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专题:新课标下科学课思维型探究教学实践

 愚然楼 2022-09-23 发表于湖南

原创 李霞 中国青少年科技教育工作者协会

新课标下科学课思维型探究教学实践

作者:李霞/浙江省杭州市基础教育研究室附属学校

《义务教育科学课程标准》(2022年版)提出素养立意、注重综合、加强实践、注重思维的价值导向,要求重视探究实践过程中学生思维的深度参与,这是目前科学教学改革的重要方向。本文从对科学教育发展历程中科学探究的分析入手,探讨科学探究的内涵,以思维型教学原理为指导,提出思维型探究的设计方法和实施要点。

对自然科学课程发展历程中科学探究的分析

在自然科学相关课程进入正规课堂的百年历程中,科学探究始终被认为是科学学习的重要方法,同时科学探究的内涵得到丰富。

19世纪中叶,以斯宾塞为代表,提出科学教育要为个体发展服务,每种学习都应该从实验入手,经过充分观察后进行推理,科学教育是为了获取知识和发展推理能力[1]。20世纪初期,杜威在《科学》杂志上发表文章,提出科学教育是要为培养社会需要的人服务,需使用归纳、演绎、数学逻辑和实证等科学方法解决实践的问题,发展思维能力[2]。20世纪下半叶,施瓦布提出科学教育要为培养有效的公民而服务,科学内容和科学方法是密不可分的,科学是因新证据出现而被修改的概念结构,学生应该以探究的方式学习科学[3]。1996年,美国《国家科学教育标准》正式提出科学探究的概念,对科学探究的内涵、方法、实施步骤作了界定,科学探究是要帮助学生获取科学知识,领悟科学方法和科学思想观念。在新一轮全球课程改革的背景下,科学课程强调对科学概念的探究建构与实践运用,强调思维探索,强调把思维探索与动手活动相结合,同时将科学教育从科学领域扩展到工程领域,提出了科学探究和工程实践。《义务教育科学课程标准》(2022年版)也明确提出培养科学核心素养要从科学观念、科学思维、探究实践和态度责任4个方面综合考虑,首次将教学中一直被忽视的科学思维列为科学素养的重要方面。

从观察、实验到归纳、演绎、数学逻辑和实证,再到探究方式的提出,再到科学探究的提出,再到探究实践、科学思维的提出,可以发现:科学教育从诞生之初就蕴含着探究的思想,科学探究从一开始就与科学思维相互伴随。作为一线科学教师,在新课标背景下如何基于科学思维开展有效的科学探究,是教学实施中面临的重要问题。

新课程背景下对科学探究内涵的再思考

《义务教育科学课程标准》(2022年版)对科学核心素养的探究实践维度进行了界定,指出了科学探究的组成要素、基本程序及本质。教学中,需要深入理解新课标中科学探究的内涵。

对新课标中科学探究内涵的解析

《义务教育科学课程标准》(2022年版)提出,“科学探究能力体现在:理解科学探究的一般过程和方法;提出科学问题,并针对科学问题进行合理猜想与假设;制订计划并搜集证据,分析证据并得出结论;对结果进行解释与评估;准确表达观点,反思探究过程与结果。”

科学探究主要包括问题、证据、解释、结论四个基本要素,一般具有提出问题、猜想假设、制订计划、搜集证据、处理信息、得出结论、表达交流和反思评价的八步基本流程。在探究教学过程中,要关注学生亲历探究解决问题,也要关注学生获得对科学探究本身的理解。

对科学探究内涵的再思考

胡卫平将科学探究的内涵定义为:这是一个复杂的教与学的实践行为,是激活学生情感与思维的实践行为,是根据事实证据建构科学解释的实践行为。从科学探究的目标和结果来看,不仅要帮助学生形成科学探究能力、理解科学探究、形成科学观念,还要领悟科学的研究方法[4]。从以上对科学探究内涵的界定可知,科学探究的本质是认知建构的过程,是科学思维的过程,是合作交流的过程,是情感互动的过程。科学探究不仅仅是对学生操作技能的培养,也不仅仅是一套学生能背出来的标准化操作程序。

科学探究是一套动手实践的操作体系。它起源于一个学生可以研究的科学问题,在寻找问题答案的过程中,学生围绕问题提出初步假设,针对假设开展观察、测量、实验、调查等活动,获取信息和证据后,运用归纳、推理、论证、建模等思维方法进行解释,最后通过教师与学生之间的交流与论证,形成共识。

科学探究是一套深入思考的方法体系。它是属于科学学科的一套独特的方法体系,需要将动手实践的过程与科学方法、科学思维建立连接。能够支撑科学探究的科学方法主要包括观察、实验、测量、推理和解释等,具有科学学科特点的思维方法主要包括科学推理、建构模型、科学论证和质疑批判。

综上可见,动手实践是科学探究的外显部分,科学方法是科学探究的内隐部分,而科学思维则是科学方法的重要组成部分,科学探究的过程既是动手实践的过程,也是科学方法的运用过程,还是科学思维的过程。在探究过程中,始终伴随着思考,始终不断推进着学生推理论证能力、模型建构能力、批判性思维和问题解决能力的发展。科学课堂需要实施思维型探究。

思维型探究的教学设计

作者经过多年课堂实践,基于思维型教学原理提炼了思维型探究教学模式,即在一定的教学思想、教学理论指导下,围绕教学目标,在一定的教学资源支持下,形成的具有相对稳定结构的教学范型。它是对复杂教学组织方式的简约表示,体现了教育价值取向,决定了行为规则,整合了教学方法和策略,是教师设计课堂教学的重要抓手[5]。一定的教学模式体现一定的教学理论或教学思想,它不仅包括教学流程,还包括相应的教学目标、适切的评价标准和匹配的教学资源。同时,教师应具备相应的专业素养,并能营造良好的师生关系。

思维型探究教学模式的教学流程

思维型探究教学模式以思维型教学原理作为理论指导。思维型教学原理是由动机激发、认知冲突、自主建构、自我监控、迁移应用5个基本原理组成的有机统一整体,既存在逻辑顺序,又互相渗透[6]。思维型探究的教学设计包括5个基本环节,分别为“情境创设与问题提出”“作出假设并制订计划”“收集证据与信息处理”“得出结论与表达交流”和“总结反思与迁移应用”。5个基本原理支撑科学探究过程中的不同阶段,在不同阶段中都有科学思维的深度卷入(表1)。思维型探究要求在探究过程中,科学思维深度参与,凸显对科学本质的理解。

思维型探究教学模式的评价标准

基于思维型教学原理,思维型探究的4条评价标准贯通整个探究过程(图1)。

图1 思维型探究的评价标准

教学导入诱发思维动机。教师需要创设有利于学生积极思维的教学情境,提出恰当的探究问题,激发学生的学习动机。

教学过程引发思维动力。明确学生可以探究的问题,并围绕问题设计能够引发学生认知冲突的层级性问题,遵循科学探究的基本程序,动用科学思维方法,引导学生亲历探究过程。

教学反思触发思维监控。引导学生对科学探究过程、方法、结论进行反思与交流,使得学生对掌握及运用的知识和方法进行监控和调节。

应用拓展激发思维迁移。需要引导学生将获得的科学概念、探究实践技能和思维方法迁移应用到新的情境中,解决新问题。

思维型探究教学模式的教学资源

思维型探究是学生主动建构概念、解决问题的过程,教师需要提供能够帮助学生进行主动探究的系列资源,课堂教学时可以依托3种学习单支持学生的主动思维和深入探究。

3种学习单分别为学习目标单、学习支持单和素养评价单(图2)。学习目标的设计要聚焦科学核心素养的各个方面,从以往的三维目标转变为新课程下的素养目标,特别是如何把科学思维方法目标提炼出来,对教师而言是一个挑战。教学设计时,只有准确提炼科学思维方法,才可能在探究活动中有效触动学生思维的深度参与。学习支持单是课堂上供学生探究使用的实验记录、观察记录、调查记录、科学阅读资料等,学习支持单的设计要基于目标,要由有效的驱动性问题链构成主线,在问题的支撑下,帮助学生实现自主探究,使学生完成低阶思维到高阶思维的过渡。素养评价单要基于学习目标进行设计,聚焦概念的深度建构和问题的解决。3种学习单的设计要紧紧围绕科学核心素养,实现教学评价的一致性。

图2 思维型探究的教学资源

思维型探究教学模式的师生关系

在思维型探究过程中,教师与学生既是课堂的共同设计者,也是科学探究的共同亲历者,教师要对学生的思维过程、思维特点及如何发展学生的思维进行监控,进行主动设计。教师需要关注学生学习的思维过程,帮助学生学会表达自己的思维过程,可以是口头表达、图画表征,还可以利用学习单帮助表达;尊重学生的思维特点,将学生的自主探究与合作探究进行合理安排,促进学生的思维互动,提高思维参与度;发展学生的思维监控,为了保证达到预设的素养目标,要引导学生将自己的思维本身作为思考的对象,养成主动控制和调节的能力,完善学生的思维方式和思维品质。

思维型探究的操作要点

思维型探究的过程以解决科学问题为起点,以发现其中的属性、关系和规律为终点。在学生探究过程中,要特别注重证据收集和推理论证的指导。

围绕问题,注重对学生证据收集的指导

科学以实验证据解释客观世界的运行机制和事物发展的变化规律。要创设良好的环境条件,提供结构化的实验材料,帮助学生完成证据的收集。学生可以在实验室、自然界、图书馆或其他场所,通过观察、测量、调查、动手操作获得证据。教学时应关注以下几点:①证据的收集通常需要围绕学生对问题的解释性假设展开,需借助实验仪器、实验器材等。②小学生对事物变化和发生原因的假设通常较为简单,经常表达为是或否、有或无,教师需要耐心引导,切忌拔高。③教师需要提前精心准备,提供结构化的实验材料帮助学生完成证据的收集。

基于证据,注重对学生推理论证思维的指导

基于证据进行推理论证的过程,是学生概念知识建构的过程,是一种较为复杂的认知过程。需要学生进行证据与结论之间的科学推理,需要对自己的论证展开批判性思考,需要在与其他同学进行交流与分享、辩护与反驳的过程中逐渐建构概念。推理论证能力体现在基于证据与逻辑,运用分析与综合、比较与分类、归纳与演绎等思维方法,建立证据与解释之间的关系并提出合理见解。

推理有归纳推理和演绎推理2种形式。

演绎推理的过程大致有以下几个步骤:确定是哪个因素或变量与所解决的问题有关;分析该变量产生作用时,必须具备的前提条件是什么;如果条件符合,就进一步依据获得的证据进行推理。

归纳推理通常经历以下几个步骤:仔细观察和分析收集到的信息或数据,不急于得出结论;对几组信息或数据间的联系或规律进行对比,抽取其共同点;尝试说明所发现的共同点,得到某个结论;通过重复验证,确定结论是否正确。

论证指基于证据的论证,构建令人信服的论点,支持或反驳对科学现象的解释。论证时,要注重指导学生分清什么是观点、什么是事实;能利用模型的思想分析事物的特征及结构,在事实与观点之间建立联系;能利用抽象概括的方法发现事物的本质特征,能比较全面地分析问题的各种影响因素,进而获得结论。

下面以“力对物体运动状态的改变”思维型探究教学为例说明。

在情境创设环节,学生观察生活中人骑自行车、风吹小风车转动、水流推动水车转动等现象,联系自己的生活经验很容易作出解释:给物体施加力,物体能够运动起来,而且力越大物体运动越快。

在认知冲突环节,教师演示实验:给小车施加拉力,这个拉力来自曲别针的重力,1个、2个、3个……20个……学生发现小车并不能运动,并不是只要给物体施加力就一定能运动起来,这与最初的解释相悖,引发认知冲突,使学生将探究聚焦于力与运动的整个过程。

在自主建构环节,学生首先要明确假设,确定哪个变量与问题有关,并分析这个变量产生作用的前提条件;实验设计时,要选择实验材料,控制起点、终点,准确操作计时器,设计好记录表格;对获得的数据进行分析时,要进行归纳推理和演绎推理,并与同学论证自己的结论。

在自我监控阶段,学生从探究过程、思考方法、数据收集、小组合作等方面进行分享交流。

在拓展迁移阶段,学生用获得的概念、方法、技能解决实际问题,例如制作气球动力小车、橡筋动力小车、重力小车等,实现对科学概念、探究技能、思维方法的迁移应用,发展问题解决能力。

聚焦科学核心素养发展的科学课程与教学,对每位教师都提出了新的挑战,思维型探究教学明确了思维深度参与探究的教学模式及操作要点,能有效培养学生的批判性思维和问题解决能力,培养科学精神。使学生在探究过程中体会科学知识产生的过程,潜移默化地理解科学的本质。

参考文献

[1] 赫·斯宾塞.教育论:智育、德育和体育[M].胡毅,译.人民教育出版社,1962.

[2] J. Dewey. Science as Subject - matter and as Method [J]. Science,1910.

[3] (美)韦斯特伯里,威尔科夫主编.科学、课程与通识教育——施瓦布选集[M].郭元祥、乔翠兰主译.中国轻工业出版社.

[4] 胡卫平.思维型科学探究教学的理论建构[J].课程·教材·教法,2021(06).

[5] 李霞.核心素养价值取向的科学教学模式研究[J].课程·教材·教法,2018(05).

[6] 林崇德,胡卫平.思维型课堂教学的理论与实践[J].北京师范大学学报(社会科学版),2010.

原文刊载于《中国科技教育》2022年第6期专题栏目,作者:李霞/浙江省杭州市基础教育研究室附属学校。中国青少年科技辅导员协会会员可点击“阅读原文”登录杂志官网免费浏览全文。

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原标题:《专题:新课标下科学课思维型探究教学实践》

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