将“双螺旋结构”课堂运用于《拧螺丝的学问》教学

◇张牧文（江苏：南京市江宁实验小学）

一、“活动-思维”“双螺旋结构”课堂概述

“活动-思维”“双螺旋结构”课堂借鉴了生物学上的DNA 双螺旋结构，“活动”和“思维”作为贯穿课堂始终的两条螺旋，通过“问题”和“证据”贯连。“活动”包括观察、实验探究、调查、读图识图、项目研究等。“思维”主要指科学思维，在小学科学课堂中包括模型建构、推理论证、创新思维等，表现为比较与分类、抽象与概括、归纳与演绎、联想与重组等逻辑思维的过程和形式，用以感受、提取、理解、推理等，并以此指导科学探究活动。“问题”是指向一节课核心知识或概念的关键问题，具有逻辑结构的关键问题组成问题环扣，推动活动进阶。“证据”是学生在探究活动中获得的结果与发现，通过对证据的提取、整理、组合形成具有内在逻辑关系、能够证实或证伪科学问题的证据链条。将“活动-思维”“双螺旋结构”运用于课堂教学，紧抓关键问题扣和有效证据链，能够有效推动学生科学思维的螺旋上升，让科学探究往深处去。

二、基于“活动-思维”“双螺旋结构”课堂的教学过程

基于“活动-思维”“双螺旋结构”课堂，笔者将苏教版科学五下《拧螺丝的学问》一课分为四个层层递进的教学活动，与学生思维历程的对应关系如表1。

表1 《拧螺丝的学问》进阶教学设计

（一）比较用手和用螺丝刀拧螺丝

活动一的设计是，教师出示一块嵌有螺丝钉的软木块，先请学生尝试用手将螺丝钉拧进去，简单说一说感受，接着提问：“有什么方法可能会使你更轻松？”在学生的主动要求下，使用螺丝刀再次尝试，请学生将两次拧螺丝的感受进行比较，提出初步主张：使用螺丝刀可以省力。教师通过谈话“看来，螺丝刀不简单，有不少学问呢！”引入对螺丝刀结构的观察：“揭秘产品的功能，我们可以从观察结构开始。”渗透“结构与功能”的跨学科概念。之后，将螺丝刀的图片贴在黑板上，通过师生交流明确螺丝刀主要由刀把、刀杆两个主要结构组成。教师紧接着提问：“刚刚他是怎么拧螺丝刀的，你们看清楚了吗？”学生回答：“他握住螺丝刀的刀把，用力旋转。”教师小结：“并且他认为在刀把上用力，省力。”

活动一的作用是引出螺丝刀这个研究对象，明确螺丝刀的主要结构和“拧”螺丝刀的方法，抛出核心问题之一——使用螺丝刀省力吗？教师在这一环节有两个关键操作：一是确保所有学生能都观察到，这位同学是怎么使用螺丝刀拧螺丝的；二是引导学生将两次拧螺丝的用力大小进行比较，提炼关键词：省力。在落实两个关键操作的基础上，教师通过三个环环相扣的问题，一步步引导学生说出有依据的观点。表2 列举了本环节的“问题环扣”和“证据链条”。

表2 活动一“问题环扣”和“证据链条”

以上三个关键问题，学生回答的依据要么是观察到的现象，要么是生活经验。其中，将手的感觉或生活经验作为证据，都是不可靠的，活动三将对这些证据提出疑问。关键问题1 和问题2作为思维阶梯，推动了活动二中，学生对刀把和刀杆运动方式的观察，为抽象出轮轴模型打好基础。问题3 为活动三中，为引导学生思考四种螺丝刀是否省力搭建脚手架。

（二）观察螺丝刀主要结构的运动方式，抽象出轮轴模型

在明确螺丝刀主要结构的基础上，教师请学生以小组为单位，使用螺丝刀拧一拧螺丝，并提出两点要求：观察刀把和刀杆各自的运动方式；和小伙伴说一说，你是怎么成功拧进螺丝的。之所以让每一个学生都体验并观察拧螺丝的过程，是因为五年级学生的思维处在具象向抽象的过渡阶段，抽象出轮轴模型需要学生以感性经验作为基础。学生体验之后，能够描述出刀把和刀杆是一起旋转的，朝向同一个方向。接着，教师出示横过来的螺丝刀截面图，将它转动起来，请学生再次观察。通过两次观察，刀把和刀杆确实朝向同一个方向一起转动，并且它们的运动描绘出了两个同心圆，这两个圆组成了螺丝刀的抽象模型。其中，代表刀把、大一点的圆称为轮，代表刀杆、小一点的圆称为轴。教师再请学生完整地描述，自己是怎么成功拧进螺丝的。学生能够使用“轮”“轴”这样的词汇代替“刀把”“刀杆”进行描述，并补充道：“轴随着轮一起转动。”说明学生已经在头脑中建立起了轮轴的抽象图示，并且这幅图示包含轮与轴之间的关系：轮和轴固定在一起，轮转动时，轴也跟着一起转动。表3 列举了本环节的“问题环扣”和“证据链条”。

表3 活动二“问题环扣”和“证据链条”

问题1 是学生构建轮轴模型的基础，证据1是学生通过感性体验获得，而证据2 其实是对图像的抽象理解，二者在思维层次上有所上升。问题2 提出时，学生已经明白可以用“轮”来称呼刀把，用“轴”称呼刀杆，于是学生可以使用“轮”和“轴”来描述拧螺丝的过程，并且这描述的内容，一方面来自学生拧螺丝的体验，另一方面来自学习过的轮轴模型。因此以上两个问题和三个证据之间也是层层递进的。

（三）观察并体验四把尺寸不同的螺丝刀

在抽象出轮轴模型的基础上，教师出示四把不同的螺丝刀和它们的轮轴图，在图上标记轮和轴的尺寸，向学生提问：“这四种轮轴有什么不同？”学生很容易对比得出，它们轴的尺寸相同，轮的尺寸逐渐变大。教师追问：“在它们的轮上用力，省力吗？”学生开始提出不同的观点，有的学生认为轮大的省力，依据是大一点的轮受力面积大；有的学生认为轮小的省力，依据是小一点的轮方便握住用力；极少数学生依据直觉认为轮的大小与省力程度无关。教师将这些想法全部记录下来，不评判对错，继续追问：“你们的猜想是否正确，怎么证明？”学生提出动手拧一拧，比较一下。教师顺势请四位学生分别试一试，将最省力的一把举起来给大家看。结果发现，四位学生的选择并不相同，教师趁势追问：“将感觉作为证据，可靠吗？”引导学生对证据的可靠性进行质疑，渗透科学本质的认识，接着在师生交流中形成共识：我们要更科学、更准确的证据。表4 列举本环节的“问题环扣”和“证据链条”。

表4 活动三“问题环扣”和“证据链条”

活动三中，教师通过有趣的小活动引导学生质疑证据的可靠性，而不是直接告诉学生，因为学生对亲历活动印象更为深刻，更容易动摇学生的前概念。三个关键问题中，问题1 以活动二中学生构建的轮轴模型为基础，引导学生比较四幅轮轴的图画，发现原来轮有大有小，并联系到螺丝刀刀把的尺寸有大有小上。问题2 勾起学生的前概念，且学生的前概念各不相同，教师不作评价，观点要靠活动四中收集的科学、准确的证据来证实（证伪）。

（四）推理论证：证明“在轮上用力省力”“轴相同时，轮越大越省力”

1.使用论证框架

教师出示三层轮轴实验装置，说明此装置可以搜集准确的数据作为证据，并带领学生认识装置的结构——轴、小轮、大轮，向学生讲解如何在轴上增加阻力、如何测量轴上阻力和小轮、大轮上用的拉力大小。接着向学生提问：“利用这套装置，你怎么搜集证据，证明你的观点？”学生提出实验思路：保持阻力不变，分别测量轮轴到达平衡时，小轮和大轮上用的力，将两个数值进行比较。接着，教师通过短视频介绍实验步骤，演示如何在学习单上记录数据。视频播放结束后，定格在学习单上，向学生提问：“这是老师做实验时，获得的一组数据，请你来找找证据，证明你的观点。”学生此时能初步描述观点：“大轮上用的力比小轮上用的力小，所以轴相同时，轮越大越省力。”但笔者在长期教学中发现，学生这样描述，没有突出自己的观点，没有点明搜集到的证据，论证质量不高。因此，教师出示论证框架，并要求学生使用框架中的句式“我们的观点是……”“我们找到的证据是……”“我们的解释是……”“我们最后的结论是……”来描述，使表达更加完整。并且将这位学生的汇报提供给其他同学作为范例，引导学生使用论证框架，基于证据展开有序、合理的论证。

证明“在轮上用力，省力”，学生找到的证据是阻力值、小轮用力值、大轮用力值，将阻力与用力进行对比，发现无论是大轮还是小轮，用力都比阻力小；证明“轴相同时，轮越大越省力”，学生找到的证据是小轮用力值、大轮用力值，将二者进行对比，发现大轮用力比小轮小。接着，教师提问：“这一组证据足够说服你吗？”学生提出，要测量多组数据。接下来，教师给每个小组发了一套材料和一张记录单，请每个小组设置三个阻力值，记录三组数据。活动完成后，全班共收集到二十四组不同的数据。

2.科学论证

教师请小组围绕本组数据进行交流，使用论证框架形成组内一致的观点。接着，请各个小组将记录单贴在大记录单上，将二十四组数据罗列在一起。在公开论证环节，请一个组的学生一起来汇报，学生间分工合作，确保每位学生都知晓数据应该如何比较和解释。在小组汇报结束后，其他小组可以基于证据进行反驳。两到三个组汇报后，教师提问：“你能结合全班的数据进行分析吗？”请学生综合全班数据进行汇报。最后，教师点明其中的思维方法：分析本组的少量数据，学生再进行比较；结合全班的数据，学生再进行归纳。

3.应用迁移

经过大量数据的验证，结论进一步确定。此时，教师出示学生在环节二中使用的螺丝刀，提问：“你能想办法，使它更省力吗？”学生思考后提出：“换一个更大的轮。”或者“在螺丝刀的轮上套一个更大的壳。”教师再补充：“你们知道工程师是怎么解决的吗？”接着演示螺丝刀的三种变形方式。本课中使用的螺丝刀的刀把上有嵌口，可以将另一根刀杆插进去从而增大轮的尺寸，也可以将另一把螺丝刀从刀杆一头插进去，使轮的尺寸更大。教师边演示，边提问：“请你解释螺丝刀变形的原理。”学生依据本节课学到的原理进行解释，将轮轴的抽象规律又一次具象到了实物上，进一步发展了学生的科学思维。表5 列举本环节的“问题环扣”和“证据链条”。

表5 活动四“问题环扣”和“证据链条”

三、实施“活动-思维”“双螺旋结构”课堂教学的路径

在上述教学案例的四个活动中，关键问题与有效证据相互关联，活动与思维螺旋上升。而要设计这样一节递进的课堂教学，可以从两条路径来探索。

（一）设计引发思维的问题环扣

所谓促发思维，依据杜威“做中学”教育理论、维果斯基“最近发展区”理论、顾长明“做思共生”教学理论等，须强化探究实践，重视学生的前概念和最近发展区，通过有趣的活动激发学生认知冲突，找到学生思维生长的落脚点。而问题环扣，阶梯式抬升，学生每解决一个问题，认知水平势必有所提高。新问题需建立在学生新的认知水平上，引导学生进一步提升。因而，科学教师要基于系统论的思想，把握课堂教学核心概念的生长路径，将教学各个要素进行有序规划，形成前后递进的问题环扣。

例如，本课教学中，围绕“使用轮轴省力”这个教学重点，提出的一系列问题有“在螺丝刀的刀把上用力，省力吗？”“在轮上用力，省力吗？”“请你找一找证据，证明你的观点。”其中第二个问题出现在学生构建起轮轴抽象模型之后，对螺丝刀的认知从具象上升到了抽象，第三个问题则引导学生使用数据作为证据来论证，学生的抽象思维水平进一步提升。

（二）建立获取、分析有效证据链条的途径

证据，是学生用来证实（证伪）观点的依据，因而证据的有效性影响探究活动的成败。在探究活动中搜集可靠的证据，需要学生具备实证意识，能够对证据进行批判性的处理和分析，并在学习共同体中进行进一步整合。科学教师要引导学生建立对证据的批判质疑态度，通过设计有序的活动为学生提供科学的证据，使用具有思维结构的学习单使学生的思维线性化，并运用促进学生参与的测量，促进学习共同体之间的交流互动。

综上所述，在教学中运用“问题环扣”和“证据链条”能够增强学生的实证意识，提高学生的推理论证水平，而由此构建成的“活动-思维”“双螺旋结构”课堂能够有效促发学生深度思维、促进学习进阶。为进一步构建完善的“双螺旋结构”课堂，我们今后仍将不断探索前行。