科学课堂对学生科学思维能力的培养

韩玉明：小学科学特级教师，中国教育学会科学教育分会优秀教师，全国优秀辅导员，山东省教学能手，山东省小学科学教研教学先进工作者，山东省课程专家，国标青岛版小学《科学》教科书核心作者。在全国、省级报刊上发表教学论文30余篇，主持、参与5项国家、省级课题实验研究。

《小学科学课程标准》明确提出：“小学科学课程是一门以培养学生科学素养为宗旨的基础性课程，早期的科学教育对一个人的科学素养形成具有十分重要的作用，培养小学生科学素养是小学科学课程的主要任务。”胡卫平教授把科学学科核心素养分为了科学观念、科学探究、科学思维、科学态度与责任四大部分。其中，科学思维作为科学学科核心素养的核心部分，主要包括三层含义：一是从科学视角对客观事物本质属性、内在规律及相互关系的认识方式，对科学中的基础理论、理想模型和经验事实之间关系的理解;二是分析综合、抽象概括、推理论证等科学思维方法的内化;三是基于事实证据和科学推理，对不同观点和结论提出质疑、批判，进而提出创造性见解的能力与品质。

一、提出科学思维的依据

（一）批判性思维和创造性思维是21世纪必备的技能

思维与创新、交流与合作是21世纪最主要的技能，而科学对人的影响，最重要的是形成科学的思维方式和创新精神。思维方式、工作方式两个方面的内容是科学学科需要培养的学生核心素养。

（二）学生发展核心素养报告中的大部分内容涉及思维与创新

学会学习主要是指学生面对新的情境或者具有挑战性的学习任务时，所表现出来的在思维、认知策略和自我调控等方面的综合能力，包括对学习的兴趣、习惯方法、思维方式、认知策略等。

（三）科学教育研究重视科学论证和模型思维

科学论证是一种学习方式，可以帮助学生发展科学探究能力、建构科学知识并促进科学概念转变与理解、提升科学认识水平、提升推理能力、批判思维能力和交流能力。科学论证是一个重要的科学能力。如，英国将“想法和证据”设定为教育目标;西班牙将“论证能力”拟定为学生必须具备的基本能力;PISA（2015）对科学能力的评价，包括认识科学问题、运用知识科学地解释现象、运用科学证据做决策与他人交流。

（四）各国科学课程标准都将“思维与创新”列为核心素养和教育目标

例如，加拿大安大略课程（1～8年级）科学与技术，对学生知识和能力的评估目标中就包括思维和探究：批判性思维和创造性思维、探究技能和过程能力。其科学课程的目标之一，是发展学生进行探究的技能、策略和思维习惯。英国《国家课程标准》强调思维能力以及发现运用创造性的手段解决科学问题的方法。新加坡《小学科学课程大纲》提出，小学阶段需要培养的基本技能和综合技能目标之一，就是分析、评价、创造性地解决问题。澳大利亚维多利亚物理课程标准强调模型建立的科学思维过程、分析、综合、评价等。韩国的科学教育目标提出，培养学生科学思考的能力和创造性解决问题的能力。

二、什么是科学思维

科学思维，也叫科学逻辑，即形成并运用于科学认识活动、对感性认识材料进行加工处理的方式与途径的理论体系。它是真理在认识的统一过程中，对各种科学思维方法的有机整合，是人类实践活动的产物。

科学思维包括四个要素。

模型建构：能根据研究问题和情境，在一定条件下对客观事物进行抽象和概括，构建易于研究的、能从主要方面反映事物本质特征和共同属性的理想模型和概念。

科学推理：正确使用分析、综合、归纳、演绎、比例、概率、控制变量等方法;从定性和定量两个方面进行科学推理，形成规律及理论，解释自然现象和解决实际问题。

科学论证：使用科学证据的意识和评估科学证据的能力，运用证据对研究问题进行描述、解释和预测的能力，以及建立证据与解释之间关系的能力。

质疑创新：具有批判性思维的意識，善于基于证据大胆质疑，能从不同角度思考问题，追求科技创新。

思维与创新、交流与合作是未来学生最主要的技能，而科学课会对学生形成科学的思维方式和思维品质产生重要的影响。《中国学生发展核心素养研究报告》提出的“学会学习”“主动适应与创新”中的大部分内容涉及思维与创新。学会学习主要是指，学生面对新的情境或者具有挑战性的学习任务时，所表现出来的在思维、认知策略和自我调控等方面的综合能力。这包括对学习的兴趣、习惯方法、思维方式、认知策略等。科学教育研究重视科学论证与模型思维。综上所述，小学科学教学的主要目标之一，就是培养学生的科学思维能力。

三、充分挖掘教材中的探究活动内容，培养学生的科学思维能力

教材是学生进行科学探究活动、提升科学思维能力、培养优良思维品质的素材。青岛版《科学》教科书注重对学生思维能力的培养，设计的探究活动注重创设问题情境，激发学生的学习动机，引起认知冲突，引导学生对活动对象、活动过程、思维方式、经验教训等进行反思和迁移。目的是以知识为载体，以思维方法为重要线索，在探究活动中提高学生的思维品质。教科书以“问题式”引入探究活动，以“探究式”展开活动过程。思维的引入，以提问、启发的方式进行。思维的训练以“活动过程”“自由活动”与“拓展活动”为依托，课内外结合，在着力培养学生一般思维方法与能力的基础上，强调创造性思维。

例如，教材中常常以泡泡语的形式呈现“你怎么知道？”“说一说为什么这样猜？”这样的问题，以培养学生思维的逻辑性;“还有哪些方法？”“我还发现……”这样的问题，以培养学生思维的发散性。科学结论是在学生经历探究活动之后，经过思考、分析、交流后总结出来的，从而培养了学生思维的概括性等等。

再例如，在进行教学设计时，要注重研究“思维导航”这个栏目，其是为引领学生的探究活动、将培养学生的科学思维能力与思维品质落到实处而设置的。在学生探究活动的各个环节中，设计一系列有思维含量的与探究活动有紧密关系的问题进行引导与帮助，以使探究活动顺利进行，学生的科学思维能力得以提升。比如，在青岛版《科学》教科书四年级下册《声音的产生》一课中，设计了探究活动“声音是怎样产生的？”。教科书呈现的是五幅学生分别利用音叉、钢尺、矿泉水瓶、水、空气等物体探究声音是怎样产生的特写图片。这个活动的思维导航：将正在发声的音叉插入水中，水面有什么现象？说明什么？钢尺、水、空气等物体发声时分别出现什么现象？这些现象有什么共同特征？

思维导航中的第一个问题可以引导学生进行实验的操作，提醒学生观察实验时发生的现象，并让学生思考物体发声时是什么状态;第二个问题要求学生在利用其他不同器材做声音产生实验时注意观察发生的现象;第三个问题则是引导学生思考分析各个实验中的现象，交流与归纳这些现象后面的共同特点与规律，即物体振动时会发出声音。

在思维导航的引导下，学生利用身边常见的材料，通过几个简单的小实验，就会从科学的视角对客观事物本质属性与经验事实之间建立联系与理解。思维导航不仅可以有效地指导学生按照观察现象—交流发现—归纳结论的正确方法与步骤，进行有关“声音产生”的探究活动，还为拓展自然界与生活中的一些有关声音产生的现象做了铺垫，进而培养学生的逻辑思维能力与发散思维能力。

四、利用多种方法，培养学生科学思维能力

科学思维方法是人们通过思维活动，为了实现特定思维目的所凭借的途径、手段或办法。基础的科学思维方法包括：抽象与概括、分析与综合、归纳与演绎、对比（求同和求异）、原因与结果、因果思维、逆向思维、递推法等等。在思维活动中，思维方法具有十分重要的作用，它是思维主体和思维对象发生联系的中介和桥梁。没有科学的思维方法，学生的科学思维能力就无从培养，科学思维活动就不能顺利进行并取得成效。

教学活动是教师教的活动和学生学的活动的有机统一。对于学生学的活动来讲，不论是明确探究目的、感知探究材料、理解科学知识、掌握探究方法、迁移运用知识、反思学习过程，还是提出问题、分析问题、解决问题、师生互动、生生互动等，其核心活动都是思维。对于教师教的活动来讲，明确探究目标、了解学生基础、进行探究活动设计、创设教学情境、组织探究活动、反思教学过程等，核心活动也是思维。思维活动是课堂教学中师生的核心活动。

例如，在青岛版《科学》教科书三年级下册《弹簧的学问》一课中，认识弹力与弹性是本课的教学重点，对于学生来说有一定的难度，学生在动手操作与认识物体的弹力之间有一些障碍。教学时，我设计了“玩一玩，有什么发现？”这样一个探究活动，让小组学生在组内玩各种有弹性的物体：拉弹簧、压弹簧、握握力器等。在活动过程中设计了以下问题：1.拉弹簧时，弹簧的长度发生了什么变化？手有什么感觉？松手后，弹簧有什么变化？2.压弹簧时，有什么发现？顺着这几个问题，学生的探究活动就不会停留在嬉戏玩闹的阶段，不仅可以按照正确的方式方法进行探究活动，知道弹簧在受力时长度会发生改变，感受到弹簧被压缩或拉伸时，会产生一种恢复到原来形状的力，而且在探究的过程中，学生在自己动手操作与事实证据的基础上，对实验的现象与发现进行思考、分析、对比、归纳，自然而然地总结出了什么是弹力。更重要的是，在这些探究过程中，学生动手又动脑，通过所运用的思维方法，培养了他们分析现象、解决问题的科学思维能力。

再比如，在青岛版《科学》教科书五年级上册《云和雾》一课中，设计了探究活动：“雾和云是怎样形成的？”教科书呈现的是一幅两个学生在制造雾的实验场景图。这个活动的思维导航：1.在烧杯中倒入不冒“白气”的温水。想一想：杯内除了水，还有什么？2.把冰块接近杯口时，发生了什么现象？把冰块移开，还有这种现象吗？反复做几次，有什么发现？3.“雾”是怎样形成的？学生会按照导航中的要求与提示按步骤进行实验，观察现象的同时，思考与交流导航中的问题，自然得出雾形成的条件，进行推想自然界中雾和云的成因。思维导航不仅可以为模拟实验的顺利完成保驾护航，还为类比推理自然界与生活中的一些凝结现象做了铺垫，进而培养学生的动手操作能力与科学思维能力。

教师是发展学生思维能力的促进者，我们倡导创新课堂教学模式，积极构建“思维课堂”，即在课堂教学中，采取启发诱导的教学原则，鼓励学生质疑，注重学思结合，突出积极思维，从而培养学生的思维能力、学习能力和创造力。

课堂是激发学生智力思考的殿堂，在日常科学课堂教学中，需要设计科学思维含量高的探究活动，并在探究活动的各个环节与要素中，让学生充分地练习这些思维方法，特别强调学生思维的参与。科学课堂中探究活动的流程一般包括提出问题、猜想假设、制订方案、搜集证据、交流总结、拓展应用、反思评价等要素，每个要素都会涉及多个科学思维方法，注重科学思维方法的训练。这样不仅可以加强与发展学生的科学思维能力，也能促使探究活动有序有效地进行，避免程式化、表面化的探究。同時，基于学生的认知规律等因素，随着探究活动的深入，还要注重培养学生科学的思维习惯以及对证据、科学见解等质疑的习惯。