通过《地震的成因及作用》模拟实验发展学生思维能力

蒋振东

〔摘    要〕  在小学科学教学中，科学思维的培养处于核心地位。在地球与宇宙领域的教学中，教师可以通过基于模型找证据的方法引导学生分析问题、大胆猜想、提出假设、收集证据。在探究实践中培养学生的科学思维能力。在《地震的成因及作用》一课的学习中，学生始终围绕假说的提出与证明，尝试解释地震的成因，并应用模拟实验收集证据和模型解释观点，充分发展了学生的推理论证与模型思维等科学思维能力。

〔关键词〕  小学科学；模拟实验；思维能力

〔中图分类号〕  G424                〔文献标识码〕  A         〔文章编号〕  1674-6317    （2024）  01    067-069

一、背景

在讲解《地震的成因及作用》时，发生了这样一个片段：学生细致地利用三层泥土搭建完地表岩层，用拉拽与碰撞方法观察“模拟岩层”的变化，只见“模拟岩层”毫无声息地裂开或者产生了褶皱。

学生汇报：“我们认为板块运动导致地表岩层的撞击产生了地震，板块分离时模拟岩层裂开了，产生了地震。”“我们也观察到了板块撞击产生褶皱，这就是地震的成因。”与预设不同，也有学生提出了不同观点：“老师，我们看到褶皱产生时‘地面’也没地震啊？”一时之间大家陷入了争论。有的说：“请你想象一下，地震就是产生了：岩层都裂开了，力量得多大啊？”还有学生拿着模型演示，一边撞击一边用手抖动“模拟岩层”。但是也有学生支持质疑同学的观点：“我们看到褶皱产生时特别慢，可是地震发生却特别快，这明显不是地震。”而有些学生急于得出结论，甚至认为“地震发生了，但是咱们看不到”。我肯定了质疑小组的科学精神，然后用能量积累与释放解释了地震形成的过程，通过讲授解答了学生的疑惑。

二、提出问题

课后，我陷入了思考。本课是教科版五年级上册“地球表面变化”单元中的一课，在单元学习中，学习本课之前学生已经初步了解了地球地表多样的地形并猜测了其成因，认识了地球内部的结构与板块的运动，从本课开始系统认识地球内部与外部力量对地形的营造与改变。本课的模拟实验只能证明板块运动可以展示岩层断裂，也可以使岩层产生褶皱，但是无法证明地震发生。可有些学生在忽略证据的情况下就草草产生了结论，他们在模拟实验中到底有没有思考呢？思考又有多深呢？通过课后访谈我发现，大部分学生将主要精力集中在想办法把模型做好，“越像越好”，只是借助模型“演”了一下地震的过程，在学习活动中没有提出自己的观点，更没有尝试观察模拟实验寻找证据。这也就导致本课成了一节“怎样精巧设计板块撞击模型”的手工课，看似培养了模型思维，实际上学生的思维参与局限在了概括原型特征设计模型上。回顾我们以往地球科学的学习活动，往往也会出现“为了模拟而模拟”“造模型而不用模型思考”的现象。那么，该怎么解决呢？

三、解决问题

《小学科学教学关键问题》一书中阐述了地球与宇宙科学认识的一般过程。地球科学的认识过程，是对地球系统客体进行观察，采用思辨的方式尤其是辩证的思考，提出了关于地学对象的存在和发生、发展的假说。通过假说解释地球系统各种现象的存在特点和运行规律，因此地球与宇宙领域研究经常应用模拟实验和模型说明。在地学思维过程中表现出更多地注重事实、更多地运用假说、更多地需要辩证思维。通过查阅文献，我也认识到本课涉及地震成因中“弹性回跳”理论，这也是典型的假说提出与证明的研究过程。

（一）重构课堂：通过假说的论证将学生科学思维能力培养贯穿于探究全程

参考蔡曙山《科学发现的心理逻辑模型》，在假说的提出与证明等这一系列的过程中，需要经历大量的科学思维。如在起始阶段，运用归纳概括观察到的资料信息，而假说的提出阶段运用归纳推理、溯因推理和类比推理，论证阶段一般展开归纳和演绎推理与类比推理。

再次分析教材，我将模拟实验纳入假说的论证过程之中，使模拟实验成为搜集证据、阐述观点的途径。课堂上由真实地震现象提出问题，基于经验与观察提出合理假设，然后展开搜集证据与论证。而模拟实验则作为收集与论证的重要方法，引导学生基于模型观察，利用模型寻找证据，使用模型解释。重新设计之后，本课中学生始终围绕地震成因这一核心问题展开研究，大胆假设，主动搜集证据展开论证，探究的全过程都需要思维深度参与。

（二）巧设梯度，通过不同目标的模拟实验帮助学生寻找证据

本课假设提出阶段是典型的运用溯因推理提出假设。通过泸定地震视频提出研究问题——地震的成因是什么。再阅读资料，观看地震造成影响的图片。学生主动思考：造成地表破裂、地面隆起等现象的原因有哪些可能呢？大胆地运用溯因推理提出假设。

课堂实录：生：“我观察图片中栅栏被分割成两部分，猜测造成的原因可能是板塊撞击形成地震，使地表分离，造成栅栏被分开。”“我看到图片上地表都隆起来了，道路被挤压弯曲，我认为可能是板块撞击产生的地震。”“我观察到地震时地表有很大裂缝，可能是板块分离时产生了地震。”

在假说的论证阶段，我继续深挖证据意识，引导学生构建模型、理解模型、应用模型收集证据。为了帮助其更好地收集证据，我对实验进行了大胆的改进。现有实验问题：原模拟实验中，即使设计者使用干燥的泥巴，但因为泥巴本身不是脆性材料，而地壳上部是脆性变形域，学生是无法感知到应力累积与释放的，也就无法收集到地震成因的关键证据——能量的积累与释放。因此本课我降低了构建模型的难度，提升了应用模型思考问题的深度。我参考其他版本教材中地震成因的实验，设计了两轮有层次的实验。

第一轮模拟实验，学生利用模型展开类比，结合模型分析板块运动对岩石圈产生了哪些影响。經过观察、比较、概括，发现板块的挤压、分离使岩石圈发生断裂、褶皱、升降等现象。然后利用类比推理将模型与观察过程照片原型建立联系，为自己的假设提供证据。

第二轮模拟实验前，教师引导学生思考：是否找到了地震发生的证据？是否观察到地震产生时能量的释放？有的学生说观察到了模拟岩石圈轻微的抖动，可以作为证据，但大部分人认为没有证据，这也发展了其批判思维。在学生疑惑时，教师演示第二个模拟实验，继续寻找证据。当泡沫塑料板模拟岩石圈上层受力时，学生观察到了明显的褶皱，在岩石圈断裂的瞬间，一声巨响启发了学生。

实录——

师：“模拟岩石圈发生断裂时，地震发生了吗？”

生：纷纷表示发生了。

师：你认为什么时刻发生了地震？你又有什么证据？

生1：我认为就是岩石圈断裂那一刻发生了地震，因为我看它突然就断裂了，能量释放了。

生2：我认为在模拟岩石圈断裂时释放了能量，我听到很大的声音，这种声音就是一种能量。

师：嗯，咱们模拟实验时找到了模拟岩石圈断裂时能量积累与释放的证据，那如果是真实的地震发生时能量怎样释放呢？

学生再次联系原型，将两次模拟实验收集到的证据与观察到的真实地震现象进行类比，得出了科学的结论。

四、反思与讨论

《义务教育科学课程标准（2022年版）》提出了“思维型探究实践”这一新命题，将科学思维的培养作为小学科学课程素养目标的核心。胡卫平教授对“思维型探究”的解读是：“科学探究是一个复杂的教与学的实践行为，是激活学生情感与思维的实践行为，是根据事实证据建构科学解释的实践行为。”可见，要加强探究实践活动，促进学生思维深度参与，就不能把科学探究单纯看作是一套机械的可标准化操作的实验方法，而是要建构目标明确、学生深度合作、师生情感交融且让探究充满科学思维的实践体系。在探究的各个阶段，学生的思维得到激发，实现了科学观念与能力之间、不同学科之间、不同发展阶段之间的衔接和整合，最终促进了学生核心素养的协调发展。

回顾本课，学生始终围绕着核心问题展开假说的提出与论证，地震成因论证的过程也是学生科学观念建构的过程。在假说的提出与论证活动中，需要学生进行证据与假设、模型与原型之间的科学推理，需要对自己的论证展开批判性思考，需要在与其他同学进行交流与分享、评价与反驳的过程中逐渐建构概念。这一系列活动，发展了学生的证据意识及分析与综合、比较与分类、归纳与演绎等思维方法。通过探究实践，发展了学生的科学观念、科学思维，进而培养了学生的态度责任。

在地球与宇宙领域开展基于假说的探究实践活动，构建思维型课堂，能有效培养学生的批判性思维和问题解决能力，培养其科学精神，使学生在探究过程中体会科学知识产生的过程，更深刻地理解科学的本质。我将本课的认识形成一种教学方法，运用到地球科学的很多内容上，比如六年级科学下册《浩瀚宇宙》一课，其中制作银河系模型就可以引导学生运用模型开展论证活动。通过思维型探究的落实，搭建思维课堂，发展学生科学素养。

参考文献

[1]胡卫平.在探究实践中培育科学素养：义务教育科学课程标准（2022年版）解读[J].基础教育课程，2022（10）：7.

[2]蔡曙山.科学发现的心理逻辑模型[J].科学通报，2013（34）：14.