实施单元整体教学 提升科学思维品质——以“计量时间”单元为例

广东省深圳市宝安碧海小学 郭曼曼

教科版科学教材是以大单元为组织形式，整个单元围绕一个主题由浅入深地探究，每一节课学生在“玩中学”的过程中习得一些科学概念，最后一步步推进到达单元的大概念。编者在编排教材内容时，充分考虑了内容的连贯性和综合性。但是在实践中，如果教师没有对教材的内容进行深度的思考和分析，只是停留在与学生进行碎片化探究的层面，那么大单元设计的价值就无法呈现出来。基于此，笔者在大概念的引领下进行单元整体教学，以“计量时间”单元为例,分析如何用逆向设计方法让单元知识之间不仅拥有连贯性和综合性，还具备关联性、逻辑性等，在有结构的教学内容中，提升学生的科学思维品质。

一、实施单元整体教学，提高科学思维的系统性

单元整体教学，指教师通过对教学内容的深度发掘和分析，打乱原有内容结构进行整合，以单元为单位进行教学，使教学内容更加整体化、综合化。在单元整体教学的视角下，本单元通过实施逆向教学设计和植入时间轴,让碎片化的知识变成整体。

（一）逆向设计让整个单元化为一体，提高科学思维的系统性

在逆向设计理念的指导下，笔者对教学内容做了进一步的调整，添加了单元起始课，在起始课中跟学生交流古人是怎样计量时间的，随着生活水平的提高，人们对时间的计量需求越来越迫切。在这样的情境下，笔者提出为古人制作能够计时1~5 分钟的工具的任务。项目的驱动激发了学生的学习动机。在学生明确要求后，笔者给予他们足够的时间进行项目设计。课后，笔者把学生的设计作品分类整理出燃烧钟类、水钟类、摆钟类和其他钟类等。这些设计稿将成为往后每一节课的学习起点，学生将在深入学习后进一步改进设计。这样的逆向设计以终为始，通过项目驱动将7 节课捆绑在一起，变成一个整体的学习事件，有利于培养学生科学思维的系统性。

（二）时间轴让整个单元化为一体，提高科学思维的系统性

从古到今，从燃烧钟、水钟、摆钟到石英钟，关于这些计时工具的一步步迭代，笔者希望能清晰出现在学生的脑海中，于是以时间轴为载体，把各个时代的计时工具添加上去，使之形成一个整体，让学生看到计时工具由粗略计时到精细计时的发展过程，也让学生用批判的眼光去评价每个时代的计时工具，还让学生看到各时代的人在需求的驱动下一次次地改良计时工具，这样也驱动着学生一次次思考并改进自己的设计。课堂给予学生的是有结构、有逻辑的学习素材，有利于培养学生科学思维的系统性。

二、课堂教学实践，提高科学思维的严密性

在单元整体教学理念下，教师在单课的教学实践中，通过运用结构化的材料、递进式实验活动、实验记录单和集体论证等途径，让学生经历从认知冲突，到完成自我建构、提高科学思维的严密性的过程。

（一）运用结构化的材料，提高科学思维的严密性

材料的选择、合理组合和适时呈现，能够建立层次性和针对性较强的结构化材料。结构化的材料能引导学生思考和激发学生的探究欲望，在这个过程中也能够促进学生思维的发展。

在“时间在流逝”这一课中，教师从学生耳熟能详的“一炷香”这个词语入手，提出“如何设计实验方案证明一炷香可以用于计时”。学生能设计出对比实验方案，但是同时燃烧一炷香需要的时间过长，这显然不适合用在课堂教学中。这时，教师提供了课本实验方案，让学生了解到可以把燃香变成四等份，引导学生借鉴四等份这一思路想到每1 厘米为一截，一共燃烧四截，比较出每一截的燃烧时间。教师又提供第二份材料——微课，并提出问题：“视频中点火后立刻计时是否合理？”继而引导学生思考要留出点火段，在学生达成共识后再提供实验材料，让学生做实验。这样结构化的材料引发了学生由表及里的思考，延伸了思考的深度和广度，提高了学生科学思维的严密性。

（二）运用递进式实验活动，提高科学思维的严密性

科学课堂，每一课时是由若干个实验活动组成的，教师需要厘清实验活动之间是否有联系、有递进,并且以学生能理解的方式呈现。笔者以“用水计量时间”一课为例，谈谈在实践中如何利用递进式实验活动，发展学生的思维。

聚焦本节课的问题“你认为水钟的流速均匀吗？”，在学生猜测后，教师组织他们讨论出了实验方案：“在容器中装150 毫升水，计量流出50 毫升、100 毫升和150毫升水时，分别需要多长时间？” 教师使用微课向学生展示如何合作，接着，学生在实验记录单的引领下开始了实验。在实验中，学生发现这种装置的流速越来越慢，这显然不适合制作水钟。这就形成了认知冲突,怎么办呢？教师向学生展示古代水钟的装置。学生从古人的改进中得到启发：保持水位不变，可以使流速均匀。于是，学生开启了第二轮实验进行验证。在容器中装150 毫升水，计量流出50 毫升水所需要的时间，并补足150 毫升水，第二次测出流出50 毫升水所需要的时间，以此类推测出第三次流出50 毫升水所需要的时间。从这一轮实验中，学生发现“初始水位一样，流出等量的水用时基本相同”，也就是保持水位相等的水钟可用于计时。这种递进式的实验活动设计可以促进学生的逻辑思维循序渐进地发展，从感性认识上升到理性认识，对学生逻辑思维的培养起着不可估量的作用。

（三）运用实验记录单，提高科学思维的严密性

单元整体教学需要一份份有效的实验记录单作为教师指导学生的工具，让探究活动有效落地。有效的实验记录单能发挥学习支架的作用，帮助学生准确地处理数据；帮助学生找出数据背后的联系；还给学生自主权，是学生自主探究的阶梯。这些效用的背后是学生的思维能力得到提升。

在“机械摆钟”这一课中，教材的实验记录单中，全班统一使用一个摆钟，并让每个小组重复三次测量出这个摆钟的钟摆一分钟摆动的次数，从而得出摆的等时性。可想而知，每个组的答案都是一样的，这样的实验没有培养学生自主思考的能力。但是，让学生自主设计实验，从实践的结果可以看出，学生有固定摆的次数算时间的方法，也有固定时间段数摆的个数的实验方法，固定的时间段也是各种各样的。这样的实验记录单给足学生思考的空间，使学生对实验有了自主权，他们的思维也被调动起来了。

在“用水计量时间”这一课中，教师采用折线图表示数据，让学生对数据不仅仅停留在获取层面，而是通过数据图像化发现数据之间的联系。进入信息化时代，大数据需要合适的处理、架构，使数据直观地呈现显得日益重要。让学生学会揭示数据掩藏的规律及其本质，既培养了学生的数据处理能力，也提升了学生的理性思维能力。

在“时间在流逝”一课中，在进行燃香实验时，教师利用教材提供的实验记录单，在实践中发现由于单位的不统一，有的学生计时用“分”表示，有的学生则以“秒”为单位，导致数据处理出现错误。另外，教材提供的数据表要求是每一截一计时，在暂停和开始时，需要消耗时间，而香并没有熄灭，这也不够严谨。针对这两个问题，笔者改进了实验记录单，对所用的时间统一单位为“秒”，实验是持续燃烧和计时，并读出燃烧到每一截所需要的时间，实验结束后，再算出燃烧每一截香所消耗的时间。在实验后，笔者组织学生对两份实验记录单展开讨论，不仅引导学生发现记录单设计严密的重要性，而且培养了学生的严密思维。

（四）运用集体论证，提高科学思维的严密性

集体论证是多人对某一主题就多个观点进行基于证据的互动交流，最后达成可接受的结论的过程。

根据儿童的年龄特点，教师在集体论证中会对数据做进一步的加工处理。例如，“机械摆钟”这一课的集体论证，教师通过取值的方式，提取出具有代表性的数据，帮助学生在繁杂的数据中提取有价值的信息。这样，学生在集体论证时基于“证据”的相互讨论中逐步建立起科学概念，有利于批判性思维的培养和发展。有时，教师还采用可视化的集体论证方法，这样能最大限度地刺激学生不仅关注自己的数据，还关注全班的数据，再把数据转化为观点。观点的表述我们称之为“出声的思维”，通过集体论证，学生完成自我建构。例如，“时间在流逝”这一节课中，教师把四个班的数据累加起来。当大量的数据集中在一起时，学生可以发现燃烧每一截香的时间大致在60~70 秒。在集体论证中儿童多次得到“香燃烧的速度大致相等，可用于计时”这个科学概念。由此可见，集体论证也是培养学生严密思维的有效途径。

三、创造评价，提高科学思维的迁移性

在这一单元中，学生经历以下学习过程：以“设计并制作计时工具”的项目来启动教学，进行实验原理的学习、制作作品、评价，从而反思改进作品。

在起始课中，学生明确了项目要求后，进行了设计。设计稿成为每一节课的学习起点。学生学习了水钟“同水位，等时性”的原理之后，开启了制作水钟的项目。当教师调出学生设计的作品时，学生表示还需要进一步改进他们的设计，改进设计稿之后，他们就开始制作作品。作品制作出来后，每个小组按评价的标准，为每个作品打分，并且评选出小组最优的作品。通过“游园活动”，学生欣赏了优秀的作品，进一步强化了在实践层面对如何真正做到使水流的流速均匀的认知。这时，学生对自己的作品产生了更多的想法，并改进自己的作品。这让学生经历了一个完整的闭环学习过程。这种创造性评价的过程，让学生从理论层面走向操作层面，提高了科学思维的迁移性。