瓶口上，试着将塑料袋从瓶内拉出。这个活动启发了我对这节课的重新构思，并进行了实践。

首先，让学生通过“瓶中取袋”活动真切体验塑料袋被外力压着而拉不出来的感觉，袋子周围只有空气，这样通过此活动就让学生感受到大气的压力，从而验证大气能产生压强。教师再演示，将橡皮筋撤去后，便能轻易地将袋子取出。设问：用橡皮筋扎或不扎，外界的大气并没有发生改变，那为何我们的感受是不同的？学生用语言很难表达，只能讲出“内外平衡”的大概意思。我让两名学生上台模拟。甲、乙两名学生蹲马步面对面站立，甲用一只手掌紧靠乙的一只手掌，其他学生判断这两位是否施力。学生们建议某一方向后退，通过观察另一方的手是否运动作出判断。教师引导学生从中抽象出“瓶中取袋”的思维模型：通过减小袋与瓶之间（塑料袋一侧）的气压，来体现外界大气压的存在。

接着，我再让学生根据这样的思维模型，自己选择仪器证明大气压的存在，并要求学生在展示时说一说“用什么方法赶走空气”“证明的大气压的方向如何”。教学中发现，学生在活动时不再像是无头苍蝇了！学生能清晰地汇报，分别用水、热空气、挤胶头、挤吸盘等多种不同的方法赶走空气。科学史上著名的马德堡半球实验也用了同样的思维模型。

还有不同的思路来证明大气压的存在吗？有了前面的思维模型作铺垫，学生很快想到反证法思维模型：使外界气压消失或减小，实验现象将复原。将水不会掉落的覆杯、吸了液体的滴管、变瘪的矿泉水瓶、倒置的吞了鸡蛋的瓶子分别放入钟罩中，用真空泵向外抽气，产生的明显现象再次佐证了大气压强的存在。

最后，进行归纳，无论是立证，还是反证，都是运用“物体两侧产生的压强差使实验产生明显的现象”这样的思维模型从而得出结论。至此，将各种各样的证明方法归为一个统一的思维模型，体现了科学这门学科思维的深刻性、简洁性和完美性。

探究实践是科学这一学科的特色，不仅要有形，更应有神。为发展学生思维而教的探究实践是核心素养背景下课程改革的新方向，我将继续努力实践。

《中国教育报》2023年06月02日第5版 

作者：陈建姣