小学科学探究活动中科学思维培养的实践研究

韩春蓉

（大连市金普新区教育科学研究院）

一、科学思维的概述

（一）科学思维的内涵

科学思维是指从科学的视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式。在自然科学中，它以自然界与自然现象作为研究对象，探索其现象背后的本质与规律。人们认识规律的过程是复杂且曲折的，需要经历对感性认识材料进行加工处理、合理改造、去粗取精。可见，科学思维是在头脑中不断形成的对真理的清晰认识，是人类实践活动的产物。

（二）科学思维的要素

1.模型建构

模型建构是指在真实情境中，依据前科学概念或已经积累的科学知识，根据研究问题，对客观事物进行抽象概括，建构形成便于研究并反映研究对象本质属性的模型。依据问题特点，模型可分为物理模型、数学模型和概念模型。

2.科学推理

科学推理是指运用各种科学方法，如分析、综合、归纳、演绎、比例、概率、控制变量等方法，根据现有条件从定性和定量两个方面进行推理，从而寻求科学规律及理论。它用来解释自然现象，推理表面现象中普适性或可推导性，以期解决实际问题并保存于已有经验中，为未来解决同类或相似问题做准备。

3.科学论证

从实证角度出发，科学论证是在问题情境中筛选解决问题的关键数据或资料，整理形成证据，并运用其对研究问题进行描述、解释和预测，提炼出的观点。具体体现在有恰当的科学证据的意识、评估科学证据的能力以及展现出的质疑与批判的高级思维能力。

4.质疑创新

质疑创新是思维发展的较高层次，指对所研究事物具有批判性思维的意识，能够善于基于证据提出质疑、大胆猜测，整合思维能力从不同角度思考问题，产生新奇想法，并付诸实践研究，追求科技上的创新。

（三）科学思维的价值

第一，科学思维是认识客观世界的方式。科学是人类探究客观世界的途径与知识类型总和，通过分析、推理、归纳所得出来的序列化知识系统。科学不是客观世界在大脑中的镜像，而是在人类发展进程中，环境和自身不断改变过程中进化出来的一套应对和研究世界的方式，也是大脑对所获取的信息进行能动加工的产物。科学探究过程是思考活动的过程，科学的结论是思考的结果，科学是通过科学思维实现对客观世界的描述与解释的。

第二，科学思维是科学知识系统进行架构的逻辑推演工具，无论是纵向的概念发展，还是横向的概念之间的联系，都是结构化的思维模型。科学学习的目标是通过掌握这些思维模型，在相似背景中调动结构化的科学思维模型，激活相关知识经验。可见，思维是科学学习的必备工具。

第三，科学思维是科学创新的手段。培养创新性人才、构建新型社会，是国家层面的需求，也是人类不断进步的诉求。科学思维能力是创造能力的智力支撑，知识、技术与技能是科学创造的材料基础，思维能力是核心，基础材料可以通过模仿与机械训练获得，真正核心的体现是具有创新价值的思维能力。

（四）科学思维的培养

《义务教育科学课程标准（2022年版）》强调，“以探究实践为主要方式开展教学活动”。学生通过亲身参与探究实践活动，实现科学探究能力的发展，核心素养的形成。科学探究的目标就是培养学生的这种理性思维方式，可以说“科学思维是科学教育的核心和灵魂”，缺少科学思维的探究活动是一种形式上的探究。科学思维包括逻辑思维、辩证思维、批判性思维、发散性思维以及创新性思维等，也是学生核心素养的综合体现。基于科学探究与科学思维之间密不可分的关系，科学课堂探究实践活动中就必须把焦点置于发展学生的科学思维能力当中。

很多学校在此过程中都进行了一些探索实践。以金州区治平小学为例，首先，学校鼓励学生以家庭为单位进行STEAM项目实施，如纸竿托球、神奇的结构、吸管桥承重、发射器等，引起了学生和家长的极大兴趣，他们的各种奇思妙想层出不穷，各种作品更是琳琅满目。其次，学校新建了STEAM专属教室，成立STEAM社团，组织学科教师研发STEAM教材，用于实际教学。最后，学校组织各种相关活动，如“校长杯”STEAM竞赛、STEAM科学微课堂等，在活动中促进了学生科学思维的培养。

很多教育专家也基于教材进行了一些课例研究，如在辽宁省科学学科骨干教师马长森的“机械手”STEAM教学课例中，神奇的机械手让学生在动手动脑中开拓了思路、开发了思维。此外，马老师还编排了一个情景剧《神奇的机械手》，在精妙的故事情节中蕴含了丰富的科学道理，培养了学生的科学思维。

二、科学探究活动中科学思维的培养

思维与创新、交流与合作是学生需要的技能，《中国学生发展核心素养报告》中提出的“学会学习”“主动适应与创新”等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。科学教育研究重视科学论证与模型思维，其有助于科学探究能力的发展，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。在教学中，科学探究的各个环节都应该伴随着学生的思维活动，教师在引导学生进行科学探究的过程中必须注重科学思维能力培养。

（一）提出问题

敢于提出问题、善于提出问题，是激发创造力的有效途径。问题是思维的发源地，没有问题就不会引起思考。在提出问题阶段，学生需要观察与分析现实情境，展开联想，激活先验知识，在发散性思维与集中性思维的基础上，分析、比较问题的可行性与可操作性，进一步明确研究问题。

发现问题、提出问题是学生科学思维活动的重要体现。在教学过程中，教师要精心地创设问题情境，引导学生阐述有逻辑的思想和观点。

例如，在学习苏教版科学教材四年级上册“摩擦力”一课时，教师开课就设计“抓泥鳅”的活动，对比水中泥鳅不易抓起，但在沙堆里却很容易抓起，教师问学生影响抓取效果的原因可能是什么。学生通过两次实验的对比，观察到非常丰富的信息：泥鳅的形状、体表特征、对刺激的反应、运动方式、生活的环境等，而两次实验的不同之处在于一个是在水里，一个是在黄沙中。两次实验结果不同，可以引导学生分析推理，初步得出材料的不同影响到了抓取的难度。

（二）猜想与假设

猜想与假设是研究者根据已知材料和科学知识，对所研究的问题作出一种猜测性陈述，是针对问题中事物的因果性、规律性初步的假定性解释，这个过程是纯粹的思维过程。

针对问题引导学生进行合理的猜想，对学生逻辑思维能力的培养具有十分重要的意义。教师在教学中要引导学生结合具体事实进行有依据的猜想。例如，苏教版科学教材一年级上册“树叶黄了”一课，根据树叶变黄一般是从边缘向中心发展，猜想这种变化规律的原因，通过有依据的猜想，训练学生符合逻辑地猜想，注重因果关系。

（三）制订方案

学生从问题导向出发，围绕猜想假设，提出探究活动的大致思路，为科学验证做好铺垫。教师精心设计实验方案，可以培养学生思维的深刻性与逻辑性。

在设计实践探究方案环节，教师应引导学生深入思考，全面考虑各种因素对实验的影响，严格控制变量，让学生对实验方法、方案展开讨论，在讨论过程中使学生的思维深刻性得到发展。

例如，在苏教版科学教材四年级上册“摩擦力”一课的教学中，教师引导学生探究如何“减小固体间的摩擦力”，小组合作设计实验方案，选取材料进行实验。在对比实验中，变量的控制是教学中的重点和难点。怎样控制实验中的变量才能得到科学的实验数据，进而分析得出正确的实验结论，制订方案显得至关重要，在这个过程中也能深层次培养学生的科学思维。

（四）实施探究

实施探究是教师引导学生依据研究计划或方案开展探究活动，验证猜想、假设，得出科学结论的过程。在这个过程中，教师要引导学生根据制订好的探究方案，开展观察、实验、制作、考察、调查、参观、采访、搜集、种养等探究活动，在活动中应注意获取相关信息，对信息进行归类、归因分析，以获取规律性的认识，得出问题结论。

例如，在苏教版科学教材五年级上册“光的传播”一课中，教师让学生用手电光通过小孔不在一条直线上的三张纸屏照射效果和小孔在一条直线上的三张纸屏照射效果，思考光线的传播路径，认识到光线无法拐弯，只能通过直线传播，得出科学结论。实验探究中的证据是学生建立科学概念的思维素材，教师引导学生关注实验中获得的相关证据，并进行信息加工处理，进而形成自己的观点。

（五）展示与交流

语言是思维的外壳，是智慧的结晶，是表达思维的工具。加强科学课堂中学生的语言训练，在表达中不断提炼、反复加工语言和逻辑，有助于学生科学思维的提升，是发展学生思维的有效途径。学生需要在科学推理的基础上，从收集的信息中得出某现象如何发生或为什么发生的合理解释，通过比较和分析不同的理论与证据，进一步评估调查中形成的解释。表达交流是一个合作学习的探究过程，包括明确地公开分享自己的证据和观点，通过交流和辩驳捍卫自己的观点。教师要注意引导学生对实验结论的展示与交流，促进学生对科学真理的深刻理解，强化表达说理，提升学生思维。例如，教师要多引导学生进行辩论、讨论等交流活动。辩论、讨论交流是学生建构科学概念、形成科学思维的重要过程。

在项目活动课程的过程中，展示与交流对促进学生形成科学的工程思维有非常重要的作用。

例如，开发“设计LED小手环”项目实践活动，其工程设计制作教学过程中，学生在制作前进行交流设计方案，如前期的调查，了解了制作LED小手环的电路知识，需要哪些电路元件，怎样连接电路，画出了什么样的设计图。第二阶段的交流是制作完毕交流，比一比哪个小组的设计更合理，有什么需要改进的，交流后提出改进意见。通过第一阶段的交流，学生可以自由表达自己独特的设计思路，促进了小组间的互相学习，为进一步改进制作方案奠定基础。而第二阶段的交流，一方面可以展示学生的学习成果，另一方面，学生可以大胆质疑，提出下一步的产品改进措施。

再如，苏教版科学教材四年级下册第五单元“环境变化以后”一课，学生围绕“在藏羚羊迁徙必经之地如何修建一条铁路”这个问题进行大胆假设。在表达与交流环节，有学生表达出为什么这样设计铁路，倾听的学生则给予修改的意见。在这样的过程中，学生的批判思维会得以发展，他们会意识到人在改造自然的同时也可能破坏了自然，树立起批判性辩证的思维习惯。

可以说，每一步交流都反映了学生精彩的探究活动过程，这些在师生之间、生生之间交流中产生的思维碰撞，增强了思维的广度和深度，形成工程思维意识。

（六）拓展创新

1.扩展学生思维的广度和深度，培养迁移能力

教师要引导学生运用所学，迁移应用于生活，解释自然现象，解决实际问题，进行改进、发明等创造活动，使学生在学习中学会举一反三，触类旁通，尝试从不同角度去分析思考问题。

例如，通过学习苏教版科学教材五年级下册“形状与结构”这一单元，学生已经认识了各种世界著名建筑，教师就可带领学生当一回“小建筑师”去“造房子”。“造房子”这节课结束以后，学生写了实践的体会——他们很欣喜地惊叹，自己也可以当个建筑师，像建筑师那样设计心目中的房子的外形与结构。通过小组分工与合作的形式，学生大胆地制作，感受到了当建筑师的不容易，同时也体验到了创造的乐趣，从而培养了创新和实践的意识。从造房子前的设计，到怎样分工与合作，再到怎样制作，这每一个过程都渗透了学生思考问题的方法和过程。无论房子造得成功还是失败，其结果都是不重要的，探究的过程更重要，探究过程中的每一个思维过程都显得弥足珍贵，会为学生形成科学的思维奠定基础。

2.提升学生思维的多维性，培养创新能力

科学思维既不是一种简单孤立的思维活动类型，也不是几种思维活动类型的简单叠加，而是多种思维方法综合作用的结果。

例如，在苏教版科学教材五年级下册“造房子”一课中，学生设计房子时除了要用到科学知识以外，还要用到数学知识、美术知识以及工程技术知识。所以，科学思维体现多个方面思维品质的特征，通过“造房子”这样的STEAM主题探究活动，学生的观察、比较、分析、查阅资料、调查等多种思维方法融合到一起，共同促进了科学思维的发展。

总之，科学实践活动中，学生是学习的主体，是像科学家那样的思考者与行动派。在科学探究过程中，科学思维是贯穿整个过程的，课堂教学活动必定与学生的思维活动密切相关，科学探究能力更是与思维能力相伴。教师在教学设计中要有长远意识，要在大概念和模拟真实情境中带学生体会科学探究的过程，从而实现学生科学思维的创造性发展。