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凸显科学本质 感悟学科之美

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  加深学生对科学本质的理解是小学科学学科核心素养培养的重要组成部分。对小学科学课而言,重在培养以下三方面素养:一是培养学生的质疑精神,即让学生意识到科学结论是有局限性的,随着时间的推移,其结论也是可以改变的;二是培养学生的实证意识,即让学生意识到科学是一种实证系统,它可以通过证实的、证伪的方法来判断并得出结果,可以重复多次、反复检验的;三是培养学生的逻辑思维,即让学生意识到科学的结论是符合逻辑的,可以通过推理的方法得出结论。因此,有计划地把“科学本质观”培育细化渗透到探究活动的具体指导上,形成跟“科学本质观”有关的科学特质的认识,感悟科学的学科之美,是很有必要的。下面,笔者以“物体在水中是沉还是浮”一课的教学为例,来谈谈对上述问题的认识。
  一、强化质疑求证,凸显探究实践,感悟科学探索之美
  科学中蕴含奇妙的美,许多伟大的科学家都在追求这种科学美,如牛顿对古典力学从统一性的美学角度成功地进行了完美的综合,又如法拉第对电磁力转换定律那“简单而又美丽”公式的思索,等等。出于对这种美的渴望,科学家逐渐产生了深厚的哲学信念,并成为他们自然观的重要组成部分和创造活动中无穷毅力和耐心的动力来源。为此,强化质疑求证,凸显探究实践,既是“科学观本质”养育的重要方法,也将有助于学生更好地感悟科学探索之美。
  (一)理解教材,以實证为主线,巧妙重组教学内容
  教师应通过大量的经验证据为每个结论提供大量的科学依据,使学生理解教科书中的结论是基于大量科学推理过程中的科学依据和相应的推理过程而得出的,以激发学生的实证意识。
  “物体在水中是沉还是浮”是教科版《科学》五年级下册“沉和浮”单元学习的第一课,主要是从学生常见的沉浮现象开始研究有关沉与浮的知识。教科书内容分为三部分。
  第一部分为“观察物体的沉浮”,通过“观察砖块、木块在水中的沉浮”这一项简单的观察活动,确定判断物体在水中是沉还是浮的标准。同时,规定了实验操作的方法应该是:把物体轻轻从水面放入水里,而不是把物体扔进水中,也不是放在水面上。
  第二部分为“观察更多的物体在水中的沉浮”,课本安排了七种结构材料让学生进行观察。在这个观察活动开始前,教材对观察活动提出了新要求,即要先预测物体在水中的沉浮状况,并说出理由,再把它们放在水中观察检验。
  第三部分为“观察同种材料构成的物体在水中的沉浮”,这部分研究的内容实际上指向的是物质的密度概念,但并不出现密度概念。通过用橡皮、萝卜、回形针和木块作为研究材料,学生会明白:同种材料构成的物体,把它们的体积、重量增大或缩小,它们的沉浮状况不会改变,隐含着材料本身的质地(物质的密度)与物体在水中的沉浮有关系的规律。
  对五年级的学生来说,“物体在水中的沉浮”是他们十分熟悉的现象。一方面,学生对于“沉和浮”有着丰富的生活经验;但另一方面,他们也有着许多似懂非懂的认识,如他们常常会说:“重的物体下沉,轻的物体上浮”“大的物体下沉,小的物体上浮”,有时他们也会不解“钢铁会沉下去,用钢铁制造的轮船却为什么能浮起来”。所以,作为该单元的第一课,在进行目标定位和重难点确定时,应侧重于组织学生通过反复的推测和实验,不断调整自己的猜测,及时纠正自己的错误前概念,经历“观察—发现—预测—验证”的这样一个科学探究的过程才是本节课的教学重点。
  因此,在设计课堂教学过程时,教师分三次安排了让学生发表自己对影响物体沉浮主要因素的看法:
  【片断一】预测更多的物体在水中的沉浮
  师:老师还为每个小组准备了八种物品(小石块、泡沫塑料块、回形针、蜡烛、带盖的空瓶、茭白、橡皮、环形磁铁),把它们放入水中,哪些会沉,哪些会浮呢?你们的预测还会那么准吗?请仔细观察,预测并完成记录,并在小组内交流预测的理由。
  (学生汇报)
  师:大家认为物体在水中的沉浮情况可能与物体的轻重、体积的大小、材料和形状等因素有关(出示一张大铅画纸,把相关因素张贴上去),那你认为影响物体沉浮的主要因素会是哪一个呢?请你用红色的圆圈代表你的意见,把它张贴到相对应的区域。
  【片断二】更多的物体在水中的沉浮实验后再次做出判断
  师:请大家将材料擦干后放回材料盒。哪一组同学愿意来汇报一下你们的实验结果?
  (学生汇报)
  师:大家对于他们组的实验结果有意见吗?都同意,好,那现在请你根据实验结果再好好地思考一下,对于影响物体沉浮的主要因素是否需要更改你的想法,请你再次用黄色的圆圈代表你的意见,把它张贴到相对应到区域。
  【片断三】观察同一种材料构成的物体在水中的沉浮
  师:现在如果我们不改变材料,改变它们的体积大小与轻重,比如这是刚才研究的橡皮,它在水中是沉的,现在我用剪刀剪的方法,把橡皮逐步变小,橡皮还会一直沉吗?相反,如果我们用叠加的方法将同一种材料增加它的体积大小与轻重,比如这是刚才研究的环形磁铁,它在水中是沉的,如果两颗、三颗磁铁吸在一起,会怎样?
  (学生预测并实验)
  师:我们发现同一种材料构成的物体,改变它们的体积大小和轻重,在水中的沉浮现象不变。现在如果请你再次发表自己的看法,你会这么选择呢?请你再好好思考一下,最后请你再次用绿色的圆圈代表你的意见,把它张贴到相对应的区域。
  上述三次判断过程,实际上反映出学生的一个思考辩证、思维螺旋上升的过程。在这一过程中,通过以实证的意识组织教学内容,引导学生根据实验整理、分析研究结果,从而总结物体在水中的沉浮与哪些因素有关,在潜移默化中达到培养学生“科学本质观”的最终目的。
  (二)实验实践,以探究为核心,不断完善科学概念的形成
  探究是科学发展的前提和基础,作为一门以培养学生科学素养为宗旨的基础性课程,教师不能忽视科学实验环节对验证科学理论的重要作用,应该将科学探究与提升学生科学素养两者进行有机结合,特别是学生自己动手实验。通过自主实验,学生可以更直观地观察相应的科学变化、把握科学的本质。   例如,对于沉浮每个孩子都有自己的看法,如何从学生已有的基础上出发,对原有的前概念进行不断地修正和完善,这是本单元面临的问题,也是本节课开始探索的任务。所以,在设计本课时,教师注重通过反复的猜测和实验,组织学生不断调整自己的猜测,纠正错误的先入之见,体验“观察—发现—预测—验证”科学探究的一般过程。
  【片断四】课堂小结
  师:同学们,通过刚才的预测、实验,以及后来的新思考,关于物体沉浮到底与哪个因素有关,我们的意见一直都在发生变化,这是因为我们找到了一些证据证明或推翻了我们原来的想法,寻找证据证实我们的想法,这在我们的科学学习中很重要。那么,物体在水中的沉浮到底跟什么因素有关呢?是不是就真的只与材料有关,与物体的轻重、大小无关呢?目前我们还仍然有不同的意见,我们也将通过一个单元的学习去寻找真正的答案,大家准备好了吗?
  在课堂小结阶段,通过对学生的三次判断结果展示的介绍,引导学生意识到寻找证据证实我们的想法在科学学习中的重要性。而且,直到课的结束,仍然没有一个确切的答案,可能反而使学生对影响沉浮的因素产生了更大的困惑。这一设计意图打破课内外的界限,让学生带着问题走出教室;这实际上也体现了单元起始课的一个重要作用,那就是为接下来的进一步学习激发起更强烈的学习欲望和兴趣。从无疑到有疑,到产生新的疑,小疑则小进,再疑则再进,课始于疑,课终还有疑,学生质疑,教师激疑……疑是学习起步,亦是发现探索之源。
  (三)拓展教材,渗透科学史教学,以创新的视角看待技术改进和科学发展的过程
  科学本质涉及科学的历史、哲学与社会等方面。因此,“科学本质观”的培养不能脱离科学知识的学习。在科学教学中适当融合科学史,在学生可以理解的程度上,让学生在有事实依据的历史背景或情境中学习科学,不仅有利于学生获得科学知识,同时还能更好地了解科学概念、定理及理论的发现和演变的逻辑过程,进而更为透彻地看待科学知识和科学方法,领悟科学的本质。
  比如,本课教学后可巧妙引入阿基米德巧辩皇冠真假的故事,帮助学生进一步理清物体在水中是沉还是浮的原因。当然,类似的例子还有很多,如在学习“电与磁“的时候,教师告诉学生奥斯特发现电与磁的过程,这样学生便知道,即使是生活中常见的事情也经历了一个漫长的发现过程,正因为依靠科学家的不断研究和创新,今天生活才呈现出了便利的状态。
  通过对科学史、科学哲学知识的渗透、融合,可以逐步引导学生思考和思维创新,传递给学生“创新作为科学的本质,在科学发展中发挥着巨大作用”的观点,激励学生进行主动探索科学创新,更好地把握“科学本质观”。
  二、强化教学对话,凸显思维过程,感悟科学理性之美
  科学之美主要还是反映在理性之美,反映在内容的真与形式的美相结合中,主要表现为对自然界或反映自然界运动规律的科学理论、科学成果在结构上的理解和欣赏。对于科学产生的理性美感,审美主体在科学探索中逐步形成的理性观念对美的发现和美的感受起到了关键作用。为此,强化教学对话,凸显思维过程,是“科学观本质”养育的重要方法,将有助于学生更好地感悟科学理性之美。
  (一)整合环节,化繁为简,留出更多思考时间
  很多时候,我们常常会抱怨课堂时间不够,完不成教学任务,从而没有更多的时间去关注和重视这些核心素养的培养。究其原因,往往主要是教学活动过多、环节过多造成的。
  如“物體在水中是沉还是浮”这一课,教材安排了四个观察活动:观察砖块、木块在水中的沉浮,确定判断物体沉浮的标准和操作规范;观察更多的物体在水中是沉还是浮、提出沉浮可能与什么有关;用橡皮和萝卜作为研究材料,研究材料不变的情况下减小物体体积和重量是否会影响沉浮;用回形针和木块作为研究材料,研究材料不变的情况下增大物体体积和重量是否会影响沉浮。
  如果从核心素养培养的角度出发,则需要我们对教材进行深入的解读,透过活动现象的表面去挖掘深层次的思考,突出教学活动的本质。因此,这节课理想的教育期望应该是:通过这些活动让学生感悟到,物体在水中的沉浮可能与大小、轻重、材料、形状等因素有关;而同一种材料的物体,改变大小、轻重不改变物体的沉浮状况。通过这些活动,不断质疑、完善和修正学生错误的前概念,帮助他们对影响沉浮的因素进行深层次的思考,从而促进思维的发展,这才是这节课要真正追求的目标。但是,从多次教学实践来看,这么大的活动容量如果不加以整合和精简,往往是来不及完成任务,或者只能是让活动停留在表面,而不能真正深层次地去促进学生的思维发展。如何更好地体现活动的价值,帮助学生不断突出思维发展这一目标?带着这些思考,我们进行了新的教学设计和实践。
  首先,笔者对导入环节进行了精心的设计,采用直奔主题的方式,设计了一个让学生猜测、观测装有水的气球在水中是沉还浮的活动。虽然活动简单,但却包含三个意图:一是通过对装有水的气球在水中是悬浮状态引发学生对沉浮判断的思维矛盾,从而自然地引出课题,激发学习兴趣;二是通过这一活动明确沉浮的判断标准;三是通过示范引导学生明确实验操作规范。接着,再通过让学生示范验证砖块和木块在水中是否沉浮的实验,进一步明确实验操作方法和判断标准,同时引导学生在预测时要有依据,提高思维的参与度,为接下来的自主探究做好铺垫。实践证明,在这两个环节里,虽然用时不多,也没有教师过度详细的指导,但效果是明显的,达到了“一石三鸟”的目的。
  其次,把“用橡皮和萝卜作为研究材料,研究材料不变的情况下减小物体体积和重量是否会影响沉浮”和“用回形针和木块作为研究材料,研究材料不变的情况下增大物体体积和重量是否会影响沉浮”这两个活动整合在一起进行,形成一个较长时间的探究活动,减少了教师指导的次数,达到简化环节的目标。
  以上活动的整合和精简,大大提高了学生活动的效率,节约出不少的活动时间,而正是这些多出来的时间却恰恰保证了本节课核心探究活动——沉浮因素探讨环节的深入开展,达到了预期的目标。   (二)精选材料,改进实验,保障探究深入开展
  材料的选择非常重要,它是实验顺利进行、课堂高效运作的基础,能为探究活动的顺利开展、核心内容的教学提供保障。把握实验的准确性、高效性、针对性,必须保证材料在实验中的稳定性和一致性,还要有代表性和普遍性,能充分体现实验的意图。
  如课本“观察更多的物体在水中是沉还是浮”活动中,选择的七种物品就非常具有目的性:小石块、泡沫块是最常见的,学生很容易辨别;回形针、蜡烛代表两种不同材质的物体,在判断上会有一些难度;带盖的空瓶是为了说明空心也会影响物体的沉浮;萝卜、橡皮是为后面的深入探究做铺垫的。
  然而在实践中,我们发现萝卜这种材料出现了问题。在教材中是把萝卜当作浮在水中的物体,但在课前检查中却发现有的是沉的或半浮半沉,容易使学生产生分歧,直接影响了教学的顺利进行。针对此种情况,我们决定更换更合适的材料,经过多次试验,最终选定茭白笋。因为该种材料完全符合实验意图——体积大、比较重又能浮在水面;另外,对于茭白笋学生比较熟悉,就地取材也比较方便,利于材料准备。
  实践证明材料更换是正确的,较好地回避了一些不必要分歧的产生。同样,在进行第二次分组实验“探究同种材料做的物体改变体积、重量是否会改变沉浮现象”时,我们将小刀换成了剪刀,将回形针换成了环形磁铁、将小木块用透明胶组合换成了双面胶粘。这些材料的调整,既使得剪切和叠加等实验操作更为方便,大大提高了实验的效率,又增强了安全性,为课堂探究活动的顺利开展,特别是为研讨阶段活动的开展争取到了更多的时间。
  (三)尊重个体,强化对话,促进思维纵深发展
  对话和讨论有助于启发并加深学生的理解,特别是在科学本质的教学中。中學生和高年级学生已经开始对哲学思考产生兴趣,在围绕有关科学本质问题的对话与讨论中,除了引导学生思考“是什么”“为什么”“怎么样”等基本问题外,还可以就事物的本体特征、方法、过程和认识论等提出需要进一步思考的问题,如“你已经知道什么?”“你是怎么知道的?”“我们的思考可靠吗?”“我们还可以怎样思考?”“有没有不同意见?”等具体问题,引导学生通过对话与讨论进一步认识科学,同时又要注意有序深化,不操之过急,注意揭露和批判伪科学。
  如本课教学中,教师分三次安排了让每个学生发表自己对影响物体沉浮主要因素的看法(见片断一)。三次判断过程实际上反映出学生一个思考辩证、思维螺旋上升的过程。在这个过程中,学生通过讨论、实验、寻找证据,一步步地纠正了自己原先不全面或者错误的看法,一步一步地探索,逐步明白现象背后的原因,认识到事物的规律。让每个孩子都发表自己的看法,既是对他们个体的尊重,也蕴含着实证意识的培养,使他们意识到“不人云亦云”的重要性。
  学者成尚荣曾说过:“教育就是让我们一起探究,帮助学生学会假设和求证。”科学课多一些质疑和求证,更有利于学生“科学本质观”的建立,也会让他们能更好地感悟小学科学的学科之美,爱上科学。
  (责任编辑:赵昆伦)
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