在探究各环节培养学生科学思维能力

◇孔令强 张春田（山东：肥城市教育科学研究中心肥城市龙山小学）

2022年版《义务教育科学课程标准》（以下简称“课标”）课程总目标把培养学生的科学思维能力作为重要内容，为今后教学指明了方向。如何在科学探究中培养学生的科学思维能力，是一线教师关注的重大课题。科学探究和科学思维能力有着天然的联系，但是在教学实践中，科学探究与科学思维却存在割裂状态：教师只讲科学探究，缺乏科学思维培养；只重视实验操作，不分析实验现象；只重视操作步骤，不注重逻辑关系；只注重实验结论，不反思结论的可靠程度。将科学探究等同于科学思维培养，只讲究科学探究的过程和结论，没有思考科学探究背后隐藏的科学本质，学生无法掌握必备的科学思维方法，不利于学生核心素养的发展。笔者尝试从科学探究涉及的提出问题、做出假设、制订计划、搜集证据等要素出发，探讨每个要素所蕴含的培养学生科学思维能力的内容与方法，将科学探究与科学思维融合起来，达到探究中有思维、思维中有探究的目标。

科学思维是从科学的视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式。思维是科学探究的核心，科学探究与科学思维相互伴随，科学探究中蕴含着科学思维能力的培养。

科学探究与科学思维是密切联系的。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。

科学探究的每一个要素包含的科学思维是提高学生思维能力的重要载体。思维过程与科学探究过程是共同发展的，科学探究过程是思维的内化、提升和发展的过程，培养科学思维有助于提高科学探究的深度和实效。

一、在问题提出和分析中培养学生的科学思维能力

（一）创设情境，提出问题

情境创设的目的，是使学生能够联系已有知识和经验去解决问题，鼓励学生独立思考、挑战权威、合作互动，形成主动学习、积极参与的教学氛围。创设的情境能引起学生的兴趣，激发学生的学习动机，诱发思维动机。提出问题是基于一定情境的，没有情境的问题是含糊不清、没有把握的，是胡思乱想；问题与答案是相对应的，提出问题和寻求答案是同时发生的，即问题是必须有答案的问题。提出问题的过程是思考的过程，也是把思维结果呈现出来的过程，好的问题一定具有思维价值。爱因斯坦曾经说过：“提出一个问题往往比解决一个问题更重要。因为解决问题也许仅是一个数学上或实验上的技能而已，而提出新的问题，却需要有创造性的想象力。”

在情境中提出问题，需要将生活中的问题变为科学问题，在科学思维中需要运用思维的方法。如，在《自行车胎为什么爆裂》教学中，教师创设情境：同样的轮胎，在夏天容易爆裂，在冬天不容易爆裂。学生比较两种情况下的轮胎，产生了疑惑——自行车胎爆裂与夏天和冬天有什么关系？在此过程中提出生活问题，运用比较的思维方法。然后引导学生将生活中的问题转化为科学问题——自行车胎爆裂与温度有什么关系？这一过程运用到概括的思维方法。

（二）探究联想，提出问题

科学探究是不断地提出问题和解决问题的过程，通过问题持续引发学生的思维动力。围绕问题，教师引导学生运用联想等思维方法，解决科学问题。如，在《自行车胎为什么爆裂》教学中，在选择实验材料时，教师提出问题：夏天温度怎么样？如何模拟夏天的情形？如何模拟冬天的情形？用什么代表轮胎？引发学生思考。学生采用联想的思维方法，会想到用热水或酒精灯加热模拟夏天的环境，用冷水模拟冬天的环境，用密封容器（如烧瓶等）模拟轮胎。教师继续提出问题：如何密封烧瓶呢？学生联系生活经验，想到可以用气球封闭烧瓶口、用水柱封住玻璃管口等。在实验过程中，对比在热水和冷水中烧瓶上方气球的变化、水柱的高低变化等，学生通过推理，认识到气体具有热胀冷缩的性质。

（三）课后延伸，提出问题

课堂结束，但科学探究没有终止。教师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，提出新问题，解决新问题。如，在学习完“叶的蒸腾作用”后，教师启发学生课下继续思考以下问题：光照过强对叶的蒸腾作用有什么影响呢？夜晚植物会不会发生蒸腾作用呢？茎是通过什么方式进行蒸腾作用的？根能进行蒸腾作用吗？激发学生持续探究的兴趣。随着不断探究，学生对叶蒸腾作用的理解会更加深入，意识到对蒸腾作用的认识是无限的，对蒸腾作用概念的建构是不断发展的。

二、在寻求相关变量之间关系的假设中培养学生的科学思维能力

做出假设是基于问题提出假设性答案的过程，主要是阐明变量之间的关系。学生需要通过不断测试和修正假设来构建知识。

（一）猜想阶段，建立联系

猜想并不是胡思乱想，而是基于客观事实和科学理论，通过对比联想、相似联想、相关联想、因果联想，让学生在问题与答案之间建立联系，是一种超前思维，具有猜测性。如，在《摆》的教学中，研究摆的摆动快慢与什么有关系时，教师首先出示几种不同的摆，引导学生观察摆的结构，然后让学生试着摆动几种不同的摆。让学生根据观察到的摆动现象做出猜想：摆的快慢可能与摆线长短、摆锤重量、摆角大小有关。这样的教学充分考察了影响摆动快慢的各个因素，培养了学生思维的严谨性。

（二）假设阶段，确定关键因素

假设是在对问题的洞察和理解的基础上做出的有根据的推测或判断，是问题的假定性答案。假设是试探性的，不具有决定性。假设的过程就是思维同步进行的过程，通过联想、想象、发散性思维等，从不同的角度进行思考，确定哪个自变量与因变量有关。在多个自变量中，确定因变量与某一自变量的关系，通过自变量的变化观察因变量的变化。如，在上述《摆》的教学中，学生做出猜测后，教师引导学生思考摆动快慢与摆长有什么关系。学生做出猜测，形成假设——摆长越长，摆动越慢；摆长越短，摆动越快。为后续探究做好准备。

三、在严谨计划制订中培养学生的科学思维能力

为了对假设进行证实或证伪，教师需要引导学生利用联想、分析与综合、归纳与演绎等思维方法，制订严谨缜密的计划，预测事件发生、发展的过程，为后续搜集证据确定行动路线。

（一）在现象聚焦中增强学生的证据意识

实验现象是可以借助仪器和感官观察出来的，难以观察到的现象可以运用比较法、平衡法、替代法、模拟法、转化法、放大法等，通过观察其他物体的变化，推想实验现象。如，有些物体振动产生声音的现象不明显，可以将振动不明显的音叉放入水中，观察波纹的变化，推测得出音叉的振动。在探究气体热胀冷缩时，空气是看不见的，人们可以根据受热、遇冷时气球的体积变化，推断空气体积的变化。

（二）在材料准备中培养学生转化思想

科学探究中，需要将生活情境转化为实验情境，包含类比、替代思维。如，夏天热、冬天冷的环境在实验中转化为热水、冷水；充气的轮胎转化为气球、液柱等封闭的实验装置。将生活中的物品转化为实验中可操作的物品，如，用气球密封瓶口、用塑料管和水柱密封等，满足实验的条件。

（三）在操作过程中强化学生的安全意识

实验应遵守操作规范，一方面能降低安全风险、保证实验结果的科学性；另一方面，教师知行合一的“真实验”也对学生起到良好的示范作用。如，生化类实验最基础的防护规范是“实验前后的手部卫生清洁、手套、口罩、护目镜”，启发学生思考规范操作的意义：在保护自己的同时，防范样品被自己污染。让学生领会安全操作的必要性。

（四）在意外事件处理中培养学生思维的系统性

要保证实验安全顺利进行，教师需要引导学生分析意外事件发生的可能性，做好应急预案，培养学生思维的缜密性和处理突发事件的灵活性。如，提前准备湿布和沙子，防止使用酒精灯时出现火灾。

四、在搜集证据过程中培养学生的科学思维能力

在计划实施的初始阶段，学生使用不同的调查手段和工具，利用发散思维，采用比较、分析、综合等思维方法，从多个角度搜集证据。

（一）排除无关现象，吸引学生注意力

在科学探究中，有些现象是不支持结论的，我们把这些现象称为无关现象。教师要引导学生分析无关现象，批判性地思考产生无关现象的原因，将其排除在证据之外。如，在研究压缩空气时，有的学生认为，注射器内空气体积变小是由于部分气体溢出。面对这种质疑，我们引导学生思考：假如空气溢出，将注射器放入水中推动活塞时，一定会有气泡冒出；去掉作用在活塞上的推力，注射器内的空气无法恢复到原来的体积。学生通过实验，排除了以上两种现象，说明空气没有溢出，从而消除怀疑，证明空气体积变小是因为空气可以被压缩。

（二）加强现象之间联系，形成可靠证据

科学实验探究中会出现一系列的现象或数据，它们是衡量实验效果的重要指标。我们要寻找现象间或数据间的关联，可以采用以下方法：现象附加条件，解释变化规律；现象还原条件，寻找问题根源；现象转化数据，呈现变化趋势；现象进阶本质，澄清事实真相。

（三）归纳现象，增加证据的说服力

在科学研究中，仅仅靠一种现象或一种证据不能得出科学的结论。当某种现象作为证据使用时，需搜集更多类似的现象作为支撑，才能形成具有说服力的证据。如，在研究重力现象时，我们引导学生观察身边各种物体下落时的情景，尽管物体的大小、轻重、运动轨迹各不相同，但是都会落向地面。这些现象具有相似性，体现了事物的本质，可以作为证据来使用。学生通过归纳推理和类比推理，得出“物体由于地球吸引而落向地面”的结论。

综上所述，科学探究要以科学思维为核心。科学探究不仅是技能操作训练，更是科学思维培养和发展的过程。学生思维能力的培养有助于认识科学本质、理解科学观念、解决生活问题。科学教师需要理解科学思维和科学探究的含义和特征，在科学探究的各个环节中培养学生的科学思维，从而提高学生的核心素养。