基于思维型教学理论的科学概念问题式教学策略研究

王红艳

科学教育的目的是让学生在接受科学教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力的学科核心素养[1]。即要求学生具备综合运用所学知识与方法解决社会生活中的复杂情境问题与突发事件的高阶认知和问题解决能力。该核心素养的落实，不仅需要精心选择与组织教学内容，更需要以引导的学习者思维参与的创新型学习与教学方式为保障。思维型教学理论认为，课堂教学中师生的核心活动是思维，提出教学应遵循动机激发、认知冲突、自主建构、自我监控和应用迁移的5大基本原理[2]。2017年教育部颁布的小学及高中各类课程标准均鼓励教师在教学中采用问题式等主动教学方法落实学科核心素养[3]。问题式教学是20世纪中期美国心理学家与教育学家罗杰斯针对传统被动学习所提出一种开展主动学习的教学方法[4]。主动学习强调学习过程中学习者对现实世界相关信息的主动建构[5]。个体的主动建构产生的核心在于思维的激发，而思维来源于问题。信息加工理论认为问题是给定信息和解决目标之间存在的需要克服的障碍。这种障碍可以激发学生参与学习的欲望，启发学生积极思维，引导学生在分析问题和解决问题的过程中领悟方法，学会知识，发展能力[6]。已有研究发现，课堂教学中教师良好的问题设计能有效地激发学生兴趣，创设认知冲突，启迪学生思维，帮助学生以问题组织整合学习内容，促使学生达到更深层次学习[7]。教师在教学活动中的问题设计会涉及到问题的认知水平、等待时间、层次关系等相关属性的设计。本文基于思维型教学理论，结合教师授课环节，建立面向思维的科学概念问题教学策略，并提供具体教学案例。

科学概念的问题式教学策略

研究以思维型教学理论为指导，从动机激发、认知冲突、自主建构、自我监控、应用迁移5大基本原理出发，提出面向思维型的科学概念问题教学策略[8]，具体如图1所示。

研究构建了“创设情境问题，引发认知冲突”“开展合作探究，自主构建概念”“进行总结反思，深化概念理解”和“解决情境问题，促进应用迁移”4个环节的面向思维的科学概念问题式教学策略，并为各教学环节的问题设计提供操作技术。该教学策略，一方面关注学生参与学习的主动性。教学过程中应创设能够激发学生认知冲突的情境问题作为学生主动学习的引擎。另一方面关注学生学习中的自我监控能力。教师通过分析问题，提出假设，制订计划，收集和评估信息，得出结论，开展交流与反思的各学习阶段，逐步培养学生的元认知策略。

科学概念问题式教学策略的实施环节

创设情境问题，引发认知冲突

创设隐含科学概念的真实情境问题，激发学习者的学习兴趣与探知欲。该阶段情境与问题是其要素。情境能激发学习者的学习兴趣与探知欲。情境应尽量与学习者生活经验密切相关，且与学生原有科学概念存在矛盾，能引发学习者的认知冲突[9]。问题能引导学生从哪些方面逐步认识概念本质，形成科学观念。问题的设计，一方面应关注概念所处的大概念进阶思维能力;另一方面应具有一定的融扩性，可利用情境创设一系列有序、多类型、具有层次关系的问题链[10]。

开展合作探究，自主构建概念

设置引导问题，让学生从相关材料的感知、归纳、概括等感知基础上，应用抽象与概括的方法，形成抽象概括的科学概念。学生以合作探究的形式逐步从多个方面认知概念时，教师应创设恰当的引导问题，让学习者在相关材料加工过程中积极开展比较、归纳与概括等认知加工。该环节需要经历概念的细化与概括2个环节[11]。

概念精细化是建构概念的重要环节。教师利用正反存在矛盾的感知材料，借助不同的方法让学生在观察、实验、调查、交流的过程中产生思维的碰撞，引出新观点，形成新概念。该过程教师利用逐层分解的深层问题引导学习者在关注科学概念事实性知识的基础上，从多个角度理解相关材料，建立多个概念的联系性。

概括是依据科学概念形成的本质，是科学概念建构的关键思维。教学过程中，教师采用指向现象材料比较、分析、归纳、概括的加工过程的深层问题，并以前置问题的方式引发学生按照类别、属性等层次科学认识事物的结构、功能、变化及相互关系，从适用范围及规范性多个方面，感知概念的整体性。

进行总结反思，深化概念理解

概念理解即分析、解释概念的過程。学习者在交流过程中对概念理解的自我反思具有重要作用，学习者不仅需要调节原有认知结构与新概念进行平衡，还需要自我监控思考过程，不断调整解释范围。这一阶段的核心要素是理解与评估。

理解，学习者会通过概念自我解释发展高阶思维，对新情境问题的解决起着重要作用。为避免学生自我臆断的不科学观点，教师可采用基于实证数据的深层问题，引导学生运用科学探究实践中客观实证数据解释事物的特征或变化的原因，分析事物之间的联系及其发展特征。

评估，概念本质特征的动态性促使学习者在科学概念学习过程中要主动进行评估，并在此基础上形成科学观念。教师应该让学生在学习过程中时刻保持反思的意识，通过对认知结构中的理解和意义进行反思能支撑学生获取更深层次和更具概括性的学习和理解;对经验和结果的重新组织和思考可以加深学生对探究的理解，防止学生将探究局限于探究步骤的执行。

解决情境问题，促进应用迁移

概念迁移是学习者新科学概念在解决新情境问题，从而实现对新概念的验证、应用、巩固和提升。概念迁移，运用新概念解释新情境现象与解决新问题，是学习者对概念内容、结构的深度加工。教师可采用新情境的现象解释与问题解决的相关深层问题组织学生回顾所学的概念，在新情境中对概念内容进行编码，从内容与结构多个方面的原有认知结构，促进概念迁移的产生。

科学概念问题式教学案例分析

问题式教学策略的实施必然遵循思维型教学理论所提出的动机激发、认知冲突、自我建构、迁移应用及自我监控5大教学原理。下面以“教科版”《科学》教材3年级上册第2单元“空气”为例，具体分析教师在各教学环节中如何设计问题，进而培养学生的科学学科核心素养。

“空气能占据空间吗”教学目的是让学生通过探究活动知道空气能占据一定的空间。其教学实施过程具体如下。

创设情境问题，引发认知冲突

教师提问：同学们，我这里有一个纸团，将它浸入水中，它会怎么样？（前置问题）

教师提问：今天我们用手中的杯子保护纸团，让它在水中不湿，你们有好办法吗？想不想挑战一下？（前置问题、深层问题、情境问题）

任务挑战要求：①杯子要全部浸入水中;②纸团不可以湿;③一边做一边观察。为了防止纸团掉出来，已经将纸团粘在杯底了。

开展合作探究，自主建构概念

教师提问：纸团为什么不湿？（深层问题、情境问题）

成功的小组分享秘诀，失败的谈谈经验。

学生小结：杯子里有空气，纸团不湿。

教师提问：空气真的能占据空间吗？你如何证明里面是空气？（深层问题、问题链主问题）

设计实验，探究空气性质。

●扎孔观察

教师提问：请同学们结合空气无色、透明、无味、会流动及无处不在的性质设计实验。

特别提醒：杯子中的空气如何排出？（深层问题、问题链分支问题）

学生小组：设计底部有孔杯子的探究实验方案。

将小塑料球放入水中，用手指按住杯底小孔，竖直扣在小球上，观察杯中水面和小球的变化;然后松开手指，露出小孔，再观察杯中水面和小球的变化。

教师提问：杯中的水面和小球有什么样的变化？为什么杯中的水面先是下降，小球随之沉到水底？后來水面和小球又上升了？（深层问题、问题链分支问题）

领取材料，开始实验。

●打气观察

教师提问：如果给你打气筒，你有没有办法让小球再回到杯底？水面和小球又有什么样的变化？如何做？（深层问题、问题链递进问题）

学生领取材料，开始实验探索，记录结果，演示实验。

进行总结反思，深化概念理解

教师提问：空气真的能占据空间吗？空间是如何分布的？

学生反思：3个小实验方法是否客观，数据是否准确，证明“空气真的能占据空间”，给出结论。

教师总结：空气真的能占据空间。

解决情境问题，促进应用迁移

教师提问：利用矿泉水瓶、吸管、皮塞等材料制作一个小水枪。思考怎样设计可以将水喷出？（深层问题、情境问题）

学生探究实验，实际演示。学生利用“空气占据空间的原理”解释现象、分析失败的原因、总结制作时的注意事项。

科学概念问题式教学策略实施注意事项

问题在科学概念教学中扮演着重要的角色，是组织教学活动、启发学生思维投入与提高科学概念学习效果的重要手段，教师在开展科学概念教学时需注意以下几个方面。

首先，教师应提高深层问题的比例。教学过程中深层问题不仅对记忆与理解的低阶层面的教学目标具有促进作用，而且对运用、分析、评价与创新层面的高阶层面教学目标具有促进作用。

其次，教师应尽量采用真实情境问题作为导课、科学探究实践组织及科学概念应用迁移测评的线索。思维型教学理论认为，导课环节采用的情境深层问题，让学习者产生的认知冲突，能有效激活其内部学习动机，并促使学习者根据情境现象解析，以及问题解答的精细线索与整体结构，加工后续学习材料[12]。问题层次关系的研究结果表明，科学概念教学中，具有情境特征的问题链能帮助学习者从科学探究的主问题入手，以分支问题为支架，逐步参与概念学习的事实材料收集、归纳与概括，有效提高学习者的自我效能感及成就感，并将其积极情绪反映于材料加工的深度。教学实践证明，情境特征的问题链的应用可以关注到不同层次的学习者[13]。

第三，教师应适当延长问题等待时间。依据问题等待时间的研究结果，科学概念教学中，教师采用后续知识学习引导的前置问题的等待时间延长，可以让学习者有充足的时间激活长时记忆的问题解答相关信息的筛选与评估，体会个人原有认知的不完善，并且较为系统地感知问题的显性条件与隐性条件[14]。这些认知均会帮助学习者在后续学习中投入更高的认知努力，甚至也会依据问题的显隐性条件有组织地加工概念知识。

基于思维的科学概念问题式教学策略的教学过程，学习者会在情境问题分析、解答等过程中感知科学概念、建构科学概念、深度理解科学概念及迁移应用科学概念，进而实现科学概念的深度学习。因此，科学教师在科学概念教学中，应关注情境问题及问题认知水平深度、层次关系及等待时间的设计。