核心素养视域下提升学生思维品质的教学策略研究

陆可丹

摘 要：科学思维是科学核心素养的重要组成部分，主要包括模型建构、逻辑推理、科学论证、质疑创新等。培养学生思维的主阵地是课堂。本文以《物体的内能》一课为例，阐述从核心素养的视角定位学习目标，聚焦挑战性任务激发学生的学习意愿，通过“类比建构概念”“逻辑推理论证”“聚焦问题解决”“整合思维模型”等策略，让学生的思维得到递进式的训练，从而提升思维品质。

关键词：核心素养；思维品质；物体的内能

【中图分类号】G633          【文献标识码】A             【文章编号】2097-2539（2023）07-0243-03

1.问题的提出

“核心素养”是课程改革的重要依据，义务教育科学课程标准指出科学课程要培养的学生核心素养，主要是指学生在学习科学课程的过程中，逐步形成适应个人终身发展和社会发展所需的正确价值观、必备品格和关键能力。课标第一次明确地把科学思维作为科学核心素养之一，这是一个重大突破。科学思维是关键能力的核心，因此发展思维应是科学教学的核心活动。思维应用的本质是解决学科认知问题。教师理应由过去所强调的针对“知识本位”的教学，转向“素养本位”，即聚焦于学生思维能力与问题解决能力的培养。将事实性知识与方法性知识有机结合，引导学生进行深度学习，实现学习知识与提升思维能力的互构。杜威认为：“好的教学必须能唤起儿童的思维。”科学思维能力的发展需要以理解核心概念为基础，并在探究实践的过程中通过运用科学方法得以锻炼。笔者通过有效把握学生的学习起点，创设熟悉的情境激活思维，聚焦挑战性任务激发学习意愿。将已有的科学认知和在课堂中提供的事实与条件作为载体，引导学生进行思维推演。同时在运用观察和实验等科学方法进行自主建模的过程中，鼓励学生大胆质疑、追求創新，培养学生基于实证得出科学结论的能力。最终通过展示交流评价，达到提升学生思维品质，落实科学核心素养的目的。

2.教学策略的实践研究

（1）类比建构概念，开启思维之门

教育是允许被遗忘的，教师不该要求学生死记硬背具体的知识，而是要鼓励他们透过知识去把握、洞察、挖掘其中蕴含的思维方式和价值观。学生在七、八年级已经初步掌握内能的宏观表现——温度和物态变化，具备了内能的理论基础——分子的热运动。内能是学生后续学习比热容、热值和热机等知识的基础。因此本节课的学习目标主要是运用分子运动、相互作用和机械能的知识类比建立“内能”的概念，学习从实验事实出发，探索和体验改变内能的两种方式，利用内能阐述热传递和做功过程中的能量转移和转化过程。内能与机械能相比不直观，对学生来说更抽象。为了更好地帮助学生建构内能的概念，教材中运用了机械能中的动能、势能与分子动能、势能作类比。

【教学片段一】

◎新课导入

向水中滴入一滴红墨水，现象：过一段时间整杯水都会被染红。说明分子在不停地做无规则运动。

①运动的物体具有动能→运动的分子也具有动能，称为分子动能。

②拉伸或压缩的弹簧会产生弹力，具有势能→水分子之间具有相互作用力：引力和斥力。分子也具有势能，称为分子势能。

③物体的动能和势能之和称为机械能→构成物体所有分子热运动的动能和势能之和称为内能。

◎概念辨析

①只有“热”的物体才具有内能吗？物体的内能可以为零吗？答：从冰冷的冰山和炽热的铁水都具有内能来说明内能的普遍性，而不是只有“热”的物体才具有内能。继而把宏观量（温度）与微观机理（分子的无规则运动）联系起来。物体内部的分子始终在不停地做无规则运动，因此尽管物体宏观上静止，机械能为零，但是内能不为零。

②同一物体，内能的大小和什么因素有关？答：温度越高，分子运动越剧烈。物体温度实质表征了物体内部分子无规则运动的剧烈程度，引导学生认识到物体温度升高时内能增加，温度降低时内能减少。

借助层层递进的类比和概念辨析为学生搭建了新旧知识间的桥梁，引导学生在对旧知进行迁移运用的基础上自主建构并深化“内能”这一核心概念。

（2）逻辑推理论证，夯实思维之基

动手、思考、感悟比知识本身更重要。著名物理学家劳厄说过：“重要的不是获得知识，而是发展思维能力。教育无非是一切学过的东西都遗忘掉的时候剩下来的东西。”要让学生记住“做功和热传递可以改变物体的内能”这一结论很简单，但是这必然会导致学生对内能这一核心概念的理解只停留在表面，并存在很大的局限性。在面临真实的问题时通常会束手无策，不能很好地将理论知识转化为解决实际问题的能力，这意味着学生对科学本质的理解不够到位。笔者利用感温油墨进行实验创新，帮助学生探寻改变物体内能的方法。引导学生通过合理分析实验现象，基于事实和证据对问题进行描述、解释，发展科学思维并培养学生的实证意识。

【教学片段二】

任务一：尝试改变物体的内能

器材：涂有感温油墨的金属片、热水、酒精灯

知识卡片：当金属片温度高于40℃时，红色的感温油墨便会慢慢褪去。

◎学生实验

①将金属片放入热水中使金属片内能增大

②用酒精灯加热使金属片内能增大

◎思考问题

①如何判断金属片的内能增加了？

②金属片上各部分是不是同时达到相同的温度？有何证据？

③这些方法中内能是怎样变化的？（即内能从哪里来？）

◎归纳总结

热量会从高温物体传递给低温物体；高温物体的温度会降低，低温物体的温度会升高。

◎得出结论

热传递可以改变物体内能。热传递具有方向性，热量从高温物体传向低温物体，在同一物体中是由高温端传向低温端。在热传递中只有能量的转移，没有能量的转化。

感温油墨的变色可以帮助学生借助直观的现象将物体的内能与温度这一宏观表现联系起来，建立当物体温度升高时，内能增大的认知。结合冬天使手变暖的方法，如捂热水袋、烤火等，都是通过热传递的方式增大手的内能，深化学生对热传递的理解。

（3）聚焦问题解决，搭建思维之梯

思维起源于真实的情境，又在真实的情境中通过解决问题得到不断发展。科学课堂不应是教师简单地讲述科学事实、传授科学知识，而应用“情”引导学生进入学习之“境”身临其境，才能有所体验。基于问题解决的探究教学，激发学生的学习意愿，发挥思维在获取知识工具时的作用，提高学生思维能力，才能更有效地引导学生基于核心概念建构一个整合而深入的知识体系。通过从“笔开易拉罐”的真实情境中聚焦两个启发学生思维的问题：①为什么用笔摩擦就可以开易拉罐？②为什么在开罐的瞬间会看到瓶口有“白气”？实验是科学最大的魅力，也是学习科学的最有效的途径。金属片上感温油墨的褪色，使学生体会并理解，热传递可以改变物体的内能。摩擦生热是学生熟悉生活情境，但是学生并不能很好地用科学语言表述“做功改变物体的内能”。因此，可引导学生体验改变物体的内能，加深对科学原理的理解。

【教学片段三】

任务二：体验改变物体的内能

◎小组实验

器材：图钉、较粗的软铁丝、铅笔、砂纸

问题：利用提供的器材，怎样可以增大图钉或软铁丝的内能

◎学生实验

①反复玩着软铁丝，铁丝温度升高

②用铅笔固定图钉，在砂纸上摩擦钉帽，图钉温度升高

◎分析论证

反复弯折铁丝和用砂纸摩擦图钉钉帽，是对物体做功，也会使他们温度升高，内能增加。

◎得出结论

改变物体的方式除了热传递，还可以通过做功。外界对物体做功会使物体内能增大。

◎设计意图

摩擦图钉和弯折铁丝使物体温度升高，是学生通过实验得出的现象，通过分析，学生可以推理得出做功也可以改变物体的内能。两个学生实验的设置充分体现了由证据推理得出结论的实证意识。

基于以上认知，学生可以解释“笔开易拉罐”的第一个问题：笔摩擦易拉罐口时，会使易拉罐的温度升高，内能增大，易拉罐将一部分热量传递给瓶内的气体，使得气体受热膨胀，冲开易拉罐。“笔开易拉罐”的第二个问题是推理“气体膨胀对外做功，内能减少”这一结论的载体。书本上利用的是吸滤瓶中滴加酒精，通过往瓶内打气，瓶塞跳起瓶口出现白雾现象来进行说明。但是笔者通过课堂观察，发现学生对这一过程的理解存在认知上的难度，学生很难把整个过程中内能和机械能的相互转化关系描述清楚。因此，笔者借助温度传感器给学生提供逻辑推理的支架强化科学思维训练过程。

回顾“笔开易拉罐”时罐口出现“白气”的现象，引导学生思考：①瓶口的“白气”主要成分是什么？②出现“白气”说明瓶内气体发生了什么物态变化？

学生已具备物态变化的认知经验，能分辨出“白气”其实是液态小水滴，而出现“白气”的原因是水蒸气发生了液化。但是大部分学生不能将液化的过程与内能的变化联系起來。此时，教师通过演示，在塑料瓶中滴入几滴酒精，再通过打气筒向塑料瓶内注入大量空气，模拟易拉罐内的高压环境，并记录此时的初温。然后打开活塞，观察到压力表示数不断下降，同时塞子弹出的同时瓶内出现大量“白气”，温度传感器的示数也迅速下降。在演示完整个开易拉罐的模拟实验后，教师可以设计系列的支架式问题链，帮助学生搭建思维之梯。

【教学片段四】

任务三：分析内能改变的原因

问题1：“白气”的主要成分是小水滴，这说明瓶内空气发生了液化，那么此时瓶内气体内能如何变化？

问题2：塞子弹出时，它的机械能如何变化？

问题3：瓶塞获得机械能是哪一部分能量转化而来？或者气体在冲出塑料瓶时，能量发生了怎样的转化？

◎设计意图

通过对开易拉罐时产生“白气”的原因推理让学生自主构建“外界对物体做功时，物体温度升高，内能增大；物体对外界做功时，物体温度下降，内能减小”这一规律，以问题链的形式助推学生思维的进阶，培养了学生基于实证的科学态度。

“笔开易拉罐”的情境导入使教学从无“趣”到有“趣”，使学生从被动变主动，真正回归“学习主体”角色，进而学会理解世界、解决问题、学以致用。有了气体对外做功，内能减小的理论基础，教师可以再次借助温度传感器，演示压缩气体时，气体温度变化的实验，引导学生得出：压缩气体做功，气体内能会增加。

（4）整合梳理模型，勇攀思维之巅

科学思维的提升不仅需要重视学生对知识的建构，还应注重学生对知识的内化与运用。学生通过整节课的学习，已经对内能的概念、影响内能的因素、改变物体内能的方法有了初步的理解。教师可以在结课时带领学生对从内能的概念、影响因素和改变方法以及热传递、做功的能量转化等进行知识的梳理，帮助学生建构知识体系。

综上所述，在课堂中教师要着眼于学生的最近发展区，通过建构基本的核心概念、思维支架搭设、情境引导启发、建模等手段以及给予学生表达、纠正、完善观点的机会，强化问题驱动培养学生的探索精神，将科学思维蕴含教学活动中，有效引导学生根据真实情境去思考与探索，使学生主动、深度地参与课堂，在获取知识、掌握方法、形成能力的过程中提升思维并使学生体验到“拨云见日”的快乐，达到核心素养在课堂中真正落地的目的。

参考文献

[1]江耀基.基于科学思维培育的初中物理家庭实验的开展策略[J].理科考试研究，2022（02）.

[2]彭小月.围绕核心概念的学习进阶教学设计——以“内能”为例[J].中学物理教学参考，2021（29）.

[3]姜科.基于核心素养的初中物理教学——以“物体的内能”教学设计为例[J].湖南中学物理，2021（02）.

[4]方华基.立足支架式问题提升科学思维教学能力——以“牛顿第一定律”为例[J].中小学教师培训，2021（10）.