運(yùn)用U型模式提升學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)*
——以“探究種子萌發(fā)的環(huán)境條件”為例

郭 威 謝虎成

（1 廣東省廣州市東環(huán)中學(xué) 廣東廣州 510030 2 廣州市荔灣區(qū)教育發(fā)展研究院 廣東廣州 510370）

知識(shí)本位的教學(xué)追求快速得到知識(shí)結(jié)論，是省略學(xué)生的思考過(guò)程的淺層學(xué)習(xí)，無(wú)法促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展［1］。U 型模式是素養(yǎng)為本的教學(xué)，是追求高階思維發(fā)展的深度學(xué)習(xí)，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)過(guò)程的完整和學(xué)習(xí)方式的多樣，包括下沉、潛行、上浮3 個(gè)環(huán)節(jié)（圖1）。下沉指通過(guò)問(wèn)題情境激發(fā)，學(xué)生進(jìn)入深度學(xué)習(xí)狀態(tài)；潛行指學(xué)生參與知識(shí)的探究過(guò)程，體驗(yàn)知識(shí)發(fā)現(xiàn)的學(xué)科方法，經(jīng)歷深度學(xué)習(xí)過(guò)程；上浮指學(xué)生通過(guò)表達(dá)與運(yùn)用知識(shí)，達(dá)成知識(shí)的意義與價(jià)值。在“探究種子萌發(fā)的環(huán)境條件”一節(jié)的教學(xué)中，采用U 型模式設(shè)計(jì)教學(xué)，按照“下沉（問(wèn)題引入）→潛行（實(shí)驗(yàn)探究）→上浮（質(zhì)疑與反思）”順序展開(kāi)，切合學(xué)生的認(rèn)知需求，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)。

圖1 U 型模型

1 下沉：創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，激發(fā)探究意識(shí)

下沉是深度學(xué)習(xí)的入口，是指教師創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，引發(fā)學(xué)生進(jìn)入深度學(xué)習(xí)狀態(tài)的過(guò)程。下沉的起點(diǎn)是創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，吸引學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的關(guān)注，引起學(xué)習(xí)興趣。下沉的關(guān)鍵點(diǎn)是制造認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生的探究欲望。

創(chuàng)設(shè)情境是下沉的首要環(huán)節(jié)，只有真實(shí)的、與學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn)密切相關(guān)的問(wèn)題情境，才能引起學(xué)生的高度關(guān)注。課前調(diào)查的結(jié)果表明，多數(shù)學(xué)生在小學(xué)科學(xué)課程中制作過(guò)豆芽菜，本節(jié)課首先讓學(xué)生回憶豆芽菜的制作過(guò)程，并回答“在什么條件下綠豆種子才能萌發(fā)成為幼苗？”；進(jìn)一步下沉，用多媒體技術(shù)優(yōu)化情境，觀看豆科植物種子萌發(fā)的視頻，并將問(wèn)題拓展為 “種子萌發(fā)需要哪些條件？”學(xué)生邊觀看邊思考，并分組討論交流。1 組學(xué)生認(rèn)為“種子萌發(fā)需要陽(yáng)光、水分、土壤和肥料”，2 組認(rèn)為“還需要空氣”，3 組認(rèn)為“需要水分，但不需要土壤，制作豆芽菜就沒(méi)用土壤，還有無(wú)土栽培”，4 組認(rèn)為“需要一定的溫度，但不需要陽(yáng)光，因?yàn)榉N子萌發(fā)是在泥土中進(jìn)行的”。

在下沉環(huán)節(jié)中，視頻中精美的畫(huà)面和悠揚(yáng)的配曲吸引學(xué)生對(duì)現(xiàn)象的關(guān)注，與情境密切相關(guān)的問(wèn)題引發(fā)學(xué)生對(duì)原理的猜測(cè)，學(xué)生根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)提出不同的假設(shè)，不同的假設(shè)造成認(rèn)知沖突，這種沖突無(wú)法用“說(shuō)理”解決，必需從現(xiàn)象的表面下沉到原理的追蹤，全身心地投入實(shí)驗(yàn)探究環(huán)節(jié)，進(jìn)入“潛行”的學(xué)習(xí)狀態(tài)。

2 潛行：理清探究思路，體驗(yàn)探究過(guò)程

潛行是學(xué)生經(jīng)歷完整的探究歷程，一步一步地追尋對(duì)生命規(guī)律的本質(zhì)認(rèn)識(shí)，獲得對(duì)生命現(xiàn)象科學(xué)解釋的認(rèn)知過(guò)程。潛行是分層深入的，本節(jié)課包括設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、論證實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)施實(shí)驗(yàn)。

第1 層是設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。借助學(xué)生的好奇心和好勝心，教師要求各組設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證本組的假設(shè)，提示可參考“探究光對(duì)黃粉蟲(chóng)的影響”實(shí)驗(yàn)，建議利用列表、流程圖等，直觀表達(dá)實(shí)驗(yàn)方案。學(xué)生經(jīng)過(guò)緊張的討論，各組形成了自己的實(shí)驗(yàn)方案。

第2 層是論證實(shí)驗(yàn)方案。分組所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案是否可行還需進(jìn)行論證。論證實(shí)驗(yàn)方案包括分組展示實(shí)驗(yàn)方案、組與組間進(jìn)行評(píng)價(jià)、修改和完善實(shí)驗(yàn)方案3 個(gè)環(huán)節(jié)。

第1 組探究光、空氣、水分、溫度、土壤等對(duì)種子萌發(fā)的影響，實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表1。

表1 探究光、空氣、水分、溫度、土壤等對(duì)種子萌發(fā)的影響

進(jìn)入互評(píng)環(huán)節(jié)，有的學(xué)生認(rèn)為“這個(gè)設(shè)計(jì)非常好，一個(gè)實(shí)驗(yàn)就全部驗(yàn)證了種子萌發(fā)的所有條件”，也有的學(xué)生認(rèn)為“這個(gè)設(shè)計(jì)不合理，即使1 號(hào)裝置中種子全部萌發(fā)，2 號(hào)設(shè)置中種子不萌發(fā)，也不能說(shuō)明光、水分、溫度、空氣、土壤這5 個(gè)條件都是種子萌發(fā)的必要條件”。教師順勢(shì)提出問(wèn)題“多個(gè)條件不同時(shí)，如何確定哪些條件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生了影響、哪些條件沒(méi)有影響？ 一個(gè)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)研究一個(gè)自變量還是同時(shí)研究幾個(gè)自變量？ 為什么？”

通過(guò)激烈的爭(zhēng)論，學(xué)生終于弄清實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)遵行“單因子變量原則”，并運(yùn)用這一原則將原有設(shè)計(jì)方案修改為“探究光照對(duì)種子萌發(fā)的影響”。

第2 組探究空氣對(duì)種子萌發(fā)的影響，1 號(hào)裝置將種子與空氣隔離，2 號(hào)裝置置于通風(fēng)條件下，其他條件相同。

該小組的實(shí)驗(yàn)方案中每個(gè)裝置各選擇了5 粒種子，理由是節(jié)約實(shí)驗(yàn)材料，這又引起學(xué)生的爭(zhēng)論。有的學(xué)生提出，為了體現(xiàn)節(jié)約原則，各選1 粒種子即可。但更多的學(xué)生認(rèn)為種子不能太少，數(shù)量太少可能因?yàn)橛械姆N子被蟲(chóng)蛀、有的種子本身活力不強(qiáng)等偶然因素會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。學(xué)生經(jīng)討論達(dá)成共識(shí)，將原方案修改為“每組20 粒飽滿的綠豆種子”。

第3 組探究水分對(duì)種子萌發(fā)的影響，他們認(rèn)為沒(méi)有水種子不能萌發(fā)，但水過(guò)多會(huì)“漚死”種子，故設(shè)置了3 組實(shí)驗(yàn)（表2）。

表2 探究一定量的水分對(duì)種子萌發(fā)的影響

這一設(shè)置已含有“定量實(shí)驗(yàn)”的萌芽，教師給予充分肯定。學(xué)生就如何界定“多水”“一定量的水”展開(kāi)討論，最后確定“多水”是將種子一半浸入水中，保證另一半暴露在空氣中（保證空氣條件）；“一定量的水” 則為定時(shí)噴水以保證裝置內(nèi)的濾紙墊濕潤(rùn)，而其他條件保持相同。

其他小組分別展示了探究溫度、土壤對(duì)種子萌發(fā)影響的實(shí)驗(yàn)方案，并進(jìn)行了交流和討論。通過(guò)討論達(dá)成了以下共識(shí)：①每組實(shí)驗(yàn)只能研究影響種子萌發(fā)的1 個(gè)條件（單因子變量原則）；②要設(shè)置對(duì)照實(shí)驗(yàn)，如果希望找出合適的條件還可設(shè)置多組實(shí)驗(yàn)；③盡量避免偶然性誤差（例如，選擇飽滿健康的種子、其他條件相同且適宜等）；④實(shí)驗(yàn)方案要有可操作性（現(xiàn)有條件下可實(shí)施）。為了確保實(shí)驗(yàn)成功，學(xué)生一致同意每3 人一組，每組實(shí)驗(yàn)都由3 個(gè)小組選擇不同的材料（分別為綠豆、花生、小麥）實(shí)施。

第3 層是實(shí)施實(shí)驗(yàn)，這是獲取證據(jù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。組員分工合作，有的選擇種子，有的制作實(shí)驗(yàn)裝置，有的制作觀測(cè)量表。學(xué)生在課堂上完成裝置的設(shè)置和播種，課后定期澆水、觀察和記錄。

這一實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷了近1 周時(shí)間，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)各種預(yù)先沒(méi)有想到的問(wèn)題，例如，第2 組的學(xué)生設(shè)計(jì)1 號(hào)試管與空氣隔離的方法是裝置瓶密封法，但澆水時(shí)卻有空氣進(jìn)入，討論了很久都沒(méi)有解決，最后在全班“懸賞”征集解決方案時(shí)，才有人提出用水封法將種子與空氣隔離（圖2）。

圖2 水封法

潛行是科學(xué)探究的主體，這一過(guò)程既有獨(dú)立思考，又有分工合作；既有激烈辯論，又有動(dòng)手操作，在此過(guò)程中思維、情感、身體都深度參與其中，“對(duì)照實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組、單因子變量”等基本概念是在“做”中明白的、在“辯”中理解的。學(xué)生在討論實(shí)驗(yàn)方案時(shí)，學(xué)會(huì)接納他人意見(jiàn)；在評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)方案時(shí)，學(xué)會(huì)辯論、傾聽(tīng)和反思，思維的嚴(yán)謹(jǐn)性、發(fā)散性、批判性得到了提升；在分組實(shí)驗(yàn)中，學(xué)會(huì)分工與合作；在實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案的過(guò)程中，發(fā)展動(dòng)手能力，提升實(shí)驗(yàn)技能，鍛煉一絲不茍的作風(fēng)，養(yǎng)成吃苦耐勞的良好習(xí)慣。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原理是在爭(zhēng)論中領(lǐng)悟的，實(shí)驗(yàn)操作的基本方法是在實(shí)踐中學(xué)會(huì)的，嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度是在操作中養(yǎng)成的。這些都是潛行的收獲，是科學(xué)探究素養(yǎng)的基本要素。

3 上?。悍治鰧?shí)驗(yàn)現(xiàn)象，表達(dá)探究成果

上浮是指知識(shí)的表達(dá)與運(yùn)用，是知識(shí)外顯化的過(guò)程，也是知識(shí)的檢驗(yàn)與反思的過(guò)程。對(duì)于本節(jié)內(nèi)容，上浮就是分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得出“種子的萌發(fā)的環(huán)境條件”的具體結(jié)論，并運(yùn)用這一結(jié)論解決生產(chǎn)、生活實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程。

1周之后，學(xué)生展示實(shí)驗(yàn)成果，并對(duì)本組實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行解釋。第1 組的結(jié)論是：光照對(duì)于種子萌發(fā)沒(méi)有影響；第2 組認(rèn)為：空氣是種子萌發(fā)的必要條件；第3 組認(rèn)為：一定量的水分是種子萌發(fā)的必要條件；第4 組認(rèn)為：溫度過(guò)高和過(guò)低都不利于種子的萌發(fā)；第5 組結(jié)論是：土壤不是種子萌發(fā)的必要條件。學(xué)生交流后還發(fā)現(xiàn)，不同的材料所需的條件、萌發(fā)所經(jīng)歷的時(shí)間、發(fā)芽率都有差異，最后得出結(jié)論：“適宜的溫度、一定的水分和充足的空氣都是種子萌發(fā)所需要的”，至此，探究的結(jié)果浮出水面。

與探究結(jié)果同時(shí)上浮的，還有意想不到的收獲。第1 組還發(fā)現(xiàn)，光照雖然對(duì)種子萌發(fā)沒(méi)有影響，但對(duì)植物的生長(zhǎng)是有影響的，在黑暗條件下萌發(fā)的芽是白色的，而在光照條件下萌發(fā)的芽是綠色的；并通過(guò)查找資料獲知，有些植物種子萌發(fā)與光照是有關(guān)系的。第3 組發(fā)現(xiàn)，水分多的一組種子也能萌發(fā)，但后來(lái)其根變黑了，教師引導(dǎo)他們進(jìn)行科學(xué)解釋。這些發(fā)現(xiàn)帶給學(xué)生更多的啟迪：完好地保存作物種子的條件是什么？ 保存種子可采取哪些方法？ 知識(shí)的運(yùn)用是上浮的延伸。

上浮是深度學(xué)習(xí)中不可或缺的環(huán)節(jié)，知識(shí)只有在表達(dá)與交流中才能檢驗(yàn)其合理性，在運(yùn)用中才能檢驗(yàn)其科學(xué)性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析得出結(jié)論，促進(jìn)學(xué)生養(yǎng)成尊重事實(shí)和證據(jù)的意識(shí)，發(fā)展學(xué)生推理能力；表達(dá)與交流促進(jìn)了書(shū)本知識(shí)的個(gè)人化理解；運(yùn)用知識(shí)解決生產(chǎn)、生活中的問(wèn)題促進(jìn)學(xué)生形成“社會(huì)責(zé)任”的意識(shí)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的意義增值。

4 小結(jié)

美國(guó)著名教育家杜威認(rèn)為，書(shū)本知識(shí)具有不可教性，需要讓學(xué)習(xí)者經(jīng)歷一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，即知識(shí)的學(xué)習(xí)需要經(jīng)過(guò)還原與下沉、體驗(yàn)與探究、反思與上浮的過(guò)程［2］。U 型教學(xué)模式讓學(xué)生經(jīng)歷下沉、潛行、上浮3 個(gè)基本環(huán)節(jié)，既契合了知識(shí)生產(chǎn)的基本規(guī)律，又契合了學(xué)生認(rèn)知的基本規(guī)律。下沉環(huán)節(jié)情境創(chuàng)設(shè)注重建立知識(shí)與學(xué)生經(jīng)驗(yàn)的聯(lián)系，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)；潛行環(huán)節(jié)通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、動(dòng)手操作、小組合作、生生評(píng)價(jià)等有效手段，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和實(shí)驗(yàn)探究能力；上浮環(huán)節(jié)通過(guò)知識(shí)表達(dá)與運(yùn)用，培養(yǎng)學(xué)生遷移知識(shí)的能力，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的意義增值。通過(guò)U 型模式，學(xué)生不僅獲得了對(duì)符號(hào)知識(shí)的深度認(rèn)知，而且獲得了對(duì)科學(xué)探究概念的深度理解［3］、對(duì)探究活動(dòng)的深度體驗(yàn)和對(duì)探究規(guī)律的完整把握，是對(duì)科學(xué)探究素養(yǎng)的全面鍛造。