例析学科思维在初中科学概念教学中的渗透

叶秀强

[摘 要]科学概念是科学学科的重要组成部分，也是培养学科思维的基础。文章结合实例探讨比较、分析、测量、归纳、假设、推理等学科思维在初中科学概念教学中的渗透。

[关键词]学科思维;概念教学;初中科学

[中图分类号]    G633.98        [文獻标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2021）26-0082-04

概念是思维的工具，是知识结构的联结点，是学生学习的核心[1]。部分科学教师重知识、轻思维，导致学生科学概念的建构仅停留在机械记忆层面，难以深化与迁移。学生是教学活动的积极参与者和知识的建构者，要促使学生主动、自觉地学习各种新的科学概念[2]，开展渗透学科思维的概念教学尤为重要。科学概念教学中不仅要渗透学科思维，更要有意识地培养和提升学生的思维品质。

一、学科思维及科学概念内涵

学科思维指基于不同学科特点进行系统学习并不断实践、体验、内化知识的过程中需要运用的思考、解决问题的思维方式或方法。 初中科学的学科思维主要体现为比较、分析、归纳、测量、分类、预测、推理、假设、控制变量等，《义务教育初中科学课程标准（2011年版）》中要求“科学课程的教学应有一定的灵活性”，尤其指出在某个概念或原理的教学中，发现学生存在的理解上的困难，可适当调整教学的预设方案，以帮助学生理解[3]。上述这些学科思维对教学预案的调整，对提高学生的学习品质、学习效率、学习质量具有重要作用。

科学概念指高度凝练的科学知识，是人们通过抽象化的方式对所感知的事物的共同本质属性的概括。教师应立足学生的认知规律，在概念学习过程中渗透学科思维。林崇德教授认为，培养思维品质是发展智能的突破口。心理学研究也表明，思维及其品质是可以通过训练得到培养和发展的[4]。在科学概念教学中渗透学科思维，可以培养、提升学生的思维品质，让学生更自主、更积极地建构科学概念。

二、初中科学概念教学中渗透学科思维例析

1.比较、分析在概念教学中的渗透

比较法教学，是指按照事物的对立统一规律和人的认识规律，将复杂多样的事物现象和本质进行分析鉴别和综合比较的教学方法[5]。华师大版初中科学教材中，通过比较特征事物差异，分析建构科学概念的案例有很多。通过比较，能培养和提高学生的观察能力，在比较的基础上进一步运用分析思维，可促进学生深入理解和建构科学概念。

[案例1]华师大版初中科学教材八年级上册《根的形态与结构》一课中“根尖结构”概念的建构。学生在日常生活中很少关注根尖结构，尤其是根毛部位。教学中，教师也往往容易忽略或直接告知根尖结构及其相关内容。

对此，教师可先通过回顾根的相关知识，呈现六种常见植物的根的宏观实物让学生进行观察、比较、分类，再指导学生使用放大镜观察根的微观结构。学生4人一组进行实验，用放大镜观察吊兰、豆芽、蟹爪兰等植物的根毛部位，将观察到的不同植物的根毛进行图片呈现（如图1），并从中观察根毛部位的相对位置，找一找它们的共同点。

学生通过观察、对比、分析发现根的顶端到长有根毛的一侧有空白。在此基础上，教师进行总结：我们把根的顶端到长有根毛的部分称为根尖。通过寻找大量客观事物的共性得出“根尖结构”这一概念，有助于学生观察、比较等思维在概念建构中的运用。

[案例2]华师大版初中科学教材七年级上册《细胞》一课的教学中，为实现“识别动物和植物细胞”这一教学目标，部分教师直接呈现洋葱表皮细胞和人口腔上皮细胞图片并结合相关图片讲解细胞结构，使这一重要概念区分变为机械记忆，缺少学科思维的渗透，教学效果并不理想。

对此，教师可在学生实验的基础上，先通过电子显微镜呈现6种常见植物的细胞玻片图，引导学生观察、对比、交流观察到的现象，再进一步总结科学家对成千上万种植物进行观察后发现植物都是由细胞构成的。教师提问：“由‘植物都是由细胞构成的’这一结论你有何启发？”然后给学生呈现人口腔上皮细胞、人体肌肉、蛙卵等图片，学生通过观察、比较、分析，得出“动物也是由细胞构成的”这一结论。最后，同时呈现动物细胞和植物细胞的图片，引导学生从细胞层面思考导致动物和植物形态结构存在极大差异的原因，进而引出细胞各部分结构及功能。

学生通过观察、比较、分析初步得出结论，再通过质疑、多次观察和比较，运用归纳方法认同“所有动植物都是由细胞构成的”;再根据动植物细胞的异同点观察、比较，更深入地理解动物细胞和植物细胞的区别，从而较好地实现了教学目标。

以上两个教学案例均运用观察、比较的方法将两个或两个以上事物的几个方面一一进行求同求异，加深思维的深度，学生从辨析中获得有效信息，自主分析归纳，寻找共性，这也符合建构概念的规律。比较作为基础思维，是理解和解决问题的重要方法。教师要积极挖掘隐含在教材中的比较资源，在平时教学中不断进行比较思维训练，以达到深化学生概念理解，提升学生逻辑思维能力，提高学生科学素质的目的。

2.测量、归纳在概念教学中的渗透

归纳思维强调的是能够在错综复杂或者千头万绪中将关键内容抓出来，将具有类似特征的内容放置在一起，以结束混乱庞杂、交错相织的思维局面，它强调的是对共性的理解[6]。 科学是一门实证性的学科，测量是归纳的基础，初中科学概念教学中渗透测量、归纳思维，有助于培养学生的实事求是精神和创新思维。

[案例3]华师大版初中科学教材八年级上册《密度》一课，通过探究不同物体质量与体积的关系逐步建构密度概念是本节课的重点。部分教师采用播放视频或直接演示实验的方式得出密度概念，密度概念的模糊理解和建构直接影响到其他物理概念的建构与生成。

建议采用对大量真实的实验数据进行测量、汇总、归纳的方式引导学生自主建构概念。其中的难点在于从大量真实的实验数据中归纳出密度的概念。突破难点的关键在于测量数据的真实性，为此待测物体的体积不能有明显的倍数关系，若给学生准备的是完全相同的物体，可用胶带捆绑测出2个、3个物体的质量和体积，学生在实验过程中可能会直接乘以2或3得出实验结论。这样所谓的测量就毫无意义，后续的实验数据处理、分析和归纳就显得多余。

对此，教师可先出示PPT（如图2），让学生在猜测和说理中建立对密度的模糊概念，初步设想密度可能和质量与体积的比值有关。接着将全班学生分成3个大组（分别分铁块、铝块、水），9个小组，先让他们进行实验表格设计，表格中预留空白列（如表1），以便对表中数据做进一步处理时使用，然后分别对铝、铁、水等物质进行小组实验。小组实验后会呈现大量实验数据，教师可让学生对实验数据进行处理，同时归纳分析。在此基础上进行讨论：（1）所取铝块的体积由小到大，相应铝块的质量有怎样的变化规律？（2）每次测量的铝块的质量与体积之比是否很接近？比值大约是多少？铁块与水是否有类似的性质？说明了什么？

学生先通过2种金属的大致判断，得出模糊概念，再分组进行实验：3个小组取大小不同的立方体铝块3个，分别用电子秤测出它们的质量，用直尺测出边长后计算它们的体积，将测量结果填到表中。3个小组取大小不同的立方体铁块3个，用与上述相同的方法进行测量并将结果填到表1中;最后3个小组则进行水的质量与体积的测量，将所测得的实验数据填到表1中。通过对大量实验数据的归纳分析，学生得出：铝块、铁块、水的质量与体积的比值是一个定值，由此类推其他各种物质，不论是固体、液体还是气体，其质量和体积的比值相同，进而得到物质的密度概念。

密度概念建构的关键在于学生能自主理解为什么要用已知的物理量表示新的物理量。案例中先通过猜一猜活动促进学生建立密度的模糊概念，再通过大量实验数据的测量，使学生理解引入“密度”概念的真正意图。最后将所有小组的成果汇总呈现，从中寻找共性、归纳总结，促进学生主动获取新知识，并运用学科思维体验新概念的形成过程，最终将学科思维迁移至其他概念的有效建构中。

3.假设、推理在概念教学中的渗透

巧用假设、推理渗透学科概念，先创设问题情境，引导学生进行思考，尝试用实验、经验常识思考论证问题情境，在因果解释过程中进行说理，通过推理、质疑提出新的假设，在新假设的基础上创设新的问题情境，其模式如图3所示。

[案例4]华师大版初中科学教材八年级上册《构成物质的微粒》一课的教学，对“原子结构模型建构”这一环节，可按照上述假设、推理模式进行设计。

①创设问题情境。教师呈现道尔顿原子实心球模型资料，引导学生思考实心球模型是否存在漏洞。

②实验、经验常识回顾。引导学生进行笔杆吸取小纸屑实验，通过实验感知可能是笔杆与头皮摩擦产生了电子，从而对道尔顿实心球模型提出疑问，引导学生自主学习阅读材料（汤姆生发现电子）。

③因果解释，对经验（资料）、实验现象做出科学解释。由汤姆生发现电子以及原子自身不显电性这一客观事实，发现无法用道尔顿实心球模型进行科学解释。

④ 基于事实提出新的假设。学生阅读材料，猜测内部存在带正电荷的物质。在猜想的基础上，分小组进行讨论、分析，生成关于原子内部正负电荷的分布情况的新假设并进行说理（如图4）。

①创设新的问题情境。教师过渡：汤姆生建立了西瓜模型假说，原子内部结构是否真如汤姆生所设想的呢？如果你是汤姆生，你接下来该怎么做？通过搭建“支架”引导，教师出示暗箱，学生讨论如何获知暗箱中是否有物体，如果在不打开它的前提下又如何探知。展示如图5所示PPT，介绍卢瑟福模拟实验装置，展示α粒子特点，用类似的方法去轰击金箔，如果汤姆生的模型是正确的，我们可以猜测可能的α粒子的运动路径是怎样的？

②实验、经验常识回顾。学生完成探照灯照射暗箱实验，通过观察比较照射前后的变化不同得知内部有物体存在。学生进行猜想和讨论并得出结论：若汤姆生的模型是正确的，则α粒子全部穿过或者全部反弹。教师播放卢瑟福实验视频，呈现卢瑟福和他的助手看到的现象并进行解释说理。

③因果解释。对于“大部分α粒子穿过金箔”，先由学生进行说理，若有困难，可让学生感受设计的模拟实验（如图6）;对于“极少数α粒子被反弹”，可通过乒乓球撞击铅球模拟实验获得;而“少数α粒子运动轨迹发生偏转”则说明存在障碍物并且障碍物体积很小。通过因果解释，建立一个新的原子模型。在此基础上进行交流讨论，得出大部分α粒子穿过金箔说明原子内部非常空旷。若不能直接得出结论则可引导学生继续进行模拟实验。

④基于事实提出新的假设。教师再提问：原子核能否再分呢？随着科技的进步，人们发现原子核中还存在着带正电的质子和不带电的中子。

原子有核模型概念的建构过程中的每一环节都渗透了假设、推理思维，例如通过α粒子撞击金箔实验的现象，进行因果解释，建立新的假设，引出新的问题，然后实验跟进，不断经历原子模型建构的猜想、讨论、分析、评价、修正的过程，最终建构了卢瑟福原子有核模型，继而采用这种方法继续进行探索，不断地进行修正。

三、初中科学概念教学中渗透学科思维的启示

1.学科思维渗透促进概念教学本质深化

学科思维是理解科学概念的重要方式方法，思维的方法多种多样，同一概念采用不同的学科思维会有不一样的体验和成效。渗透学科思维，体现科学本质的科学概念教学，短期内可能看不到明显的改变，但从长远来看，有利于培养学生的创造能力和质疑精神，促进学生更好地理解科学本质，也有利于学生对科学概念的深度理解和解读，为学生今后建构類似概念时学科思维的迁移与应用打下基础。

2.学科思维渗透促进学生思维品质提升

低阶的、机械化的科学概念学习浪费学生的时间，降低学生的思维能力，甚至会干扰学生的理解。学生在学习相同的知识，面对相同学习要求的挑战时，每个人的表现都不相同，其原因是学生的学科思维存在差异，因此，在平时的科学概念教学中渗透学科思维，加强学生学科思维能力的培养极其重要。从初中科学学科的角度来看，教师可从比较、分析、测量、归纳、假设、推理等不同的学科思维方式着手，培养学生的思维能力，从而促进学生思维品质的提升。

总之，建构初中科学概念的方法多种多样，以上仅仅是其中一部分。当然很多科学概念的建构过程同时包含有多种学科思维方法。例如，原子模型结构的建构同时包含假设、推理等，杠杆概念的建构同时使用了测量、比较、归纳、分析等思维方法。科学概念是科学教学的重要内容，教师应基于学情将不同的学科思维融入初中科学概念教学中，充分调动学生学习的主观能动性，进而有效提升学生的思维品质。

[   参   考   文   献   ]

[1]  毕华林.初中化学概念教学的几点思考[J].化学教育，1996（9）：23-25.

[2]  王耀村.初中科学教学关键问题指导[M].北京：高等教育出版社，2016：10.

[3]  中华人民共和国教育部.义务教育初中科学课程标准（2011年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2012：6.

[4]  林崇德.培养思维品质是发展智能的突破口[J].国家教育行政学院学报，2005（9）：21-26+32.

[5]  张大松.科学思维的艺术：科学思维方法导论[M].北京：科学出版社，2008：116-129.

[6]  周飞.简谈高中生物理学科思维能力的培养[J].中学课程资源，2019（6）：55-56.

[7]  刘东晖.基于学生认知基础的科学教学[M].宁波：宁波出版社，2013：12.

（责任编辑 黄春香）