在《撬重物的窍门》实验教学中构筑“双螺旋结构”课堂

◇李 菲（江苏：南京市江宁实验小学）

多年来，科学教学一直强调培养学生的探究能力。近几年来，随着国内外对科学思维的重视，教师也逐步关注到了学生思维能力的培养。2022 年版的《义务教育科学课程标准》中提到，科学学科的核心素养包括科学观念、科学思维、探究实践、态度责任。与上一版本的课标相比，新增了科学思维。可见，在科学教学中，教师不但要重视提高学生的探究能力，还要培养学生的思维能力。但是，在科学课堂上，教师常常只会关注探究活动的过程与步骤，却忽视了学生科学思维能力的培养。

“双螺旋结构”的科学课堂是指在学生进行探究式学习时，架构“活动”和“思维”两条螺旋主线，由“问题”和“证据”与之相关联，形成一个稳定整体的科学学习课堂。它是一种探究活动和科学思维关联共生、螺旋发展的做中学、学中思的科学课堂。本文以苏教版小学科学五年级下册《撬重物的窍门》两次教学为例，阐述如何建构“双螺旋结构”的科学课堂。

一、围绕核心概念设计螺旋递进的探究活动

学科核心概念对科学教学具有重要的意义。落实到科学课堂上，科学概念的建构就显得尤为重要。探究活动的设计应该指向概念的建构。概念的建构不是一蹴而就的，要基于学生的前概念建构科学概念，这个过程应该是螺旋上升、逐步递进的。因此，教师需依据核心概念，设计螺旋递进的探究活动，以此帮助学生在已有概念的基础上建构科学概念。

《撬重物的窍门》一课对应了课程标准中“能的转化与能量守恒”的核心概念。其内容要求是知道简单机械（杠杆）及其在生产生活中的应用。围绕核心概念，学生需在活动中认识杠杆的结构并发现杠杆的秘密及其应用。于是笔者设计了第一次教学活动。

活动一：通过玩跷跷板，认识杠杆的结构，并提出研究的问题：轻的同学能不能把重的教师撬平衡？

活动二：认识平衡尺，并通过一组实验，初步研究杠杆撬重物的秘密。教师规定了在支点左侧10 厘米的位置挂2 个钩码代替男教师，实验中当平衡尺平衡时，记录右侧的数据。

活动三：利用平衡尺收集更多组实验的数据，再次研究杠杆撬重物的秘密。在这次活动中，学生自己设定平衡尺支点左侧男教师的位置和重量，再通过实验记录右侧的数据。

活动四：举例分析并解释生活中常见的省力杠杆。

通过活动一，学生探究的兴趣大增，并提出了感兴趣的问题。活动二和活动三，都是利用平衡尺研究如何省力。活动二中，学生通过对一组数据进行比较，初步得出结论。活动三中，学生搜集了多组数据，不仅对数据进行了比较，还运用了归纳的思维方法分析并得出结论。最后，学生进行迁移应用。

这四个活动看似层层递进，但是仔细分析不难发现，这种递进仅仅表现在思维方法上：提出问题—比较—归纳—迁移。如果从概念建构的角度来分析，这里每一个活动指向的概念都是如何让轻的物体把重的物体撬起来，即都是省力杠杆。学生并不能通过这几个活动全面地认识杠杆背后的秘密，也就无法建构完整的杠杆概念。因此，教学活动的螺旋递进，不仅要体现思维的发展，还要指向概念的建构。基于以上的想法，笔者设计了第二次教学活动。

活动一：通过玩跷跷板，认识杠杆的结构，并提出初步的猜想：轻的同学能不能把重的教师撬平衡呢？

活动二：借助平衡尺做模拟实验，并通过一次实验，初步研究杠杆撬重物的秘密。学生用较多的钩码模拟男教师并挂在支点左侧，用较少的钩码模拟轻的同学并挂在支点右侧。当平衡尺撬平衡时，记录数据。

活动三：利用平衡尺做更多的实验，通过多组实验，探究杠杆背后的秘密。这个活动是一个挑战性的任务：如果在支点左侧10 厘米处挂2 个钩码，那么在右侧哪个位置挂几个钩码才能平衡呢？如果在支点左侧10 厘米处挂3 个钩码呢？学生在充分猜测的基础上再进行实验，依据数据分析出杠杆背后的秘密。

活动四：举例分析并解释生活中常见的各种类型的杠杆。

活动二中学生用钩码模拟重的教师和轻的同学，在对本组实验数据比较和分析的基础上，再归纳全班的数据，能发现撬起重物的秘密，即省力杠杆。活动三中学生在对挑战性任务进行猜测时，不仅要依据生活经验，更要依据活动二中的数据。学生要对这些数据进行充分分析，在此基础上进行推理和猜测。最终通过对数据的比较、分析与归纳，发现省力杠杆、费力杠杆和不省力也不费力杠杆。从思维的角度来分析，学生从第二个活动到第三个活动，经历了多次推理论证的过程。从概念建构的角度来说，学生从研究省力杠杆开始到探究所有类型的杠杆，是在逐步建构完整的杠杆概念。

二、依据问题与证据推进活动与思维的螺旋上升

“双螺旋结构”科学课堂旨在将探究活动与科学思维进行有效的联结，让学生的探究能力与思维能力能够关联共生、螺旋发展。而将这两者进行有效联结的纽带就是“问题”和“证据”。

（一）推进活动递进的手段——关键问题

“问题”，是指围绕某一探究目标，在探究活动关键环节精心设计指向明确的关键问题，由这些具有一定逻辑结构的关键问题组成问题链，环环相扣，成为实现同一目标的闭环的整体结构。这些关键问题之间相互关联，具有一定的逻辑关系，指向共同目标。因此，设计好每一个关键问题，能引领探究活动的开展。而这些关键问题组成的问题环扣，能逐步推动探究活动的递进，最终实现探究的目标，从而让学生的探究实践能力不断得到提升。

那么如何设计环环相扣的关键问题呢？教师需要明确每一个活动需实现的目标，依据活动目标，设计环环相扣的关键问题。

以《撬重物的窍门》第二次教学为例。

第一个活动目标是通过玩跷跷板，认识杠杆的结构。因此，设计的关键问题为：仔细观察跷跷板，它的结构是什么样的？

第二个活动目标是借助平衡尺做模拟实验，研究撬起重物的秘密。设计的关键问题为：在什么情况下，轻的同学能把重的教师撬平衡呢？

第三个活动目标是通过平衡尺的挑战性任务，在论证的过程中发现杠杆的秘密。设计的关键问题是：依据数据分析，这些杠杆都是省力杠杆吗？说说理由。

第四个活动目标是将研究杠杆的结果运用于解释实际问题。设计的关键问题是：它们属于哪一种杠杆，你能解释吗？

在这一个个关键问题的引导下，探究活动能不断地推进，学生的探究实践能力也在逐步提升。活动一中，学生首先需仔细观察跷跷板的结构，并在详细的描述中认识杠杆的结构。此时，学生应掌握观察的科学方法。活动二中，学生要利用钩码和平衡尺设计模拟实验，并通过实验搜集证据，分析证据并发现撬重物的秘密。在这个探究活动中，学生要能够制定计划并搜集证据，分析证据并得出结论，以及准确地表达。活动三中，学生要基于上一个活动的数据，完成挑战性的任务，进行实验并搜集证据，对数据进行分析与解释，发现杠杆的秘密。在这个探究活动中，学生要能针对科学问题进行合理的猜测，经历较为完整的探究过程，还需对结果进行解释。也就是说，通过该活动，学生能够较为全面地获得科学探究能力。活动四中，学生在分析并解释生活中常见的各种类型杠杆时，就已经掌握了解释的科学方法。

（二）促进思维提升的关键——证据链条

“证据”是指学生在科学探究活动中通过观察、实验、调查等多种途径来获得事实和证据，通过对证据的提取、整理、组合形成具有内在逻辑关系、能够证实（证伪）科学问题的证明链条。

学生在螺旋递进的探究活动中，能够逐步获得具有内在逻辑关系的证明链条。而后，当学生对诸多证据进行推理论证时，要基于证据与逻辑，运用分析与综合、比较与分类、归纳与演绎等思维方法，建立证据与解释之间的关系并提出合理见解。这个过程能有效地促进学生科学思维的发展。

如何帮助学生利用证据进行推理论证呢？教师需采取有效的策略，帮助学生运用合适的思维方法，建立证据与解释之间的关系并进行表达和交流，让学生的思维显性化。通过有内在逻辑关系的证据，促进学生思维的不断发展。

《撬重物的窍门》第一次教学时，学生将实验数据记录在表格里，实验后将数据读了一遍，便得出实验结论，缺少推理论证的过程。因为没有全面地经历比较、分析、归纳等思维活动，所以学生的科学思维能力无法得到提升。

第二次教学，为了促使学生利用思维方法对证据进行解释，教师采用了以下策略。

1.设置论证主张表

我们的观点是什么？我们的证据是什么？我们的解释是什么？我们的结论是什么？

基于这种科学论证的框架，学生在进行推理时，需对搜集到的证据进行比较、分析和归纳。学生依据这种框架进行解释，就能较为完整地将思维历程进行表达和交流。

2.转变记录方式

本课中，学生在对证据进行分析时，不仅需要将动力点到支点的距离与阻力点到支点的距离进行比较，还需将动力与阻力的大小进行比较。为了便于学生发现距离与力的关系，可以将数据记录转变为画图记录。因为画图的呈现方式可以让距离和钩码数量的比较看起来更加直观。

3.设计有利于论证的任务单

学生在完成挑战性任务时，可以将猜测的想法画在任务单上。之后，学生通过实验搜集的证据也可以记录在同一张任务单上。也就是说，任务单不仅可以呈现实验前的观点，还可以呈现真实的证据。这就促使学生要依据搜集到的证据对原先的观点进行解释，可以利用证据支持之前的观点，也可以提出反对或质疑。

利用有效的策略，学生能够基于证据进行推理论证。在科学论证的过程中，学生的科学思维能力逐步得到发展。

三、结语

总之，构筑“双螺旋结构”的科学课堂，需要围绕核心概念设计螺旋递进的探究活动。而将探究活动与科学思维紧密联系、螺旋发展时，就需要起着关联作用的纽带，它既能在螺旋递进的探究活动中客观存在，又能逐步发展科学思维。这个纽带就是问题与证据。环环相扣的关键问题要依据活动目标而设计，并推动探究活动的螺旋递进。在层层递进的探究活动中，各种有效的策略能帮助学生利用证据进行推理论证，从而促进科学思维的不断提升。