基于科学素养的小学科学课堂教学策略改进

2017年颁布的《义务教育小学科学课程标准》(以下简称“新课标”)，明确提出了科学素养的概念，小学科学课程要按照立德树人的要求培养学生的科学素养，并为他们的继续学习和终身发展奠定良好基础[1]。如何以培养学生的科学素养为依托，积极开展教育教学改革，是一线教师必须要面对且急需解决的问题。本文从培养学生科学素养发展的视角，分析当前小学科学课堂教学中普遍存在的问题，提出教学策略改进，并通过案例加以阐述说明。

一、从培养学生科学素养发展的视角分析当前小学科学课堂教学

科学素养以“立德树人”为核心，首先要把“突出学生的主体地位”落到实处，提升学生的参与度与获得感。同时要关注学生的已有经验和学科能力，从“应试”转向“树人”。何为学生的参与感与获得感？怎样把握学生的已有经验和学科能力？如何从“应试”转向“树人”？这些问题对于能否真正落实科学素养起着至关重要的作用。下面以“水的变化”单元为例，从学科视角对以上三个问题进行阐述，并分析当前小学科学课堂教学中存在的问题。

1.关注课堂上学生的参与度与获得感

笔者在听课的过程中发现，教师在课堂上过度关注具体的科学事实与零散的知识点，探究实验流于表面，学科核心价值得不到充分体现，这些问题在实际课堂中并非个别现象。大量堆砌知识点的课堂教学，虽然表面看上去课堂信息量大，学生回答问题参与度高，课堂气氛活跃，但本质上学生很难建立有逻辑体系的知识结构，更不能获得科学思维方法和学科能力。尽管学生可以暂时通过学业考试，但随着考试的结束很快便会忘记，学生不会利用学科的思维方法分析问题，更不会解决新情境中的问题，学科能力没有得到提高。这样的课堂，实际上并没有真正提升学生的参与度与获得感。那么，学生在小学科学课堂上的参与度与获得感到底是什么？图1所示的两个教学案例是教师对“水的变化”单元内容组织的处理。

基于LoRa的城市环境数据监测可视化系统设计…………………………………………………… 崔建强，张建民，邱明杰，亓晓龙，尹子良，徐 艳（37）

例1中，教师在课堂上首先展示一杯水，告诉学生水是无色无味的，然后就按部就班将水的各种特征介绍给学生。在把水的每种特征介绍之后，分别分析这一特征具有怎样的特点，最后在学案上以填空题和选择题的形式检测学生是否理解水的变化。

图1 “水的变化”内容组织结构

例2中，教师首先让学生观察水的各种特征，形成初步认识，然后针对冰块融化这一现象进行深入解析，以实验为载体，采取问题驱动的方式引导学生分析：温度是怎样变化的？冰块的融化与温度的变化有怎样的关系？你在日常生活中，见到过类似的现象吗？教师在简要介绍水的其他状态后，让学生推理分析相关问题，最后共同将众多知识内容进行概括提升。

人类社会发展的每一次变革，都伴随着技术的进步，都离不开技术的发明创造。人类社会发展的历史，就是创新发明作为驱动力开创新时代的历史。蒸汽机是开创工业时代的驱动力，电力是开创电气时代的驱动力，那么，集成电路则是开创信息时代的驱动力。集成电路作为信息时代的核心基石，让计算机、手提电话、家用电器、交通工具、高速列车、互联网、精密医疗器械、人工智能、自动化控制等各种电子产品和系统，应运而生。集成电路代表着当今世界微细制造的最高水平，深入到国民经济和社会发展的方方面面，被喻为“工业的粮食”，是国防的安全保障，是国家综合竞争力的战略性产业。

从以上两个教学案例不难看出，例1将教学内容简单处理成并列关系，各个知识点逐一讲授给学生，知识之间没有联系，相互独立。学生在头脑中形成的就是零散的知识点，这样的教学过程缺乏逻辑、没有推理，知识之间很难建立起有效的结构体系。学生在课堂学习中没有思维过程，知识的价值难以得到体现。即使课堂气氛再活跃，授课内容再生动，学生在这样的课堂上也没有真正的参与度与获得感。例2则将教学内容组织成具有上下位关系的知识结构。以观察水的特征、测量温度变化、日常举例等科学事实作为支撑，通过问题驱动，让学生逐渐建立起一般概念，进而形成有逻辑的知识结构。教学中，教师一方面引导学生观察水的特征、开展探究实验、联系实际生活，三部分内容环环相扣，最终实现科学概念的建构；另一方面，通过教师之前的引导，鼓励学生自主分析问题，运用探究方法，提升学生对知识的理解与迁移应用。同时，在具体的科学事实基础上，帮助学生建立珍惜水资源、爱护环境的意识，鼓励他们参与环保活动，这些内容远比记忆一些具体知识更让学生受益，甚至会影响他们一生。

因此，小学科学课堂上学生的参与度与获得感不是零散知识点的简单堆砌，更不是科学结论的反复记忆，而应该是具有逻辑关联的结构化知识体系转化成的科学态度和科学能力，以及环境保护的意识和社会责任感。

2.把握学生已有经验和学科能力

基于科学素养，有助于转变当前仅以知识为本的课堂教学。要实现这一转变，首先要让教师明确，教学过程中要重视对基本内容的“夯实”与“扩展”。但这种“夯实”不是机械地反复训练，“扩展”也不是将中学学习的内容提前转移到小学科学的课堂中。这里的“夯实”与“扩展”有两层含义：一是要重视基础，只有在基础牢固的前提下，才会有助于理解学科深层次内容；二是要开阔视野，丰富的经历和体验有利于问题解决和迁移应用。因此，需要教师立足学科本质，注重概念的形成过程，尤其是利用学科知识解决实际问题和解释日常生活中现象的能力，让学生体会到所学学科的价值。

同时，教师在课堂上不仅是教授给学生学科的基础知识和基本技能，还要把握与他们已有经验的联系和学科能力的培养。这里所指的已有经验是学生以往的学习经历和实践体验。学科能力是指学生在学习科学课程的过程中所形成的、稳定的心理特征，包括科学思维方法以及解决科学问题的基本能力。例如，在“水的变化”单元，学生可能在以往的学习中学过“水”，水在0℃时会结冰，100℃时会沸腾。那么教师就可以将水的三态变化与学生的已有经验进行有效衔接，逐步放手让学生自主推导水的不同状态。教师在课堂教学中的重点不应是记住水都有哪些特征、这些特征都是什么等这些具体的科学事实，而是要深入理解这些具体知识背后隐含的价值。具体来讲：一是通过对水的颜色、状态、气味等特征的观察和描述，培养学科思维和训练探究技能；二是通过观察冰块融化过程、测量温度变化的探究实验，逐步形成一般概念并朝向建构“水中蕴藏着能量” 这一核心概念目标迈进；三是通过日常生活举例，帮助学生建立课堂学习与实际生活之间的联系，培养学生珍惜水资源、爱护环境的意识。

工人按照标准化、精细化工艺进行安装，从原先的“建造”变成了“制造”，从而大大提高了工程的精细化程度。装配式建构筑施工周期短，可在短期内竣工，工人劳动强度大幅度减小，交叉作业方便有序，施工产生的噪声降低，施工垃圾少，物料堆放场地减少，有利于环境保护。

3.课堂教学从“应试”到“树人”的转变

“新课标”明确提出培养科学素养，旨在落实立德树人这一根本任务，改变目前教育领域中普遍存在的“应试”现象。具体落实到学科，就是要紧密与学生的日常生活相联系，摒弃唯分数定优劣，以学生的学习兴趣与实际需求为出发点，为他们的继续学习和终身发展打下坚实基础。这就要求教师在小学科学的课堂上不能只关注学生对所学内容是否记住，还要看他们是否真正理解。表1所示两例为“水的变化”单元中的测试题，以此说明小学科学课堂上“应试”与“树人”的区别。

表1 “水的变化”单元测试题

教学内容例1例2水的变化一、填空题1.水蒸气变成水的过程叫( );水变成冰的过程叫( )2.雨过天晴,地面上的积水变干是( )现象;早晨草叶上出现露水是( )现象二、判断题1.水在自然界同时以三种状态存在。( )2.8摄氏度可以写成8℃。( )3.可以用体温计测量水的温度,也可以用气温计测量水的温度。( )小明在暑假学会了做面包。制作面包需要很多配料,比如面粉、水、盐、酵母等等。经过搅拌之后需要将其放入容器中静置数小时待其发酵。发酵期间会产生化学反应,酵母(单细胞真菌)会将面粉中的糖与淀粉转换为二氧化碳与乙醇(俗称酒精)1.发酵会使生面团膨胀,你认为这是什么原因造成的呢2.面包做好后,小明从冰箱里拿出一根冰棒犒赏自己,他发现冰棒周围出现很多“白气”,这是为什么

从表1可以看出，例1是以填空题和判断题的形式考查学生对具体知识点记忆的熟练程度，考的结果非对即错，学生得到的也只是分数上的区别，不能体现出学生的思维过程，这就是“应试”。例2首先设置了一个情境，学生通过阅读审题获取信息，并利用已经学过的知识进行推断，解答问题的过程体现了学生的思维过程，考查的重点不是对与错，而是理解的深与浅。该测试题关注的就是教学对学生思维方法的培养，而不是陷入“题海战术”中。只有这样才有利于学生学习能力的发展，提高他们的科学素养。

值得一提的是，广受各国关注的国际学生评估项目(PISA)也明确提出：“学生科学素养的发展应以对基本科学事实、概念和解释性理论的理解为前提。”PISA的目的不只是为了评估学生对科学事实了解多少，而是要了解学生在学习科学的过程中做了什么[2]。换句话说，就是它更关注学生如何将所学的科学知识运用到实际生活中。而目前我国学生的普遍特点是应试能力明显高于应用能力，这意味着学生在回答问题时“记忆”的成分非常大，而不是通过推理、论证得出结论。这与长期存在的“以分数论成败”的教育观念密不可分，久而久之，学生的能力发展必将受到抑制。

二、小学科学课堂教学策略改进建议

针对以上问题，小学科学课堂教学策略改进的关键是如何依托知识促进学生能力发展。教学策略改进可以着眼于以下三方面。

技术预见可以对各种资源进行有效组合与优化配置，从而有利于战略管理和决策规划，是一种致力于实现科技与经济一体化的新型手段，得到普遍接受并日趋制度化。研究发现，根据查新事实型数据库的有效推演，可以准确识别出湖北省生物医药产业的技术创新特征，基于再实践检验完成对成果的纠偏提升，实现正反馈，从而增强区域内企业发展的内生动力和活力，使技术创新成为引领湖北省企业科学发展、跨越发展的可持续动力，为区域科技企业培育工程的精准施策工作保驾护航。

1.以核心概念为引领，建构具有逻辑联系的知识层级结构

小学科学的教学内容不应是零散知识点的无序堆积，而应该是具有逻辑联系的知识层级结构(见图2)。这种层级结构使得小学科学教学不再把重点放在“是什么”的具体科学事实上，而是由下至上逐级归纳，直至形成具有统摄力的核心概念。知识层级结构有利于把握学科核心知识，这就有效解决了小学科学不同层级知识被简单处理为具体科学事实进行教学的问题。此外，这一建构过程也有利于学生科学思维的培养[3]。

（3）加强跨部门、跨行业协作。人工智能属于通用性技术，涉及面广，应用领域宽，带来的问题新，所涉及的诸多立法问题在现有的法律框架和制度体系下难以找到答案，需要综合考虑公众、社会团体、产业界、政府机构等可能受人工智能影响的群体的利益。同时，人工智能带来的很多法律问题属于跨领域问题，涉及技术标准、国家安全、伦理道理等，需要召集行业专家、法律专家和社会学家共同研究论证。因此，应加强跨部门、跨行业协作，在聚集经验智慧、形成普遍共识的基础上，推动人工智能领域的立法。

图2 小学科学知识层级结构

(1)知识层级结构的建构方法与教学价值。核心概念包括学科重要的概念、原理和方法，是对一般概念更为深层次的理解[4]。科学事实与分解概念分别位于核心概念层级之下，形成具有逻辑联系的知识层级结构。首先，针对某一教学单元，需要对其内容进行梳理，明确本单元的结构关系，划分各部分内容在教学中的意义和作用，即哪些内容是具体的科学事实，哪些内容是支撑核心概念的分解概念；其次，以核心概念为引领，将本单元相关内容纳入这一结构中；最后，尽管很多分解概念并不是在同一单元形成的，但是通过以上建构，可将这些概念建立联系，进而形成具有学科特色的知识层级结构。当学生学会对科学事实进行归纳抽象，同时能够站在较高层级理解核心概念时，其学科思维能力与解决问题能力都会得到提升。一旦学生在头脑中建立起这一结构，将会增强对学科本质的理解，进而实现对知识的迁移应用。

(2)知识层级结构的实例分析。基于以上论述，仍以“水的变化”单元为例，建构知识层级结构(见图3)。

图3 “水的变化”知识层级结构教学示意图

教学中以“水是一种常见而重要的单一物质”这一核心概念为引领，建构教学活动以“观察水的特性、测量冰块融化过程的温度、食盐的溶解”等科学事实为基础，围绕“水在自然状态下有三种存在状态，有些物质可以在水中溶解，有些物质很难溶解”这一分解概念开展教学，教师要适时对学生这一学习过程进行归纳梳理，帮助他们建构知识层级结构。一旦学生建立起对核心概念的理解，那么今后当他们学习“细胞的构成”“地球上的海陆分布状况”等内容时，就可以站在较高层级解决不同情境中的问题，进而实现对所学内容的迁移应用。

2.提供丰富的探究实验活动体验，开拓学科视野

“体验科学探究的基本过程，发展科学探究能力“是“新课标”对小学科学课程提出的重要目标之一，也是落实科学素养的途径之一。可从以下两方面作为切入点。

(1)学科内的探究实验活动体验。小学科学是以探究作为获取科学知识的主要途径，培养学生能运用科学探究方法解决日常生活中的问题。小学科学教学可以围绕观察、分类、测量、推断与预测、交流与表达、变量识别与控制、制作图表等探究过程技能组织活动，旨在让学生不仅能动手做，而且会动脑想。在实验操作过程中学会思变，让他们能够运用科学探究方法解释日常生活中的现象、解决现实中的问题，体会到所学的科学知识是有用的。例如，可以组织学生讨论“在火车站或地铁站的站台上，为什么人必须要站在1米安全线以外的位置候车？”让学生把所学过的相关知识与实际生活联系起来，使得他们对“物体运动”的认识不单一局限于书本。再如，可以让学生制作简单电路模型，在动手做的过程中理解“导体”和“绝缘体”的概念。与此同时，通过串联电路模型和并联电路模型的比较，培养学生的分析能力与概括能力。实际上，生活中所遇到的诸多问题都与科学息息相关，期刊报纸、广播电视、互联网等媒体上关于科学问题的报道，都可以作为开拓科学视野的突破口。教师不必局限于教材中的实验活动，可以通过当下发生的热点事件或者热议话题，激发学生的学习兴趣，让他们体会到所学知识的价值。

分子量为5 000～400 000的天冬多糖对人肝癌SMMC-7721细胞生长具有显著的双向调节作用：浓度≤800 mg/L时具有一定的促生长作用，浓度≥900 mg/L时则表现出一定的抑制作用；随着作用时间的延长和浓度增加，其抑制作用显著增加，存在明显的量效、时效关系，具有显著的抗肿瘤作用[14]。天冬提取物对胶质瘤干细胞(glioma stem cells，GSCs)具有显著的杀伤作用，而对正常神经干细胞没有明显的毒性作用，其可以破坏GSCs的克隆形成能力并对GSCs的克隆进行消融，还可显著诱导GSCs凋亡，但对抑制GSCs增殖的效果不是很明显，对细胞周期的影响也不大[15]。

(2)学科间的探究实验活动体验。小学科学的探究实验活动不必限于学科内，也可以通过各学科间的学习，共同建立起对科学本质的深刻理解。开设学科间的探究实验活动，它的价值不仅体现在打破学科间的壁垒、挖掘学科之间的内在联系；而且通过学科间的知识整合可以拓宽视野，实现对特定问题的分析与解决。例如，在进行“岩石”单元教学时，可以组织学生开展野外实地考察，教师可以和学生一起搜集岩石样本。让学生讨论“这些岩石的模样都是怎样的？为什么它们会变成现在的模样？”引导他们从不同学科视角分析成因，搜集并阅读相关资料；同时还可以学习分类统计的方法，以及鼓励学生进行岩石绘画创作等，加深对数学、阅读、科学以及艺术之间关系的认识，提升综合实践能力。

3.基于概念建构设计科学探究实验活动

(1)基于概念建构设计科学探究实验活动的总体思路。小学科学探究实验活动中蕴含的科学思想方法不同于初中以后的物理学、生物学、地理学等分科的学科思想与方法，而是科学探究过程中共用的技能。探究过程技能就是科学工作者在科学研究过程中必须具备的一些最基本的思维方法和操作技能。组织开展有效的科学探究实验活动可以使学生进一步加深对科学本质的认识，有利于学生形成科学的自然观和严谨求实的科学态度，更深刻地认识科学、技术、社会和环境之间的相互关系，提高学生的科学素养。基于以上思考，提出实验活动设计的总体思路(见图4)。

图4 基于概念建构的科学探究实验活动设计框架

(2)基于概念建构设计科学探究实验活动的实例。以探究实验“斜面上的水”为例，基于以上设计思路把框架展开(见表2)。此探究实验的学习目标是：“探究和观察水在斜面上的运动。”基于概念建构，以思维方法与操作技能并重为导向，以具体的科学事实作为切入点，通过科学探究实验活动，关注学生对知识内容的加工和探究过程技能的发展，在科学探究过程中，提升学生综合能力，凸显学科核心价值。

表2 “斜面上的水”实验活动设计总体思路

概念建构思维方法操作技能科学事实:水沿着斜坡流动分析:坡面倾斜度对水流动的影响观察:水沿斜坡的流动分解概念:水顺着斜坡往下流,水量越多流动越快;随着坡面倾斜度增加,水的流速加快概括归纳:水的流速与水量和坡面倾斜度有关推断与预测:水量与坡面的倾斜度是否可以无限增大核心概念:变化的目的与实验目的一致综合抽象:多个因素影响实验,有的条件相同,只有一个条件变化,得出这个变化的条件对结果的影响变量的识别与控制:实验时,必须对有关变量进行控制,才能研究自变量与因变量之间的关系新情境:探究影响小车运动快慢的因素演绎:分析“路面”情况与车身重量对速度的影响迁移应用:测量小车的运动距离

综上所述，为落实“新课标”提出“以立德树人要求，培养学生科学素养”的课程目标，小学科学课堂教学要以核心概念为引领，帮助学生建构具有逻辑联系的知识层级结构，提高学生的学习效率。与此同时，要为学生提供丰富的实验活动，让他们充分体验科学探究的过程，真正将课堂上学到的知识应用到解决实际问题中。让教学同时具备知识学习、技能训练和思维发展的多重功能，使学科的核心价值在理论联系实际的过程中得以实现。

[参 考 文 献]

[1] 中华人民共和国教育部.全日制义务教育小学科学课程标准[S].北京：北京师范大学出版社，2017.

[2] 王晨光.PISA与NAEP科学测评对我国科学教师学科知识测试编制的启示[J].北京教育学院学报(自然科学版)，2012(1)：57-60.

[3] 王晨光.义务教育小学科学课程标准解读：科学概念、术语与实验[M].北京：北京师范大学出版社，2018.

[4] Developed at Lawrence Hall of Science，University of California at Berkeley.FOSS Teacher Guide——Water[M].Published and distributed by Delta Education，2016.