科学“双螺旋结构”课堂的构建——以苏教版科学四年级上册“浮力”的教学为例

江苏省南京市江宁实验小学 张 骏

《义务教育科学课程标准（2022 年版）》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，逐步形成的适应个人终身发展和社会发展所需要的正确价值观、必备品格和关键能力，包括科学观念、科学思维、探究实践、态度责任。其中，科学观念是素养的基础；科学思维是关键能力，是素养的核心；探究实践是关键能力，是主要途径；态度责任是必备品格，体现素养的方向性。四者相互依存，体现了科学课程的育人价值。从中我们不难看出：科学思维作为核心素养的核心，对学生核心素养的培养起着至关重要的作用。然而，科学思维的培养又不能成为空中楼阁，它必须通过一定的载体来实现，探究实践活动则是实现它最好的载体。可在实际教学实践中，重探究活动，轻科学思维，探究活动和科学思维脱节的现象并不多见，甚至出现只见探究活动、不见科学思维的状况。下面，笔者以苏教版科学四年级上册“浮力”一课为例，具体阐述如何将以实践为特征的科学探究活动与科学思维有机结合，促进学生科学思维的发展，从而实现学生科学核心素养的提升。

一、“浮力”一课的常见课堂教学设计

教师引导学生认识“在水中的物体，无论沉浮都受到水的浮力”后，重点带领学生研究影响物体沉浮状态的因素是什么。四年级学生已经在三年级上册学习过固体和液体的内容，能认识到物体具有质量、体积等特征。因此，在本节课中，需要学生提取质量、体积等物体特征的认知来解释影响物体在水中沉浮的可能因素。大多数教师，直接出示教材中的两个主体活动内容，设置问题、实验材料和实验设计，让学生根据要求操作，发现现象，再对现象进行分析思考，从而发现物体的质量和体积会影响其沉浮状态。

从教学过程来看，看似学生经历了探究活动，活动过程中和结束后，教师也组织学生进行了预测和对探究结果的分析，从而得出科学结论。可从课堂实际教学效果来看，学生更多的是按照教师提供的活动步骤一步步操作，关注点和注意力更多是在对实验材料的操作上，而对物体的沉浮状态与物体的质量、体积之间的内在关联缺乏真正的思维关注。因为整个活动是教师安排的，“为什么这样做？要关注什么？如何关注？”等问题，学生根本没有真正地思考，科学思维并没有真正发生。

二、“双螺旋结构”课堂的界定

科学“双螺旋结构”课堂是指学生在进行探究式学习时，架构以“活动”和“思维”为主线，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。

“活动”是以实践为特征的科学探究活动，包括动手操作、实验模拟、信息搜集、观察考察等。“思维”是以心智为特征的各种思维活动， 表现为演绎与归纳、分析与综合、分类与比较，以及概念、判断、推理等逻辑思维的过程和形式，用以感受、提取、理解、判断、选择、记忆、想象、假设、推理，并以此指导科学探究活动。两条螺旋主线通过“问题”和“证据”贯连构成一个稳定的课堂架构。“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，成为达成同一目标的闭环的整体结构，问题之间相互关联且具有一定的逻辑关系，指向共同目标。“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。

三、构建“双螺旋结构”课堂的教学实践

基于以上对常见科学课堂教学设计的剖析和“双螺旋结构”课堂的认识，笔者对“浮力”一课的课堂教学进行了重新架构。

（一）片段与评析

1.预测、实测物体在水中的沉浮情况，形成认知冲突，产生问题

师：请大家仔细观察老师带来的小土豆块、小铁钉、大土豆、木块、玻璃珠、蜡烛，小组内相互说说它们在水中是沉还是浮，并说明理由。

四人小组讨论，之后全班汇报。

生1：小铁钉沉了，因为它是铁的；大土豆沉了，因为它比较重；小土豆块浮起来了，因为它比较轻；木块浮起来了，因为它比较轻；玻璃珠沉了，因为它比较重；蜡烛浮起来了，因为它比较轻。

师：有不同的想法吗？

生2：大土豆是浮的，它虽然较重，但比较大。

生3：蜡烛会沉下去，因为它是实心的。

……

师：看来，大家的猜测不太一样哦！大家都有各自的理由，到底猜测得对不对呢？我们一起来观察。

教师将物体逐个放入水中，让一名学生上黑板做记录，其他学生观察沉浮状态。学生发现小土豆块是沉下去的，蜡烛是浮上来的，和自己原先的想法不一样，可又说不清楚到底是怎么回事。

师：物体的大或小、轻或重、空心或实心好像都有可能让物体沉或浮，到底是什么在影响物体的沉浮呢？

评析：通过预测生活中较常见的物体在水中的沉浮状态，充分暴露学生原有的想法，再通过实际的操作，学生发现实验结果和自己的想法不太一样，很自然地就产生了认知冲突。在这样的活动中，学生虽然没有直接动手操作，但通过观察、讨论、交流、质疑等一系列活动，他们的大脑中已经对物体的沉浮状态的预测及理由都有了充分的思考，并产生了认知冲突，自然而然地对下面的探究充满了期待，激发了研究的兴趣。

2.任务驱动：让小球悬浮在水中，逐步建立起沉浮与质量之间的联系

在学生初步认识到物体的体积、质量以及是否空心好像都可能影响物体的沉浮情况，而又处于模糊混沌状态之时，笔者没有直接让学生做“体积相同，质量不同”和“质量相同，体积不同”的操作活动，而是以一个有趣的探究任务作为驱动，通过一个个问题组成的问题串，让探究活动更加有层次，从而引发学生不断地思考，让科学思维不断向前推进。

（1）如何让小黄球悬浮在水中？

教师出示1 号小黄球，将其放入水中，学生观察发现：浮在水面。出示2 号小黄球，将其放入水中，学生观察发现：沉入水底。出示3 号小黄球，将其放入水中，学生观察发现：既没有浮在水面，也没有沉入水底，而是悬浮在水的中间。

师：3 号球很特别，悬浮在水中，想做一个这样的小球吗？如何让小黄球悬浮在水中呢？

生1：可以在小黄球里装点重物，如蜡烛之类的东西。

师：你的意思是往小球里加点东西，怎么加呢？

生1：把小球剥开。

师：找一个可以打开的小球，老师可以提供这样一个可以打开的小黄球和一些你所说的重物，也可以用玻璃球来代替。

评析：通过这个有挑战性的任务驱动，调动了学生研究的积极性，更重要的是这样的实践活动暗含着小球的体积大小是不变的，往里面加玻璃球，实际上是改变小球的质量大小，比较符合学生的已有认知，容易达成活动的预期目标。

（2）怎样往小黄球里加玻璃球？加多少颗最有可能悬浮？

师：这么多玻璃球，可以采取什么方式往里加呢？

生1：先放1 个，试试看；再增加1 个，再试试看，直到悬浮为止。

生2：可以先装满，看看能不能悬浮，然后逐渐减少，直到悬浮为止。

生3：可以先加一半，再根据情况增加或者减少。

师：大家的方法各不相同，都是要不断地尝试，直到成功，是不是？大家边尝试、边思考，加多少颗最有可能悬浮？

学生小组尝试完成任务。

评析：虽然加玻璃球的方法不同，但本质上却是相同的，即改变小黄球的质量。在这样的问题对话中，学生的探究思路更加清晰，不管采用怎样的放入顺序，先少后多，先多后少，都是要看小黄球的质量多少与悬浮之间的联系。学生在探究活动前带着这样的问题，目的指向会更明确，思维含量也一定会得到提升。

（3）是什么在影响小黄球的沉浮？

学生通过不断的尝试，发现不管用哪种顺序放玻璃球，最终都是放8 颗玻璃球能让小黄球最接近悬浮状态。笔者没有止步于这样的结论，而是引导学生对整个过程进行梳理和分析——

师：是什么在影响小黄球的沉浮呢？

生：小黄球里面玻璃球的数量是多少。

师：改变玻璃球数量的多少其实就是改变了什么？

生：小黄球的质量大小。

师：质量大小会影响小黄球的沉浮吗？

生（齐）：会。

师：怎么影响的呢？

生1：质量大，小黄球就会沉；质量小，小黄球就会浮。如加1 颗玻璃球，用手掂量掂量，比较轻，放入水中会浮起来；加9 颗玻璃球，用手掂量掂量，比较重，放入水中会沉下去。

生2：我们组有一个疑问，刚开始我们看到木块质量也不小，为什么它也是浮上来的呢？

师：非常好的问题，看来我们这个结论好像有问题哦！

（学生有点懵）

师：刚才我们研究的都是同一个小黄球，什么是一样的？

生（齐）：大小。

师：也就是体积相同，是要有前提条件的，怎样修正这句话？

生3：相同体积情况下，质量大，会沉；质量小，会浮。

师：相同体积，质量大，一定会沉吗？质量小，一定会浮吗？

（学生又陷入沉思）

师：让我们还原刚才的研究过程，将不同质量的小球并排放入水中，你们发现了什么？

生4：相同体积，质量越大，越容易下沉；质量越小，越容易上浮。

评析：学生看似无序地在不断尝试操作，实则在他们的头脑中必定会坚持一个想法，就是要找一个合适的重量才行，而这恰恰指向了最核心的因素——质量。因此，当教师问到是什么在影响小黄球的沉浮时，学生必然想到其质量大小。但质量大小又是如何影响物体沉浮的，学生还不能准确地建立起两者之间的联系，教师通过不断的追问，并帮助学生回顾并还原之前的探究现象，作为有力的证据来逐步明晰物体沉浮与质量大小之间的关系。通过问题和证据的关联，学生的探究活动必然伴随着科学思维的参与，并且不断走向深入。

3.观察、比较相同质量的小球的沉浮，建立沉浮与体积之间的联系

在明晰了小黄球的质量大小与沉浮的关系后，笔者顺势拿出两个质量相同但大小不同的小黄球，提问：这两个球质量相同，放入水中又会出现什么现象呢？你们的理由是什么？

生1：都会沉，或者都会浮。因为它们质量相同。

生2：不一定。因为它们虽然质量相同，但大小不一样。我认为大的会浮，小的会沉。

生3：我也认为不一定，但我认为大的会沉，小的会浮。

（教师操作，学生观察）

师：你们发现了什么现象？能不能也用一句话来描述你观察到的结果。

生：质量相同的球，体积大的容易浮，体积小的容易沉。

评析：此问题的提出很自然地延续了前一个活动环节，也符合学生的学习逻辑。教师虽然没有让学生自己动手操作，但学生能依据前面的研究结果发表自己的观点，产生新的认知冲突。再通过对实验现象的观察，利用新的证据来佐证自己的观点，从而分析归纳出物体沉浮与体积之间的关系。在整个活动中，学生始终在不断地思考，活动与思维如影随形，相依相伴。

4.总结归纳沉浮规律，拓展延伸，引发进一步思考

师：通过刚才的研究，你们认为物体的沉浮到底与什么因素有关呢？

生1：物体的沉浮既与质量大小有关系，也与体积大小有关系。

生2：体积相同，质量大容易沉，质量小容易浮；质量相同，体积大容易浮，体积小容易沉。

生3：在体积相同的情况下，要看它们的质量大小；在质量相同的情况下，要看它们的体积大小；不能只比质量，也不能只比体积，要两者结合起来分析。

……

师：还记得开始上课的时候，我们发现大土豆和小土豆的质量不同，体积也不同，可都是沉入水底的，又是怎么回事呢？看来物体沉浮的秘密还真不少呢？让我们带着这个问题课后继续研究吧。

评析：在初步总结归纳影响物体沉浮的因素后，并不代表探究活动的结束。在真实的情景中，并不会正好出现相同质量和相同体积的物体让学生去比较，刚上课时设置的情境恰恰提供了这样的教学资源。不同物体或者相同物体，质量和体积都不一样，又如何去判断它的沉浮，影响沉浮的因素又是什么？通过这样的问题，再次引发学生深思，活动与思维交织着螺旋式上升，直抵物体沉浮的本质。虽然以四年级学生的知识水平和认知能力暂时无法真正理解，但它会促使学生始终保持着探究的兴趣和动力，促使学生不断地寻找证据来证明自己的观点，从而将思维引向更深处。

（二）整体解读

1.情境场：呈现已有经验，引发认知冲突

认知心理学理论认为，学生真正地学习的过程是认知结构不断改造拓展的过程。首先，教师通过呈现有结构的常见物体，让学生根据自己的经验对其沉浮情况进行预测，再与实际观察到的现象做比较，引发认知冲突，产生真实而有价值的问题，激发其探究动机。其次，在“让小黄球悬浮在水中”的情境任务中，学生是带着已有的经验来尝试的，即要有适当的重量。学生在不断地调试过程中逐步解决问题，但教师和同伴的追问、质疑又引发了新的认知冲突。学生始终在教师创设的情境中发现问题，提出疑问，认知结构得到不断改进和提升。

2.问题串：让活动有层次，让思维有连贯

思维总是由问题引发并围绕问题展开的，问题是学习的核心，也是学生思维发展的动力和方向。纵观整节课，若干个关键问题，形成连贯的问题串，将整个探究活动连成一个有机整体。一系列关键问题，贯穿在课堂中，相互关联，不断递进，使活动更加有层次，让学生的思维有一定的连续性，让活动和思维两条线关联共生、螺旋式上升，最终指向核心目标。

3.证据链：在“论”中推理，在“证”中建构

科学思维是从科学的视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认知方式。推理论证作为其主要方式之一，要能合理分析与综合判断各种信息、事实和证据，运用证据对研究的问题进行描述、解释和预测，基于证据与逻辑，建立证据与解释之间的关系并提出合理见解。可见，证据在推理论证中起着至关重要的作用。本课中，教师引导学生对“如何让小球悬浮在水中？”和“质量相同、体积不同的小球沉浮状态一样吗？”提出自己的观点，寻找证据，并通过对证据进行提取、整理、组合，形成一个有内在逻辑联系的证据链，用科学的语言把推理论证过程中直观、零散的发现进行概括和整理，建立证据与观点之间的联系，证明自己的观点，从而建构有条理、有内在逻辑的科学概念。这样的证据链，分别对应着相关的问题，紧密结合在一起，共同推动着活动和思维向深处发展，有利于学生将探究结果和概念有机联系起来，也有利于促进学生对科学本质的理解。