以探究實(shí)踐促進(jìn)科學(xué)思維的提升

個(gè)人簡(jiǎn)介

陳建姣，浙江省衢州風(fēng)華學(xué)校初中科學(xué)教師，正高級(jí)教師，浙江師范大學(xué)兼職教授，浙江省教育學(xué)會(huì)中學(xué)科學(xué)教學(xué)分會(huì)常務(wù)理事，長(zhǎng)三角教研聯(lián)盟專家，浙江省特級(jí)教師，浙江省萬(wàn)人計(jì)劃教學(xué)名師，教育部新時(shí)代中小學(xué)名師培養(yǎng)對(duì)象。在科學(xué)探究開放性、體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)的科學(xué)教學(xué)等方面開展了較深入的實(shí)踐。

“探究實(shí)踐是科學(xué)這一學(xué)科的特色，不僅要有形，更應(yīng)有神。‘’   

    浙江省初中段實(shí)行綜合科學(xué)課程的改革已走過30多個(gè)年頭，我從1996年大學(xué)畢業(yè)至今一直任教初中（自然）科學(xué)?！昂椭C平等、激情帶動(dòng)、突出本質(zhì)、互動(dòng)生成”是我的教學(xué)主張，其中“突出本質(zhì)”體現(xiàn)的是科學(xué)這一學(xué)科的特色，而科學(xué)探究是科學(xué)本質(zhì)的重要方面。從2011年版初中科學(xué)課標(biāo)的“科學(xué)探究”到2022年版義務(wù)教育科學(xué)課標(biāo)的“探究實(shí)踐”，我都依標(biāo)努力實(shí)踐。體現(xiàn)科學(xué)探究實(shí)踐的科學(xué)課深深地吸引著我的學(xué)生。探究實(shí)踐既是科學(xué)學(xué)習(xí)的內(nèi)容，也是學(xué)習(xí)科學(xué)的重要方式。經(jīng)過深入的實(shí)踐與反思，我也領(lǐng)悟并踐行了“通過探究實(shí)踐促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的提升”這一學(xué)科育人目標(biāo)。探究實(shí)踐如何促進(jìn)科學(xué)思維的提升？下面，與大家分享幾個(gè)與探究實(shí)踐相關(guān)的教學(xué)故事。

1

以探究實(shí)踐轉(zhuǎn)變思維方式

“遺傳與進(jìn)化”是浙教版科學(xué)教材九年級(jí)下冊(cè)第1章《演化的自然》第5節(jié)的內(nèi)容，其中“遺傳”部分包括“遺傳和變異現(xiàn)象”“遺傳物質(zhì)的傳遞”兩部分。DNA、基因及基因?qū)π誀畹目刂剖恰斑z傳”部分的重要內(nèi)容。在教學(xué)實(shí)踐中，根據(jù)自己對(duì)教材的理解，并依據(jù)學(xué)生在此之前學(xué)習(xí)了大量能支持“結(jié)構(gòu)決定功能”的相關(guān)科學(xué)事實(shí)，我結(jié)合DNA的結(jié)構(gòu)模型圖介紹DNA分子的結(jié)構(gòu)，之后便快速進(jìn)入“基因”的教學(xué)，強(qiáng)調(diào)“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(jī)遙控控制電視音像特點(diǎn)”類比“DNA上的基因控制生物的性狀”，以便學(xué)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(duì)應(yīng)性”。

然而，上述教學(xué)，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果并不佳。在“具體情境中，考查基因?qū)π誀钇鹂刂谱饔谩钡臏y(cè)評(píng)中，學(xué)生依然會(huì)弄不清楚性狀與基因的對(duì)應(yīng)關(guān)系，弄不清楚性狀不同是因?yàn)榛虿煌瑢?dǎo)致的。

反思上述教學(xué)，教師雖然采用了直觀教學(xué)法、類比教學(xué)法，而學(xué)生是從“結(jié)構(gòu)決定功能”這一共通概念演繹到基因的學(xué)習(xí)中——性狀的不同是由基因的不同結(jié)構(gòu)決定的，但學(xué)生對(duì)基因的結(jié)構(gòu)卻不了解，缺乏相應(yīng)的證據(jù)支持。那如何讓學(xué)生獲得形象的證據(jù)支持，又不超初中的課標(biāo)要求呢？

在一次校內(nèi)的名師教學(xué)展示活動(dòng)中，我對(duì)這節(jié)課進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。通過以下環(huán)節(jié)組織學(xué)習(xí)：學(xué)生搭建DNA分子模型；學(xué)生介紹DNA分子的基本結(jié)構(gòu)單位；學(xué)生介紹每個(gè)基本單位的結(jié)構(gòu)組成；觀察所給模型，推測(cè)不同基因的主要區(qū)別?！懊撗鹾塑账岬慕Y(jié)構(gòu)”并不作知識(shí)的要求，只是作為認(rèn)識(shí)基因結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。當(dāng)學(xué)生建立起“不同的基因，其結(jié)構(gòu)是不同的；不同結(jié)構(gòu)的基因決定了不同的性狀”的認(rèn)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(jié)構(gòu)化板書中。

在改進(jìn)后的教學(xué)中，我運(yùn)用了模型開展探究實(shí)踐，而這樣的探究實(shí)踐不僅成功構(gòu)建了基因的概念，更促進(jìn)了思維方式的轉(zhuǎn)變。初中科學(xué)的學(xué)習(xí)是沿著“尋找證據(jù)”到“建立概念”的方向進(jìn)行的，而非完全通過抽象的演繹來(lái)建構(gòu)概念，即便是“基因”這樣的抽象概念。

2

以探究實(shí)踐培養(yǎng)思維方法

“物質(zhì)的構(gòu)成”是浙教版科學(xué)教材七年級(jí)上冊(cè)第4章《物質(zhì)的特性》第1節(jié)的內(nèi)容，該內(nèi)容包括“物質(zhì)由分子構(gòu)成”“分子之間存在空隙”“分子處于不停的運(yùn)動(dòng)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(kuò)散實(shí)驗(yàn)”“液體擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)”“鉛柱粘合實(shí)驗(yàn)”等豐富的探究實(shí)踐活動(dòng)。

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

在一次浙江省的“百人千場(chǎng)”送教活動(dòng)中，我對(duì)這節(jié)課進(jìn)行了新的嘗試。在這節(jié)課中，我以知識(shí)為明線、以科學(xué)思維方法為暗線來(lái)組織。

學(xué)生在觀察方糖活動(dòng)中，當(dāng)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(shí)我問學(xué)生：“蔗糖還存在嗎？”“還存在的蔗糖為何不見了？”學(xué)生馬上回答：“這時(shí)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?，你是怎么確定的呢？”這時(shí)，學(xué)生無(wú)言以對(duì)了。隨即，我接過話題，“科學(xué)史上，也是因?yàn)榉肿雍苄。?jīng)無(wú)法直接觀察到它，導(dǎo)致阿伏加德羅提出的分子學(xué)說(shuō)直到他去世，仍然沒有被大多數(shù)化學(xué)家所承認(rèn)?！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(xué)，為科學(xué)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(cè)無(wú)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(cè)出“分子間存在空隙”，從歸納出的“物質(zhì)能擴(kuò)散”逐級(jí)推測(cè)出“分子是會(huì)運(yùn)動(dòng)的”“分子處在不停的運(yùn)動(dòng)中”“分子在不停地做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)”，從“高錳酸鉀在熱水中的擴(kuò)散比在冷水中快”（用高錳酸鉀消毒片替換教材實(shí)驗(yàn)中的紅墨水，以便學(xué)生操作；而本節(jié)內(nèi)容的分子泛指構(gòu)成物質(zhì)的微觀粒子）推測(cè)出“溫度越高，分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)越快”，從“鉛柱粘合實(shí)驗(yàn)”推測(cè)出“分子間存在引力”。

在本節(jié)課的教學(xué)中，我還運(yùn)用了預(yù)測(cè)、分類、模型、歸納等思維方法。在學(xué)生做“酒精和水混合實(shí)驗(yàn)”前，讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)，學(xué)生經(jīng)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(dāng)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，混合后總體積減小，則不難推測(cè)出“分子間有空隙”的結(jié)論了。為加深理解，可讓學(xué)生從微觀視角畫出酒精和水混合的模型。從氣體擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)、液體和固體能擴(kuò)散的事實(shí)，歸納出“物質(zhì)能擴(kuò)散”的結(jié)論，學(xué)生再基于此進(jìn)行推測(cè)。

在這節(jié)課的小結(jié)環(huán)節(jié)，我讓學(xué)生對(duì)本節(jié)課的實(shí)驗(yàn)、觀察、控制變量等科學(xué)方法進(jìn)行了反思，也對(duì)推測(cè)、預(yù)測(cè)、分類、模型、歸納等科學(xué)思維方法進(jìn)行了小結(jié)。這次嘗試，不僅走向了用教材教，也很好地落實(shí)了學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

3

    以探究實(shí)踐建構(gòu)思維模型

2012年，我的一個(gè)徒弟參加了浙江省衢州市初中科學(xué)優(yōu)質(zhì)課評(píng)比，這次比賽的課題是“大氣的壓強(qiáng)”，我作為師父全程參與了磨課。這節(jié)課有很多實(shí)驗(yàn)可以開展，如覆杯實(shí)驗(yàn)、瓶吞雞蛋、馬德堡半球?qū)嶒?yàn)等經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。這節(jié)課學(xué)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(guān)的應(yīng)用。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)這節(jié)課時(shí)，將以往的教師演示實(shí)驗(yàn)或?qū)W生按設(shè)計(jì)好的方案進(jìn)行活動(dòng)改成學(xué)生自己選擇儀器證明大氣壓的存在，設(shè)計(jì)了“吸飲料”比賽，揭示其中的原理。學(xué)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(duì)鐘罩進(jìn)行電動(dòng)抽氣，產(chǎn)生杯中水落下、滴管中液體回到燒杯、礦泉水瓶復(fù)原、瓶子吐雞蛋的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象?；顒?dòng)開放又熱鬧，比賽激烈又意外，徒弟憑借扎實(shí)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(xué)生在“證明大氣壓存在”的環(huán)節(jié)時(shí)像是無(wú)頭蒼蠅，對(duì)教師的演示只有驚嘆而沒有思維的發(fā)展。

下課后的調(diào)查證實(shí)了我的觀察，我找了幾名學(xué)生問了幾個(gè)問題：“證明大氣壓的方法是你們自己想出來(lái)的嗎？”“你是怎么想到用這樣的方法的？”“鐘罩實(shí)驗(yàn)證明大氣壓的存在與你們?cè)O(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方法有相似之處嗎？”結(jié)果發(fā)現(xiàn)，學(xué)生運(yùn)用的方法是直接從教材或教輔上搬來(lái)的，根本沒有一個(gè)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(shè)計(jì)存在問題！但我們當(dāng)時(shí)卻想不出解決的辦法。

2013年6月，浙教版初中科學(xué)教材進(jìn)行了改版，在“大氣的壓強(qiáng)”這一節(jié)增加了一個(gè)學(xué)生活動(dòng)“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(lái)，用橡皮筋緊緊地扎在瓶口上，試著將塑料袋從瓶?jī)?nèi)拉出。這個(gè)活動(dòng)啟發(fā)了我對(duì)這節(jié)課的重新構(gòu)思，并進(jìn)行了實(shí)踐。

首先，讓學(xué)生通過“瓶中取袋”活動(dòng)真切體驗(yàn)塑料袋被外力壓著而拉不出來(lái)的感覺，袋子周圍只有空氣，這樣通過此活動(dòng)就讓學(xué)生感受到大氣的壓力，從而驗(yàn)證大氣能產(chǎn)生壓強(qiáng)。教師再演示，將橡皮筋撤去后，便能輕易地將袋子取出。設(shè)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(xué)生用語(yǔ)言很難表達(dá)，只能講出“內(nèi)外平衡”的大概意思。我讓兩名學(xué)生上臺(tái)模擬。甲、乙兩名學(xué)生蹲馬步面對(duì)面站立，甲用一只手掌緊靠乙的一只手掌，其他學(xué)生判斷這兩位是否施力。學(xué)生們建議某一方向后退，通過觀察另一方的手是否運(yùn)動(dòng)作出判斷。教師引導(dǎo)學(xué)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(cè)）的氣壓，來(lái)體現(xiàn)外界大氣壓的存在。

接著，我再讓學(xué)生根據(jù)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(xué)生在展示時(shí)說(shuō)一說(shuō)“用什么方法趕走空氣”“證明的大氣壓的方向如何”。教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在活動(dòng)時(shí)不再像是無(wú)頭蒼蠅了！學(xué)生能清晰地匯報(bào)，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(xué)史上著名的馬德堡半球?qū)嶒?yàn)也用了同樣的思維模型。

還有不同的思路來(lái)證明大氣壓的存在嗎？有了前面的思維模型作鋪墊，學(xué)生很快想到反證法思維模型：使外界氣壓消失或減小，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象將復(fù)原。將水不會(huì)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(chǎn)生的明顯現(xiàn)象再次佐證了大氣壓強(qiáng)的存在。

最后，進(jìn)行歸納，無(wú)論是立證，還是反證，都是運(yùn)用“物體兩側(cè)產(chǎn)生的壓強(qiáng)差使實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生明顯的現(xiàn)象”這樣的思維模型從而得出結(jié)論。至此，將各種各樣的證明方法歸為一個(gè)統(tǒng)一的思維模型，體現(xiàn)了科學(xué)這門學(xué)科思維的深刻性、簡(jiǎn)潔性和完美性。

探究實(shí)踐是科學(xué)這一學(xué)科的特色，不僅要有形，更應(yīng)有神。為發(fā)展學(xué)生思維而教的探究實(shí)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(shí)踐。

《中國(guó)教育報(bào)》2023年06月02日第5版