基于培养“理性思维”的初中科学教学策略——义务教育初中科学课程标准附录之“探究液体内部压强的特点”的课例评析

□黄鹏飞

（温州市教育教学研究院，浙江温州 325000）

理性思维是核心素养的重要组成部分，它要求学生崇尚真知，能理解和掌握基本的科学原理和方法；尊重事实和证据，有实证意识和严谨的求知态度；逻辑清晰，能运用科学的思维方式认识事物、解决问题、指导行为等。[1]理性思维是一种建立在证据和逻辑推理基础上的思维方式。

义务教育初中科学课程标准的附录中呈现了部分课例，它们对教学提供了重要的示范作用，现对其中的“探究液体内部压强的特点”这一课例进行评析，以探讨在初中科学教学中培养学生理性思维的策略。

一、引发观点碰撞，发展实证意识

皮亚杰认为，认知冲突的产生是认知发展的一个重要条件。产生认知冲突会导致认知结构不平衡，从而激发学生去解决冲突、产生新的平衡。引发学生之间产生观点碰撞是引发认知冲突的重要途径之一。有了观点碰撞，学生势必为证明自己观点的合理性（或者他人观点的不合理）而寻找证据支持，在证据的例举与辨析中可以发展学生的实证意识。

而要引发观点碰撞，教师应鼓励学生运用多种方式进行开放性的讨论交流，在这个过程中使学生学会理性、客观地对待他人的看法和观点。[2]58

（一）教学片段一

问题1：液体内部有没有压强？

师：例如，把一个立方体放在水中（如图1），水对立方体的各个面是否有压强？

生1：水对立方体向下有压强，向侧面有压强，向上没有压强。

生2：水对立方体各个面都有压强。师：有什么经验支持你们的猜想？生：潜入水中感受到水的压力，耳膜感受到压力，胸闷感等。

图1

（二）设计意图分析

片段一中通过把一个抽象的问题（液体内部有没有压强）首先转化成一个可视化的直观问题（水对立方体的各个面是否有压强），这样有利于学生准确理解和思考问题，因为准确接受刺激是引发认知冲突的前提。而后，不同的学生提出了不同的观点，这为观点碰撞创设了条件。接着，通过追问要求学生提出支持猜想的经验，这与科学课程标准中将提出猜想和假设这一探究要素设定的达成目标相符，即能提出猜想和简单的假设，并陈述理由。[2]14这种通过对相关经验的不断例举，不仅能进一步激发学生去辨析观点与证据的合理性，同时有利于提升学生对证据重要性的认识，有利于发展其实证意识。

二、构建证据链，发展得出结论的能力

PISA将“运用科学知识以解释科学现象，并对科学相关问题作出以证据为基础的结论”作为科学素养的重要内涵之一。[3]证据是结论的基础，证据的科学性决定着结论的科学性，运用证据是理性思维的重要基础。

证据链指一系列客观事实与物件所形成的证明链条。与单一的证据相比，由于证据链中的证据能够相互印证，因此它可以提高证据本身的有效性，同时也提高了相关结论的科学性。

初中科学教学中，教师要提升学生对证据链重要性的认识，促进其养成构建证据链的习惯，发展其得出科学结论的能力。

（一）教学片段二

设计实验验证猜想。师：怎样用实验验证你们的猜想？

例如，用图2（a）的实验可以验证液体对容器底部有压强。那么，怎样验证液体对立方体下表面有向上的压强？

图2

生1：把下端蒙有橡皮膜的玻璃管插入水中，可以看到橡皮膜向上凸出，如图2（b）。

生2：把下端有卡片的玻璃筒插入水中，可以看到水把卡片托住。

生3：把底面钻有小孔的透明塑料瓶插入水中，可以看到水从小孔向上喷涌。

（二）设计意图分析

获取证据以验证猜想从而得出结论，这是科学探究的过程要素之一。片段二结合给出的器材，要求学生设计实验以验证“液体对立方体下表面有向上的压强”这一具有争论性的观点。教学中，一位学生设计并获取了橡皮膜向上凸起的证据，但是，教师并没有就此引导学生得出结论，而是继续引导学生获取其他证据（如生2、生3的证据）。由于对相同的现象（如把下端蒙有橡皮膜的玻璃管插入水中，看到橡皮膜向上凸出）可以有不同的解释，因此需要用新的证据作出判断和进一步论证，这种系列化证据的获得过程有利于学生理解科学探究中事实与解释的关系。[2]81同时，由于这些证据真实可靠，每一个证据都支持了液体对容器底部具有向上的压强这一猜想，且证据之间能够相互印证。因此，基于获得的证据链可以得出液体对容器底部产生向上压强的科学结论，且这一结论具有高度的可靠性。

三、呈现思维过程，发展逻辑推理能力

心理学上把两个判断联系起来，从而获得一个新判断的过程，称为推理。而科学的推理必须符合逻辑。逻辑推理是科学思维的重要组成。

由于每个人的时间与精力都是有限的，所以不可能获得无限的证据去检验观点或得出结论。所以，科学教学中应重视发展学生的逻辑推理能力，即发展基于有限的证据，结合逻辑推理去预测和解释现象、得出结论的能力。而要发展逻辑推理能力，教学中必须呈现学生的思维过程，以便及时发现其中的逻辑缺陷，帮助学生修补与完善。

（一）教学片段三

问题2：液体内部压强有什么特点？

师：液体内部压强的大小可能与哪些因素有关？你是怎样思考的？

生1：因为液体内部向各方向都有压强，所以我猜想压强的大小与方向有关。

生2：在图2（b）的实验中，我发现玻璃筒插入水中越深，橡皮膜向上凸出越明显，因此我认为液体压强与所在液体内部的深度有关。

生3：因为液体产生压强与液体重力有关，而其重力与液体的密度有关，因此我认为液体压强与液体的密度有关。

要求学生利用压强计设计实验，并通过实验获取相关数据验证猜想。

从数据分析可知：同一液体内部的同一深度的各个方向上压强大小相等，并随深度的增加而增大。液体内部压强与液体的密度有关，在同一深度上，液体的密度越大，压强越大。

（二）设计意图分析

片段三中，首先通过创设“液体内部压强的大小可能与哪些因素有关？你是怎样思考的？”这一问题，不仅呈现了学生对问题的思考结果，而且也呈现了学生的思维过程。这为后续的思维完善创设了条件。而后，不同的学生呈现了不同的结果。生2提出的猜想基于实验获得的证据，比较合理。生1与生3的猜想虽然基于推理，但是由于这一过程存在逻辑缺陷，故而影响了结果的合理性。通过后续对生1、生3猜想的分析与验证，可以帮助学生确认这些猜想是错误，同时促使其认识到猜想之所以出错，其关键是推理过程中存在缺陷。在此基础上，引导学生不断弥补这些缺陷，促进其逻辑推理能力的发展。

四、促进问题解决，发展高阶思维

高阶思维，是指发生在较高认知水平层次上的心智活动或认知能力。在布鲁姆教育目标分类中表现为分析、评价和创造。[4]问题解决是学习者发现一个由先前习得的规则所组成的联合，并计划运用这些规则去获取一个新的问题情境的答案。其结果不仅仅“解决了这个问题”，而且也学会了某些新的东西。[5]在问题解决过程中，学习者必须要分析问题解决的条件，检索并提取相关的规则、概念和原理，选择合适的策略以决定何时及如何运用这些规则、概念和原理以解决问题，同时还要学习评价问题的解决效果等。所以，问题的解决过程会涉及分析、综合、评价与创造等，它是发展高阶思维的重要途径。

教学时，要基于学生的理解能力创设适切的问题，引导学生主动地思考和解决问题，同时，要预测学生在问题解决过程中遇到的挑战，并设计好一定的“支架”帮助学生自己去解决问题，并以此发展高阶思维。

（一）教学片段四

师：对此结论你有无疑惑？

生1：我认为液体的压强应当与液体重力有关，液体的重力越大，压强越大，但在结论中却没有反映这一因素，难道与液体重力无关吗？

师：这个问题提得非常好。我们怎样来检验液体压强是否与液重有关呢？

师：如果用一端蒙有橡皮膜的玻璃筒加水来实验（图3）。随着注水深度的增加，可以显示液体的压强增大，但影响压强增大的原因可以说是深度增加，也可以说是液重变大。怎样才能作出正确的判断呢？

生：将实验装置改造一下，使得水量保持相同而深度不同，或者深度保持相同而水量不同，就可进行检验了。按图3的装置进行演示，显示了深度是决定液体内部压强的因素而不是液重。

（二）设计意图分析

图3

片段四教师创设了一个让学生质疑的机会，学生提出了“液体压强难道与重力无关？”的问题。针对学生的问题，教师要求学生设计一个实验方案以解决问题，同时提供了一个“支架”——实验器材及原理介绍。针对此，学生结合先前几个实验的相关原理（如液体对容器底部有压强且压强越大则底部形变的程度越明显等），并利用给定的实验器材创造性地设计出“保持两容器中的水量相同，以观察底部的形变程度”这一实验方案，从而有效地解决了问题。这一问题解决过程涉及科学原理的运用、变量的控制、现象的观测等，同时还要通过具体操作以评价方案实施效果。因此，这一问题的解决有利于发展学生的高阶思维。

初中科学教学中，应重视以问题解决为中心，促使学生准确地理解科学知识，灵活运用科学方法，充分使用科学证据，养成严谨的科学态度，以此发展学生的理性思维。同时，通过理性思维的发展可以促进学生核心素养的进一步提升。□◢