从科学思维方法的视角设计科学教学

贾欣 _ 北京教育科学研究院 杨燕萍 _ 北京第一实验小学

- 编者按 -

近日，教育部等十八部门联合印发《关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》，深入贯彻习近平总书记在中共中央政治局第三次集体学习时的重要讲话精神，系统部署在教育“双减”中做好科学教育加法。在课堂教学中深入落实《义务教育科学课程标准（2022年版）》，是做好科学教育加法的关键举措。本期邀请北京教育科学研究院基础教育教学研究中心科学教研室教研员贾欣老师和北京第一实验小学杨燕萍老师、康争老师，分享他们关于《义务教育科学课程标准（2022年版）》中提出的科学思维培养方面的相关探索。

《义务教育科学课程标准（2022年版）》明确指出并强调了科学思维培养的重要性。在《义务教育科学课程标准（2022年版）》解读中提到，科学素养包括科学与应用、科学思维与创新、科学探究与交流、科学态度与责任。科学思维与创新又包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。其中，科学推理不仅包括逻辑上的归纳推理、演绎推理和类比推理，而且包括分析与综合、抽象与概括、比较与分类等思维方法。

如何在小学科学教学中培养学生的科学思维？在小学科学学科实际教学中，教师往往关注探究活动的完成情况，忽视探究活动中学生认识事物、解决问题过程的方法。教师应在科学教学活动中找到科学思维的方法及应用过程，用它来设计探究活动、评价探究活动，以思定教。将科学思维方法作为突破口，寻找认识事物、解决问题的思维方法，将思维方法过程化并以此为依据设计学生科学探究的活动。这样的思考和尝试会让教师的教学具有“思维”含量。

基于科学思维方法进行科学教学的教材分析和教学设计，需要关注两个方面。一是从探究情境线索中，抓主要思维方法。在科学探究过程中，思维方法的运用是复杂、多样的。所以，针对教材和教学情境，我们应该选取其中的主要思维方法，围绕主要思维方法展开，化繁为简。二是围绕主要思维方法，铺展思维过程，建构探究思维的逻辑结构。科学教学中思维活动的核心是寻求“可靠的断言”，所以，当抓住主要思维方法展开教学设计后，需要将思维方法过程化，从中梳理思维脉络，将过程中出现的思维方法围绕主要思维活动构建逻辑。例如，在归纳思维中，或然性的存在是教学中不可避免的，而提升探究结果可靠性的途径是进行更多方法的实验验证。这其中不同实验所采用的的科学思维方法的意义就是围绕归纳思维活动，弥补其或然性带来的缺陷。这样，整体的思维活动设计就有了核心，真正为寻求“可靠的断言”而设计学习活动。

那么，要如何从科学思维的角度设计科学教学呢？以“声音的产生”这一教学内容为例，简要阐述展开过程。

“声音的产生”这一课的核心就是要通过枚举不同的物体发出声音的现象，找出其中共同的特征，采用求同归纳法来提出具有普遍意义的规律——“声音是物体振动产生的”。教材中普遍使用振动现象明显的皮筋、尺子和振动现象不明显的小鼓、音叉为教学用具。教学中也常常安排现象明显的器材首先出现，现象不明显的器材随后出现。究其原因，往往就是因为学生认识事物要遵循从直观到抽象的顺序安排，而关于科学思维方法与其相关的原因分析不多。可以尝试用求同归纳法进行分析，以求找出这几种器材之间的关联，用来了解科学思维与教学设计之间的联系。

1.基于观察发现的过程，确定科学思维方法

归纳法是从个别出发，经过分析、比较，上升为一般认识的逻辑思维方法，是科学认识中常用的方法。在科学认识过程中，在积累大量的经验材料与搜集大量事实的基础上，能够通过归纳得到具有普遍特征的结论。在日常教学中，教师针对本课的科学概念“声音的产生与物体振动的关系”，重点让学生关注以下三个重要现象：能够观察到物体明显的振动；振动会持续一段时间；声音与振动共同出现，同时停止。这三个现象的出现，是构成求同归纳法的重要素材，寻求发声物在这三方面的共同之处可以归纳出“声音是由物体振动产生”这个概念。抓住这一点，就已经将本课的科学思维方法的框架铺展开了，为概念的形成奠定了基础。

2.基于科学思维方法，构建结构化的实验器材

通过比较可以发现，这几种器材在重点现象的表现上有着一些异同。根据分析，可以看出：第一，皮筋和尺子在三个现象的表现上都具有相同的突出表现，由此可见，在形成求同归纳的过程中，它们是非常适宜的器材，可以在思维活动中帮助学生展开归纳思维活动，形成统一的认识；第二，鼓和音叉振动的现象不够明显，这就使得它们在归纳思维第一步中，不能与尺子和皮筋同步进行三个共同属性的比较，思维活动不再适用于求同归纳的方法，但我们通过教材分析会发现，“鼓、音叉”的探究活动，表现为类比推理和演绎推理。

3.基于科学思维方法，确定教学目标和教学行为

皮筋和尺子在实验现象中的共性，使得它们能够帮助学生展开归纳思维活动，形成统一的认识。为了达到这一思维活动的落实，就要在教学的设计上，为思维方法的运用和过程发展设定与之相协调的教学目标和教学行为。

在皮筋和尺子的研究活动中，要设定的目标是“通过比较皮筋和尺子发出声音都会有振动现象的出现，归纳推理出声音的产生与振动有一定的联系。”为达成目标，教学设计上就要做出与之相协调的结构安排。为了保证学生能够观察到皮筋的振动并描述出来，教师要关注学生实验方法的指导和应用，要设计指导学生进行记录和表达的方法，要让实验结果的呈现做到直观且全体学生都能够仔细观察和精准描述，以保证“求同”思维活动的顺利开展。之后，教师还要进一步引导学生观察尺子的发声和振动现象，在指导语言的设计上要强调尺子与皮筋的振动现象之间的比较。当观察完尺子的振动现象后，教师还要设计引导学生将皮筋和尺子的振动现象相比较的教学行为，如教师会将两种材料的实验过程记录在板书中，并列摆放，以启发学生建立比较的过程，完成皮筋、尺子发出声音与振动之间的求同归纳推理的思维活动。教师的教学行为和目标落实都对应求同归纳的思维活动而展开。

鼓和音叉振动的现象不够明显，思维活动不再适用于求同归纳的方法，我们通过教材分析会发现，“鼓、音叉”的探究活动，表现为类比推理和演绎推理。那是不是要放弃求同归纳呢？上文提到，教学中思维活动是多样的，要捕捉主要思维活动，用来发展逻辑结构，而求同归纳的或然性的存在就是将“鼓、音叉”卷入探究的合理理由。科学探究活动的核心是寻求“可靠的断言”，所以，在教学的设计上，教师应引导学生们不满足于两个器材发声原因的归纳，而是去寻求更多的证据，引发对“鼓、音叉”的探究。为完善之前的归纳，教师将依据学生对问题的思考，建立起类比或者演绎推理的思维活动。

当学生通过求同归纳得到声音的产生与振动有关系之后，教师会引导学生去尝试让“音叉、小鼓”发出声音，并思考原因。需要注意的是，此时学生们对现象的表述将决定后期思维方法的运用。学生A：皮筋和尺子发出声音就是靠振动产生的，我认为音叉发出声音也应该是振动。学生B：尺子能发出声音，鼓也能发出声音，尺子发出声音是靠振动，我认为鼓也应该是靠振动。学生A用的是演绎推理，学生B用的是类比推理，尽管他们并不清楚两种方法的名称，但其逻辑上均是合理的。这也为教师的教学设计提出了更高的要求，也就是在主要思维活动引发主体探究活动之后，要紧紧围绕主体活动发展之后的思维活动，完成“可靠的断言”的寻求。无论采用演绎还是归纳，最终的结果是完成了之前求同归纳或然性带来的不足，使得最终的证据变得可靠且充分，而学习中的学生得到了思维的训练，而非简单的概念的获得。

在基于科学思维方法分析教学过程的教学设计活动中，科学思维方法给了教师们审视科学探究活动的工具，使得教学的设计更加具有可操作性，更加具有方法性和可借鉴性。当然，就目前教师对科学思维的认识来看，这样的教学思考和分析活动还要有一个学习、认识到熟练应用的过程。文中尚未涉及“促成学生能力发展”的讨论，仅仅停留于将科学思维引入教学设计的层级。在关注学生核心素养的教育理念下，促成教师关注思维、关注有思维的教学设计将是发展的起始阶段，最终将走向促成学生思维能力发展的教学。