以思维为中心

第一节　以思维为中心

思维是学生未来发展的基础，思维体现在问题解决中。以思维为中心的教学策略强调学生是认知的主体，是知识意义的主动建构者，并不要求教师直接向学生传授和灌输知识，教学中利用“活动”等学习环境要素充分发挥学生的主动性、积极性和创新精神，“通过对具有活动性的科学问题的解决”，在“问题的解决”中帮助和促进学生思维的生成，最终达到使学生有效地实现知识的意义建构的目的。

“思维是一种基于某种目的而进行的有意识的探索行为。”这个目的可能是解释问题、决策制定、计划、解决问题、判断、采取行动等等。⁽¹⁾“科学在不断揭示客观世界和人类自身规律的同时，也促进了人类思维方式的发展和认识水平的提高”，“7—9年级的学生正处在从具体形象思维向抽象逻辑思维过渡的阶段”，⁽²⁾《义务教育初中科学课程标准》（2011年版）同时认为，“科学课程以提高每个学生的科学素养为总目标。通过本课程的学习……养成科学的思维习惯”，“启发学生的思维”，“重视学生科学思维的培养，关注他们的思维过程和行为方式”，“运用创造性思维和逻辑推理解决问题”，“逐步养成质疑、反思的科学思维习惯”。“根据课程目标，确定了科学课程应包括以下方面内容……发展学生思维能力、创新精神和实践能力的内容”，“对科学知识与技能的评价……着重评价学生对科学概念和原理等科学课程核心内容的领会、掌握和应用情况，以及学生分析、综合等思维能力的发展状况”。可见，思维本身就是科学课程应该学习的内容，也是评价的重点之一。在具体的思维形式上，《义务教育初中科学课程标准》（2011年版）提到，“科学探究过程始终贯穿着各种思维活动，如比较、分类、判断、归纳、演绎、想象和分析、综合等，在探究教学中要注重培养学生的思维技能和能力”，也因此，“以思维为中心”的教学策略就教学目标而言侧重于“科学探究（过程、方法与能力）”。但是我们也应该看到，“知识的增加似乎可以减少思考的必要。因此人们开始大量地积累知识。知识是很容易教的，它们都被清清楚楚地写在课本上。知识的发展如此迅速，使得我们几乎没有时间教别的东西”⁽³⁾。所以，思维在课堂里被有意无意地忽略了，活动只是为了获得知识，知识被社会绑架着成为学习的重中之重。

一、揭示思维痕迹

探究有起点，探究的思维也有痕迹。这种痕迹表现在学生困惑、不解、焦虑时力图进行说明的过程。

（一）分析与综合

分析与综合是深度探究之始，其中证据意识是思维的重要基础。在“力的存在”⁽⁴⁾这部分内容的教学中，力与物体形变的关系，初期引入拉弹簧等典型实例，学生很容易理解力能使物体发生形变。一旦讨论到“一只蚂蚁在桌面上爬，桌面会不会发生形变”，学生又开始持怀疑态度。学生的解释当然也是很出色的，如“我在桌面上堆上一堆蚂蚁，桌面一定会形变，所以，一只蚂蚁也可以让桌面形变”。这是以显推微的分析思路。反对的学生即说，“现在只有一点点力，你做一个试试”，可见，学生需要的是真实的以微显微的证据。老师说：“大家拿出放在桌面下的矿泉水（密封完整），轻轻地用手捏，看看能不能发现形变。”原装未打开的矿泉水瓶比较硬，轻轻捏是不容易发现变形的，那学生从中发现了什么呢？学生是这样描述的：我看到了瓶颈上端的水面上升了，如果瓶颈更细一点，会看得更清楚。于是，一个以微显微的设计出来了（见图6‐1），这种思维源于对“原装的矿泉水瓶”细微观察后的深度探究。老师说：我们来比一下，看谁完成这个探究时更科学一点。学生一上台就双手用力一挤压，玻璃管内液面明显上升，学生很兴奋。而后老师先用餐巾纸包上瓶子，然后用手挤压，结果没任何变化。学生一脸的惊异，为什么？讨论后发现，我们的手有问题——热的手会产生干扰，热胀冷缩也可以让液面发生变化的啊，我们要综合考虑影响因素。这种运用差异性的实验方法能够吸引学生关注具体的实验现象，激发学生的兴趣，能帮助学生认识他们的思维与科学概念之间的冲突。

图6‐1　力能使物体发生形变

图6‐2　粉笔对叶绿素进行色层分离

（二）比较

说说三个与粉笔有关的引发比较思维的小活动。

粉笔与土壤中空气含量的测量。坚硬的土壤中有空气，这一点学生不容易理解，现在的学生离土壤越来越远了。预先取两支大小相同的粉笔，把其中的一支粉笔在热液蜡里浸泡一下，表面形成蜡层（粉笔的体积几乎没有变化）。取两支试管，分别倒入10毫升水，然后分别放入粉笔，放入有蜡层粉笔的试管液面几乎没有变化，而放入没有蜡层粉笔的试管里液面迅速下降，甚至看不到流动的水。这种对比，为探究土壤固体体积的测量提供了思维基础——如何排除土壤空隙对测量的干扰，并测出土壤中空气的体积。

粉笔与根毛吸水。根毛吸水与表面积有关，这是一个难点。学生受制于体积大就是表面积大的误区，难以想到相同体积，吸水的表面积可以差别很大。取两支粉笔，把其中的一支的3/4涂上蜡层（如果是课堂上演示，可以直接涂上凡士林），取两支试管，分别倒入10毫升水，然后分别放入粉笔，观察液面的变化，以此情境作为根吸水与表面积关系探究的思维铺垫。

看看叶绿素的颜色。在“物质的分类”条目下，“区别纯净物和混合物”在《全日制义务教育科学（7—9年级）课程标准（实验稿）》中要求“学会混合物的分离技能（过滤、蒸发和纸层析）”，活动建议是：“用简单的物理和化学方法对纯水、净水、矿泉水和自来水进行比较；自制蒸馏水；调查和评价饮用水净化的方法；粗盐的提纯；用纸层析方法对叶绿素、墨水进行分离。”⁽⁵⁾而《义务教育初中科学课程标准》（2011年版）中要求“初步学会混合物的分离技能（过滤、蒸发、结晶和纸层析等”，增加了“结晶”要求，但总体要求从“学会”降低到“初步学会”，教学活动建议是，“自制蒸馏水，调查和评价饮用水净化的方法。粗盐的提纯，用纸层析方法对染料、墨水进行分离”。⁽⁶⁾从活动建议来看，分离染料、墨水不若用粉笔对叶绿素进行色层分离，这样可以把它调整到光合作用学习内容中，并与水浴加热利用酒精对绿叶进行脱色实验形成的颜色相比较，体现技术层面的综合（见图6‐2）。

“揭示思维痕迹”这一策略的操作要点有：

坚信所有的学生都愿意学习并具备基本的分析综合、比较等学习潜能。

学习环境融洽并富有挑战性。

类比移植运用差异性实验方法吸引学生关注具体的实验现象，激发学生的兴趣，帮助学生认识他们的思维与科学概念之间的冲突。

二、细化思维交流

细化思维交流是深度探究的过程。抽象、概括、组合等都是思维细化的具体表现。

（一）抽象与概括

“光合作用”这一节中，为了建立光合作用原理这一复合模型，教材中安排了“植物制造淀粉”的活动、“水生绿色植物放出氧气”的活动、“光合作用需要二氧化碳吗”的探究，同时，还有一个“你能否用其他方法证明，水也是光合作用所必需的原料”的思考，整个建模过程见表6‐1。

表6‐1　光合作用建模活动

通过对上述活动的抽象与概括，可以完成光合作用的建模。在水生绿色植物光合作用产生氧气的活动中，装置的设计安装完成后（见图6‐3），气体也检验了，部分同学都相信绿叶在光下产生了氧气。却有学生在课后提出疑问：这个氧气会不会是来自于水中的？因为清水中有溶解氧啊，能不能用蒸馏水？

那怎么办呢？继续探究。如果蒸馏水里没有二氧化碳怎么办？于是，三个对比实验被提了出来：三个水槽（或大烧杯），分别盛蒸馏水、天然清水、碳酸氢钠溶液（有学生提供背景），其他装置相同，放置相同质量的水藻，置于阳光下，观察试管中相同时间下产生氧气的体积（测量相同规格的试管内气体的高度）。

探究前，又对可能的现象展开讨论：若盛蒸馏水的容器中，产生氧气的速度最慢，你认为是因为水中缺乏二氧化碳还是氧气的含量不如天然清水所致？这里的抽象与概括都存在着问题：因为这种设计不能获得“关于光合作用需要什么”的明确的结论，只能得到“光合作用产生什么”的证据。

图6‐3　水生植物光合作用产生氧气

从方法来说，学生给出这样的设计也算是可圈可点了。可是实际上，这里只要设计一个清水对比就可以了，学生的思维进入了惯性的轨道，组合随之失去了简约。单独一个实验是不能抽象、概括出所有关于光合作用的结论的，光合作用原理经历了几代科学家共同的努力。从1648年的海尔蒙特，到1779年英根豪斯出版了题为《植物实验：发现植物在阳光下净化空气的巨大能力以及夜间和阴天对这种能力的破坏》的一书，历时130年，人类才概括成一个经验公式：

这是人类第一次用化学语言对光合作用进行表达，初步揭示了光合作用反应过程与各个侧面之间的联系。

（二）系列与组合

探究常常是有系列的，可以是综合的一组有层次的系列，也可以是某一知识的集中组合，对其进行比较、分析、综合、抽象、概括，有助于突出培养学生的科学探究能力。如与植物有关的探究、活动，《科学·七年级上》（课标浙江实验版）安排了一个探究，《科学·七年级下》（课标浙江实验版）安排了两个探究，《科学·八年级上》（课标浙江实验版）安排了两个探究，《科学·九年级下》（课标浙江实验版）安排了一个探究，它们培养探究能力的侧重点各有不同，又成系列（见表6‐2）。

七年级以探究中的单一变量与对照组设计为主，从认识变量到已知问题下的变量控制设计。

八年级以探究中的假设与证据、处理数据、观察与证据、使用模型、变量控制强化下的实验设计为主。

表6‐2　《科学》教材植物探究系列

①朱清时：《义务教育课程标准实验教科书·科学·七年级上》（第3版），浙江教育出版社2006年版，第52页。

②朱清时：《义务教育课程标准实验教科书·科学·七年级下》（第1版），浙江教育出版社2005年版，第93页。

③朱清时：《义务教育课程标准实验教科书·科学·七年级下》（第1版），浙江教育出版社2005年版，第94—95页。

④朱清时：《义务教育课程标准实验教科书·科学·八年级下》（第2版），浙江教育出版社2005年版，第58页。

⑤朱清时：《义务教育课程标准实验教科书·科学·八年级下》（第2版），浙江教育出版社2005年版，第86页。

⑥朱清时：《义务教育课程标准实验教科书·科学·九年级下》（第2版），浙江教育出版社2005年版，第49—50页。

九年级的“探索食物网”，是从构建模型中获得信息，并使用模型作初步预测。

从探究学习而言，因为综合各主题之间的内容，所以，目标体系是完整的。而从植物内容的学习角度而言，6个探究分布在数量上还是很有限的，教学中还得补充，所以《科学·八年级下》（课标浙江实验版）中，设计形式多样包括实践、观察、实验、探究、练习等活动（见表6‐3），这种组合围绕根、茎、叶这三种器官展开，只有经过学生的组合，联系七年级的花、果实、种子，才能形成对植物探究的整体认识。

表6‐3　《科学·八年级下》第三章从活动角度对植物探究的补充

这些活动的组合，在探究能力上突出了证据意识，从方法层面上学习了试验梯度设计和相互对照的原理、长期观测、数据处理等，为细化思维交流提供了大量的基础实例。

“细化思维交流”这一策略的操作要点有：

前后联系建立一定的整体思考方法。抽象、概括、系列、组合是一个慢发现的过程。

质疑已知在力图说明之的过程中，发展学生的智力和学习能力。

如果其中含有一些易引起学生争议的科学思想，教师应善于敏锐地观察学生的言语和非言语行为，实施转移思考。

三、尊重思维事实

尊重思维事实是尊重深度探究的结果。科学史、科技史是一种公共结果，具体化、系统化是个性的结果。

（一）史实与对话

对科学技术史在科学课程中的地位与作用，“要避免对科学传奇故事的过分渲染甚至误传，如阿基米德的澡盆、伽利略的斜塔、牛顿的苹果和瓦特的壶盖等。虽然这些故事使学习变得有趣，但对正确地理解科学的探索过程与方法往往并无裨益，因为它们有的过分强调了科学发现的偶然性，忽略了科学发展的历史条件、实际背景和必然性；有的过于简单化，忽略了科学发现中的继承性和真正有价值的思维过程。”⁽⁷⁾但是，教材中的“偶然”还是常常出现的，奥斯特“是在整理器材时偶然发现电流使磁针发生偏转的现象，从来进行持续研究，最终发现了电流的磁效应”⁽⁸⁾。“1895年，德国物理学家伦琴偶尔发现放在……通过进一步仔细的观察和研究，他发现了伦琴射线（X射线）。”⁽⁹⁾“20世纪初，德国地球物理学家魏格纳在30岁那年，意外地发现大西洋两岸的轮廓是如此地相对应。是偶然的巧合，还是非洲大陆曾经与南美大陆是一个整体……”⁽¹⁰⁾科学史上的“偶然”是一种事实，我们无须回避，而为“偶然”所付出的努力，更值得尊重，“更多情况下，科学观察是通过精密计划或研究后进行的”⁽¹¹⁾，亚当斯、勒威耶与“笔尖上发现的行星”——海王星就是一个很好的例子。

科学作为一种文化现象，其特质着重反映在科学家的身上，比如求实的精神、理性的精神，对客观世界的尊重以及在此基础上形成的民主意识、探索的精神，等等。斯腾伯格认为，对话策略最适合思维教学，因为对话能把探究引向深入，“即以思维为基础的问答策略，或者说是对话策略，对话也正是这种方法的特征，这种策略鼓励教师和学生以及学生之间交流。这种交流既可以是口头的，也可以是书面的。在这种策略中，教师提出问题以刺激学生的思维与讨论”⁽¹²⁾。为科学史上的“偶然”开展讨论，是培养学生思维的好时机。

（二）具体化与系统化

“模型与真实事物之间保持着质上和功能上的一致性。建模就是要建立关于现象、事物或系统的概念体系。建模的方法在数学领域用得很多，公式就是一种最简单的建模形式；实际上，建模是人类一种自然的认知现象。当遇到未知的现象时，人们很自然地会建构关于那些现象的个人理论，并以模型的方式在心智中表征他们。”⁽¹³⁾然而，面对“生物是怎样呼吸的”⁽¹⁴⁾课程中简单的呼吸实物模型教学，面对比较优秀的学生群体，我们又该如何体现其中的思维含量？

活动一：猜想

教师：这是一个黑箱（把模型的下半部遮住，只露出导管），这里的导管口有气体进出，请来帮忙，用小纸条放在导管口测试一下（教师同时用手推拉橡皮膜，见图6‐5）。

学生：真有风啊。

教师：风是空气的流动，空气流动的基本规律是从气压高的地方流向气压低的地方——水平时称之为风。你猜下面藏着什么？

学生：下面有打气筒/下面有动物在呼吸/用充气球的在充气……

教师：你用自己的手指，放在鼻孔试试，自己鼻孔处的气流是怎么样的？

学生：（体验）——流入、流出、有间歇的。

教师：你觉得你的体腔内装着什么？不会是打气筒吧？

学生：（笑）

活动二：对比

教师：出示模型。运用先行组织者原理，设计以下情境：

图6‐4　缺失底部的呼吸运动模型

①谁能把这个气球吹大（注意吹气口的消毒，见图6‐4，无底）？

学生很容易成功。

②谁能把这个气球吹大（见图6‐5，底部密封，密封性能比较好，学生用力把气球吹大）？

教师：为什么不容易成功？怎么样才能方便地把气球吹大？

学生：把塞子取下就行。

教师：把塞子打开为什么容易把气球吹大？

活动三：讨论

如何使气球变大—比较三个层面的压强—气球内的气压、外界大气压、玻璃钟罩内的气压。气球内的气压＝外界大气压；玻璃钟罩内的气压会阻止气球进一步变大。

学生的思维常局限于吹气球的模型——“利用外界气压影响气球内气压从来改变气球的大小”，而不能转换成“玻璃钟罩内的气压变化能影响气球的大小变化”。于是有了以下实验。

活动四：展示

教师：我可以很轻松地让气球的大小发生变化？你信吗？

教师：演示（见图6‐5）。

学生：哇！（很激动）

教师：你觉得刚才形成导管口气流进出的，是哪一个模型？

学生：有底的。

教师：人体就有这样的结构，完成这样的功能——让气体进出。

模型的具体化，要进一步提升到让气球变大的两种等效模型上（见图6‐5），同时，让学生在家制作简单的呼吸模型（见图6‐6），到九年级学习碱的性质时，演示氢氧化钠与二氧化碳反应让气球变大的实验（见图6‐7），学生的知识会在压强的改变方式上形成新的系统化。

图6‐5　让气球变大的两个等效模型

图6‐6　学生设计的呼吸模型

图6‐7　氢氧化钠与二氧化碳反应

“尊重思维事实”这一策略的操作要点有：

明确不同年级的核心科学思想，确定各年级核心科学思想的教学任务。

为学生创设问答、讨论的情境，使学生经历真实的互动学习体验。

指导学生设计运用科学思维方法的情境或在情境中角色扮演。