在《撬重物的竅門》實(shí)驗(yàn)教學(xué)中構(gòu)筑“雙螺旋結(jié)構(gòu)”課堂

◇李 菲（江蘇：南京市江寧實(shí)驗(yàn)小學(xué)）

多年來，科學(xué)教學(xué)一直強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的探究能力。近幾年來，隨著國內(nèi)外對(duì)科學(xué)思維的重視，教師也逐步關(guān)注到了學(xué)生思維能力的培養(yǎng)。2022 年版的《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中提到，科學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)包括科學(xué)觀念、科學(xué)思維、探究實(shí)踐、態(tài)度責(zé)任。與上一版本的課標(biāo)相比，新增了科學(xué)思維?？梢?，在科學(xué)教學(xué)中，教師不但要重視提高學(xué)生的探究能力，還要培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。但是，在科學(xué)課堂上，教師常常只會(huì)關(guān)注探究活動(dòng)的過程與步驟，卻忽視了學(xué)生科學(xué)思維能力的培養(yǎng)。

“雙螺旋結(jié)構(gòu)”的科學(xué)課堂是指在學(xué)生進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)時(shí)，架構(gòu)“活動(dòng)”和“思維”兩條螺旋主線，由“問題”和“證據(jù)”與之相關(guān)聯(lián)，形成一個(gè)穩(wěn)定整體的科學(xué)學(xué)習(xí)課堂。它是一種探究活動(dòng)和科學(xué)思維關(guān)聯(lián)共生、螺旋發(fā)展的做中學(xué)、學(xué)中思的科學(xué)課堂。本文以蘇教版小學(xué)科學(xué)五年級(jí)下冊(cè)《撬重物的竅門》兩次教學(xué)為例，闡述如何建構(gòu)“雙螺旋結(jié)構(gòu)”的科學(xué)課堂。

一、圍繞核心概念設(shè)計(jì)螺旋遞進(jìn)的探究活動(dòng)

學(xué)科核心概念對(duì)科學(xué)教學(xué)具有重要的意義。落實(shí)到科學(xué)課堂上，科學(xué)概念的建構(gòu)就顯得尤為重要。探究活動(dòng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該指向概念的建構(gòu)。概念的建構(gòu)不是一蹴而就的，要基于學(xué)生的前概念建構(gòu)科學(xué)概念，這個(gè)過程應(yīng)該是螺旋上升、逐步遞進(jìn)的。因此，教師需依據(jù)核心概念，設(shè)計(jì)螺旋遞進(jìn)的探究活動(dòng)，以此幫助學(xué)生在已有概念的基礎(chǔ)上建構(gòu)科學(xué)概念。

《撬重物的竅門》一課對(duì)應(yīng)了課程標(biāo)準(zhǔn)中“能的轉(zhuǎn)化與能量守恒”的核心概念。其內(nèi)容要求是知道簡單機(jī)械（杠桿）及其在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。圍繞核心概念，學(xué)生需在活動(dòng)中認(rèn)識(shí)杠桿的結(jié)構(gòu)并發(fā)現(xiàn)杠桿的秘密及其應(yīng)用。于是筆者設(shè)計(jì)了第一次教學(xué)活動(dòng)。

活動(dòng)一：通過玩蹺蹺板，認(rèn)識(shí)杠桿的結(jié)構(gòu)，并提出研究的問題：輕的同學(xué)能不能把重的教師撬平衡？

活動(dòng)二：認(rèn)識(shí)平衡尺，并通過一組實(shí)驗(yàn)，初步研究杠桿撬重物的秘密。教師規(guī)定了在支點(diǎn)左側(cè)10 厘米的位置掛2 個(gè)鉤碼代替男教師，實(shí)驗(yàn)中當(dāng)平衡尺平衡時(shí)，記錄右側(cè)的數(shù)據(jù)。

活動(dòng)三：利用平衡尺收集更多組實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，再次研究杠桿撬重物的秘密。在這次活動(dòng)中，學(xué)生自己設(shè)定平衡尺支點(diǎn)左側(cè)男教師的位置和重量，再通過實(shí)驗(yàn)記錄右側(cè)的數(shù)據(jù)。

活動(dòng)四：舉例分析并解釋生活中常見的省力杠桿。

通過活動(dòng)一，學(xué)生探究的興趣大增，并提出了感興趣的問題?；顒?dòng)二和活動(dòng)三，都是利用平衡尺研究如何省力?；顒?dòng)二中，學(xué)生通過對(duì)一組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，初步得出結(jié)論?；顒?dòng)三中，學(xué)生搜集了多組數(shù)據(jù)，不僅對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，還運(yùn)用了歸納的思維方法分析并得出結(jié)論。最后，學(xué)生進(jìn)行遷移應(yīng)用。

這四個(gè)活動(dòng)看似層層遞進(jìn)，但是仔細(xì)分析不難發(fā)現(xiàn)，這種遞進(jìn)僅僅表現(xiàn)在思維方法上：提出問題—比較—?dú)w納—遷移。如果從概念建構(gòu)的角度來分析，這里每一個(gè)活動(dòng)指向的概念都是如何讓輕的物體把重的物體撬起來，即都是省力杠桿。學(xué)生并不能通過這幾個(gè)活動(dòng)全面地認(rèn)識(shí)杠桿背后的秘密，也就無法建構(gòu)完整的杠桿概念。因此，教學(xué)活動(dòng)的螺旋遞進(jìn)，不僅要體現(xiàn)思維的發(fā)展，還要指向概念的建構(gòu)?；谝陨系南敕ǎP者設(shè)計(jì)了第二次教學(xué)活動(dòng)。

活動(dòng)一：通過玩蹺蹺板，認(rèn)識(shí)杠桿的結(jié)構(gòu)，并提出初步的猜想：輕的同學(xué)能不能把重的教師撬平衡呢？

活動(dòng)二：借助平衡尺做模擬實(shí)驗(yàn)，并通過一次實(shí)驗(yàn)，初步研究杠桿撬重物的秘密。學(xué)生用較多的鉤碼模擬男教師并掛在支點(diǎn)左側(cè)，用較少的鉤碼模擬輕的同學(xué)并掛在支點(diǎn)右側(cè)。當(dāng)平衡尺撬平衡時(shí)，記錄數(shù)據(jù)。

活動(dòng)三：利用平衡尺做更多的實(shí)驗(yàn)，通過多組實(shí)驗(yàn)，探究杠桿背后的秘密。這個(gè)活動(dòng)是一個(gè)挑戰(zhàn)性的任務(wù)：如果在支點(diǎn)左側(cè)10 厘米處掛2 個(gè)鉤碼，那么在右側(cè)哪個(gè)位置掛幾個(gè)鉤碼才能平衡呢？如果在支點(diǎn)左側(cè)10 厘米處掛3 個(gè)鉤碼呢？學(xué)生在充分猜測的基礎(chǔ)上再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，依據(jù)數(shù)據(jù)分析出杠桿背后的秘密。

活動(dòng)四：舉例分析并解釋生活中常見的各種類型的杠桿。

活動(dòng)二中學(xué)生用鉤碼模擬重的教師和輕的同學(xué)，在對(duì)本組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較和分析的基礎(chǔ)上，再歸納全班的數(shù)據(jù)，能發(fā)現(xiàn)撬起重物的秘密，即省力杠桿?；顒?dòng)三中學(xué)生在對(duì)挑戰(zhàn)性任務(wù)進(jìn)行猜測時(shí)，不僅要依據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)，更要依據(jù)活動(dòng)二中的數(shù)據(jù)。學(xué)生要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行充分分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行推理和猜測。最終通過對(duì)數(shù)據(jù)的比較、分析與歸納，發(fā)現(xiàn)省力杠桿、費(fèi)力杠桿和不省力也不費(fèi)力杠桿。從思維的角度來分析，學(xué)生從第二個(gè)活動(dòng)到第三個(gè)活動(dòng)，經(jīng)歷了多次推理論證的過程。從概念建構(gòu)的角度來說，學(xué)生從研究省力杠桿開始到探究所有類型的杠桿，是在逐步建構(gòu)完整的杠桿概念。

二、依據(jù)問題與證據(jù)推進(jìn)活動(dòng)與思維的螺旋上升

“雙螺旋結(jié)構(gòu)”科學(xué)課堂旨在將探究活動(dòng)與科學(xué)思維進(jìn)行有效的聯(lián)結(jié)，讓學(xué)生的探究能力與思維能力能夠關(guān)聯(lián)共生、螺旋發(fā)展。而將這兩者進(jìn)行有效聯(lián)結(jié)的紐帶就是“問題”和“證據(jù)”。

（一）推進(jìn)活動(dòng)遞進(jìn)的手段——關(guān)鍵問題

“問題”，是指圍繞某一探究目標(biāo)，在探究活動(dòng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)精心設(shè)計(jì)指向明確的關(guān)鍵問題，由這些具有一定邏輯結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵問題組成問題鏈，環(huán)環(huán)相扣，成為實(shí)現(xiàn)同一目標(biāo)的閉環(huán)的整體結(jié)構(gòu)。這些關(guān)鍵問題之間相互關(guān)聯(lián)，具有一定的邏輯關(guān)系，指向共同目標(biāo)。因此，設(shè)計(jì)好每一個(gè)關(guān)鍵問題，能引領(lǐng)探究活動(dòng)的開展。而這些關(guān)鍵問題組成的問題環(huán)扣，能逐步推動(dòng)探究活動(dòng)的遞進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)探究的目標(biāo)，從而讓學(xué)生的探究實(shí)踐能力不斷得到提升。

那么如何設(shè)計(jì)環(huán)環(huán)相扣的關(guān)鍵問題呢？教師需要明確每一個(gè)活動(dòng)需實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，依據(jù)活動(dòng)目標(biāo)，設(shè)計(jì)環(huán)環(huán)相扣的關(guān)鍵問題。

以《撬重物的竅門》第二次教學(xué)為例。

第一個(gè)活動(dòng)目標(biāo)是通過玩蹺蹺板，認(rèn)識(shí)杠桿的結(jié)構(gòu)。因此，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題為：仔細(xì)觀察蹺蹺板，它的結(jié)構(gòu)是什么樣的？

第二個(gè)活動(dòng)目標(biāo)是借助平衡尺做模擬實(shí)驗(yàn)，研究撬起重物的秘密。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題為：在什么情況下，輕的同學(xué)能把重的教師撬平衡呢？

第三個(gè)活動(dòng)目標(biāo)是通過平衡尺的挑戰(zhàn)性任務(wù)，在論證的過程中發(fā)現(xiàn)杠桿的秘密。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題是：依據(jù)數(shù)據(jù)分析，這些杠桿都是省力杠桿嗎？說說理由。

第四個(gè)活動(dòng)目標(biāo)是將研究杠桿的結(jié)果運(yùn)用于解釋實(shí)際問題。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題是：它們屬于哪一種杠桿，你能解釋嗎？

在這一個(gè)個(gè)關(guān)鍵問題的引導(dǎo)下，探究活動(dòng)能不斷地推進(jìn)，學(xué)生的探究實(shí)踐能力也在逐步提升。活動(dòng)一中，學(xué)生首先需仔細(xì)觀察蹺蹺板的結(jié)構(gòu)，并在詳細(xì)的描述中認(rèn)識(shí)杠桿的結(jié)構(gòu)。此時(shí)，學(xué)生應(yīng)掌握觀察的科學(xué)方法。活動(dòng)二中，學(xué)生要利用鉤碼和平衡尺設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)，并通過實(shí)驗(yàn)搜集證據(jù)，分析證據(jù)并發(fā)現(xiàn)撬重物的秘密。在這個(gè)探究活動(dòng)中，學(xué)生要能夠制定計(jì)劃并搜集證據(jù)，分析證據(jù)并得出結(jié)論，以及準(zhǔn)確地表達(dá)?；顒?dòng)三中，學(xué)生要基于上一個(gè)活動(dòng)的數(shù)據(jù)，完成挑戰(zhàn)性的任務(wù)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并搜集證據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與解釋，發(fā)現(xiàn)杠桿的秘密。在這個(gè)探究活動(dòng)中，學(xué)生要能針對(duì)科學(xué)問題進(jìn)行合理的猜測，經(jīng)歷較為完整的探究過程，還需對(duì)結(jié)果進(jìn)行解釋。也就是說，通過該活動(dòng)，學(xué)生能夠較為全面地獲得科學(xué)探究能力?；顒?dòng)四中，學(xué)生在分析并解釋生活中常見的各種類型杠桿時(shí)，就已經(jīng)掌握了解釋的科學(xué)方法。

（二）促進(jìn)思維提升的關(guān)鍵——證據(jù)鏈條

“證據(jù)”是指學(xué)生在科學(xué)探究活動(dòng)中通過觀察、實(shí)驗(yàn)、調(diào)查等多種途徑來獲得事實(shí)和證據(jù)，通過對(duì)證據(jù)的提取、整理、組合形成具有內(nèi)在邏輯關(guān)系、能夠證實(shí)（證偽）科學(xué)問題的證明鏈條。

學(xué)生在螺旋遞進(jìn)的探究活動(dòng)中，能夠逐步獲得具有內(nèi)在邏輯關(guān)系的證明鏈條。而后，當(dāng)學(xué)生對(duì)諸多證據(jù)進(jìn)行推理論證時(shí)，要基于證據(jù)與邏輯，運(yùn)用分析與綜合、比較與分類、歸納與演繹等思維方法，建立證據(jù)與解釋之間的關(guān)系并提出合理見解。這個(gè)過程能有效地促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展。

如何幫助學(xué)生利用證據(jù)進(jìn)行推理論證呢？教師需采取有效的策略，幫助學(xué)生運(yùn)用合適的思維方法，建立證據(jù)與解釋之間的關(guān)系并進(jìn)行表達(dá)和交流，讓學(xué)生的思維顯性化。通過有內(nèi)在邏輯關(guān)系的證據(jù)，促進(jìn)學(xué)生思維的不斷發(fā)展。

《撬重物的竅門》第一次教學(xué)時(shí)，學(xué)生將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表格里，實(shí)驗(yàn)后將數(shù)據(jù)讀了一遍，便得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，缺少推理論證的過程。因?yàn)闆]有全面地經(jīng)歷比較、分析、歸納等思維活動(dòng)，所以學(xué)生的科學(xué)思維能力無法得到提升。

第二次教學(xué)，為了促使學(xué)生利用思維方法對(duì)證據(jù)進(jìn)行解釋，教師采用了以下策略。

1.設(shè)置論證主張表

我們的觀點(diǎn)是什么？我們的證據(jù)是什么？我們的解釋是什么？我們的結(jié)論是什么？

基于這種科學(xué)論證的框架，學(xué)生在進(jìn)行推理時(shí)，需對(duì)搜集到的證據(jù)進(jìn)行比較、分析和歸納。學(xué)生依據(jù)這種框架進(jìn)行解釋，就能較為完整地將思維歷程進(jìn)行表達(dá)和交流。

2.轉(zhuǎn)變記錄方式

本課中，學(xué)生在對(duì)證據(jù)進(jìn)行分析時(shí)，不僅需要將動(dòng)力點(diǎn)到支點(diǎn)的距離與阻力點(diǎn)到支點(diǎn)的距離進(jìn)行比較，還需將動(dòng)力與阻力的大小進(jìn)行比較。為了便于學(xué)生發(fā)現(xiàn)距離與力的關(guān)系，可以將數(shù)據(jù)記錄轉(zhuǎn)變?yōu)楫媹D記錄。因?yàn)楫媹D的呈現(xiàn)方式可以讓距離和鉤碼數(shù)量的比較看起來更加直觀。

3.設(shè)計(jì)有利于論證的任務(wù)單

學(xué)生在完成挑戰(zhàn)性任務(wù)時(shí)，可以將猜測的想法畫在任務(wù)單上。之后，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)搜集的證據(jù)也可以記錄在同一張任務(wù)單上。也就是說，任務(wù)單不僅可以呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)前的觀點(diǎn)，還可以呈現(xiàn)真實(shí)的證據(jù)。這就促使學(xué)生要依據(jù)搜集到的證據(jù)對(duì)原先的觀點(diǎn)進(jìn)行解釋，可以利用證據(jù)支持之前的觀點(diǎn)，也可以提出反對(duì)或質(zhì)疑。

利用有效的策略，學(xué)生能夠基于證據(jù)進(jìn)行推理論證。在科學(xué)論證的過程中，學(xué)生的科學(xué)思維能力逐步得到發(fā)展。

三、結(jié)語

總之，構(gòu)筑“雙螺旋結(jié)構(gòu)”的科學(xué)課堂，需要圍繞核心概念設(shè)計(jì)螺旋遞進(jìn)的探究活動(dòng)。而將探究活動(dòng)與科學(xué)思維緊密聯(lián)系、螺旋發(fā)展時(shí)，就需要起著關(guān)聯(lián)作用的紐帶，它既能在螺旋遞進(jìn)的探究活動(dòng)中客觀存在，又能逐步發(fā)展科學(xué)思維。這個(gè)紐帶就是問題與證據(jù)。環(huán)環(huán)相扣的關(guān)鍵問題要依據(jù)活動(dòng)目標(biāo)而設(shè)計(jì)，并推動(dòng)探究活動(dòng)的螺旋遞進(jìn)。在層層遞進(jìn)的探究活動(dòng)中，各種有效的策略能幫助學(xué)生利用證據(jù)進(jìn)行推理論證，從而促進(jìn)科學(xué)思維的不斷提升。