由果及因反向建构

2020-09-02侯小英

教学月刊·中学版（教学参考） 2020年8期

侯小英

摘要：反向建构策略，区别于传统顺势而为的教学策略，不采取由点到面的教学方法，它首先呈现出整片知识生态，经过学生的设计、质疑、完善，以习得系统性知识。

关键词：反向建构;逆向思维;关键能力;高阶思维

“逆向设计”会使预期结果、关键表现以及教与学之间产生更大的一致性，从而使学生有更好的表现。研究表明，逆向思维是结果导向，以解决问题为首要目的，是学生获得创造性思维的重要组成部分和关键能力[1]。本文以“逆向设计”和“逆向思维”为指导，在初中科学教学中，采用“由果及因，反向建构”的方式，即以已知结果或者一个客观现实为起点，追本溯源，探索式学习，通过自我認知的整合，逆向推导，利用已有知识解释并加以建构形成新的认知，教师对认知活动进行引导与反馈，从而得到思维活动的一般步骤，最后再将思维方式进行应用与迁移，提高学生的高阶思维能力。

“由果及因，反向建构”教学活动以“思维活动”为核心，在课堂教学中注重深度学习，在自我建构和解释的过程中，学生的认知不再仅仅局限于浅层的知识识记层面，而是对于之前学习获得的知识进行分析、评价与创造的复杂过程，学到的知识“活”起来了，知识体系在设计、质疑和完善的过程中得到了真正的建立。

反向建构的实施过程是对知识体系的再建造，是形成评价性知识的过程，对于知识资源的整合力度大，需要学生有前期知识储备，因此这种策略在复习课中使用便得心应手。有些新课内容，虽然学生不具备新课内容的知识技能，但是学生具备基本的逻辑判断和简单的推理能力以及能够建构出新知识的元认知，在问题链的推动下，也可以实施开展反向驱动课程。因此，在新授课和复习课两种课程类型中，反向建构都能体现出其特点。不同类型的课程，使用的具体策略也有差异性。

一、基于课程观点的反向建构

（一）结构与功能相适应

科学课程的基本观点之一是结构与功能相适应，常规思维模式是从结构入手进行分析，可以得到各个部分它具备的功能。例如小肠的长度很长，并且有小肠绒毛，这与它什么样的功能相适应？这样的教学中，学生形成顺势思维，能够知道并理解内容要点。

反向建构则是将功能需求前置，进而推演出生物所应该具备的结构特点。首先创设情境，引导学生认识到小肠是我们人体消化和吸收的主要部位，将功能前置，再引导学生去建构小肠的结构特点：你觉得小肠应该具有什么样的结构特点？

通过功能特点反推生物结构特点，这样的反向建构对于学生的认知发展，特别是高阶思维的培养起到了事半功倍的效果。

心脏中瓣膜和四个腔室的结构特点是教学难点，例如瓣膜，为什么心脏中需要这样一个结构？常规方法是从瓣膜的结构入手，然后推测出它的功能，告知这样的结构是可以防止血液倒流。反向建构则要求学生通过自我探究知道瓣膜所应该具备的功能是使血液单向流动，从而逆向建构去完善心脏结构的设计。

例1 心脏的结构

正向建构策略：心脏的结构特点→对应着什么样的功能？

反向建构策略：心脏具有这样的功能→ 它应该具有什么样的结构？

（1）瓣膜知识教学演示

问题：我们的心脏结构是怎样的？你能画一画你想象中的心脏结构简图吗？

学生绘制结果展示（图1）。

质疑：心脏收缩和舒张时，血液能够按照一个方向循环吗？（图2和图3）

反向建构：为了使得血液按照同一个方向流动，你觉得需要一个什么样的装置？

学生：一个可以单向开启的阀门，就像自行车气门芯一样的装置。

教师演示单向阀装置（图4）。

学生进行模型改进（图5）。

核心概念：在心脏中，确实存在这样的“单向阀”，也就是“瓣膜”。

（2）心脏腔室建构教学演示（带一带）

学生展示心脏初步设计（图6）。

质疑：如果按照同学们这样的设计，从血液成分分析，大家觉得有什么问题？

学生：含氧量高的血液和低的血液相混合。

反向建构：为了提高效率，在心脏中实现多氧血液和缺氧血液的分离，你觉得要对心脏进行怎样的设计改进？

学生改进（图7），将心脏分成四个小房间。

核心概念：人体心脏比爬行类和两栖类动物的心脏更加高级，具有四个腔。

（二）结构决定性质

科学课程的另一项基本观点是结构决定性质，因此，也可以尝试在化学课程中采用反向建构的课程设计思路。首先呈现物质不同的性质，由学生大胆想象和设计，理解结构对性质的决定作用。例如，金刚石和石墨的化学组成一致，但是性质差异很大，在学生学习物质组成的知识模块中加以使用，可以很好地体现对学生高阶思维培养的功能。

例2 金刚石和石墨

正向建构策略：金刚石和石墨组成结构不同→具有不同的物理性质。

反向建构策略：体会金刚石和石墨具有不同的物理性质→解释原因。

教师：自然界里硬度最大的物质是什么？铅笔芯的主要成分是什么？

学生：金刚石和石墨。

反向建构：金刚石和石墨硬度差异非常大，同学们能不能从微观的角度来猜想一下原因是什么？

学生：可能是两者的组成成分不同。

教师质疑：金刚石和石墨都是由碳元素组成的。

学生：可能是两者的碳原子排列方式不同。

教师：没错，我们来看看碳原子在两种物质中的真实排布情况。

核心概念：碳原子排列方式不同导致金刚石和石墨性质有差异。

二、基于工程理念的反向建构

科学教学与工程应用是分不开的，学生需要具备基本的工程设计和组织实施简单工程的能力。工程设计中，元件工作原理的适用范围是否明晰是工程能否完成的关键，但是各部分元件的应用是一个难点，反向建构将目标明确化，对于工程元件的原理进行针对化设计体验，从而真正达到理解运用并形成评价的知识维度。

例3 研究电流与电压的关系

正向建构策略：阅读该电路图，说一说滑动变阻器在电路中的作用是什么。

反向建构策略：为了研究，我们需要多组数据来获得普遍规律，如何改变定值电阻两端电压？

教师：请同学们设计电路以研究通过导体的电流和导体两端的电压之间的关系。

反向建构：为了研究，我们需要多组数据来获得普遍规律，如何改变定值电阻两端电压？

学生：更换电池和串联一个滑动变阻器。

质疑：哪个更方便？

学生：串联一个滑动变阻器（图8）。

学生设计：滑动变阻器作用为改变定值电阻R两端电压。

核心概念：串联电路为分压电路。

STEM课程中，基于一个工程理念来建构设计方案，在日常教学中也有着非常好的效果。因为是一个真实情境中的问题，此类的反向建构课程驱动力很强，建构的结果可以进行切实的检验。

真实情境的反向建构往往是对一个客观需要进行设计，例如需要一个自动开关时，学生可以设计电磁继电器，需要显示压力大小时，可以设计带有压敏电阻的电路。

例4 电磁继电器

正向建构策略：利用电磁继电器是如何实现自动控制的？

反向建构策略：需要一个自动控制的结构，运用什么可以实现？

某入口的称重装置（图9）可以显示车辆载重信息，同时如果车辆超载，旁边的指示灯显示为红色，未超载则显示为绿色。

反向建构：请你设计一个电路，能够实现这样的自动控制。

学生：利用电磁继电器可以实现自动控制（图10）。

质疑：利用弹簧装置应用于道路有什么缺陷？有更加合理的装置进行改进吗？

设计结果：利用压敏电阻进行改进（图11）。

核心概念：电磁继电器或者干簧管都可以成为自动开关的核心部件。

三、基于物质特点的反向建构

教学中发现，虽然学生已经掌握一些物质的性质和特点，但对于某些知识点的理解始终存在困难，这是因为知识在迁移过程中出现障碍，表现出知识未形成体系，习得的知识为碎片化知识的状况，可以尝试将这部分知识转型为反向建构知识，促使学生不断思考，不断改进，逐渐达到综合和评价的思维高度，真正消除学生学习不透彻的情况。

例5 反应表面积影响反应速率

正向建构策略：反应表面积越大，反应速率越快。

反向建构策略：反应速率加快是由什么因素引起的？

教師演示：在空气中加热铁丝，铁丝发红未燃烧，利用草酸亚铁（FeC2O4·2H2O）加热分解产生的铁粉，冷却到常温后，将其撒在报纸上，发现铁屑燃烧发红，报纸冒烟起火，证明铁粉在空气中也发生了燃烧。

反向建构：原本在空气中不能燃烧的铁，为何会烧起来？请从影响反应速率的角度展开讨论。

学生：铁粉比较细，和氧气反应的接触面积大，加快了反应速率。

教师：查阅资料发现，FeC2O4·2H2O加热可分解为FeO 和CO以及 CO2，铁粉又是怎么来的呢？

学生：CO进一步还原FeO，产生了铁粉。

核心概念：反应表面积越大，反应速率越快。

四、基于科学史实的反向建构

科学史是初中科学教学中的一块重要内容，承担着学生情感态度和探究方法的教育。传统的科学史教学按照时间流程，将历史上的故事罗列呈现，起不到学生思维促进的作用，所学的知识维度较低。

反向建构模式倡导以探索者的身份走进历史，对各个时期的结论、模型展开逆向讨论。今天的结论和模型到底好在哪里？以往的又存在哪些缺陷？促使学生真正参与历史史实，真正促进高阶思维的形成。