陸可丹

摘 要：科學思維是科學核心素養(yǎng)的重要組成部分，主要包括模型建構(gòu)、邏輯推理、科學論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等。培養(yǎng)學生思維的主陣地是課堂。本文以《物體的內(nèi)能》一課為例，闡述從核心素養(yǎng)的視角定位學習目標，聚焦挑戰(zhàn)性任務激發(fā)學生的學習意愿，通過“類比建構(gòu)概念”“邏輯推理論證”“聚焦問題解決”“整合思維模型”等策略，讓學生的思維得到遞進式的訓練，從而提升思維品質(zhì)。

關鍵詞：核心素養(yǎng)；思維品質(zhì)；物體的內(nèi)能

【中圖分類號】G633? ? ? ? ? 【文獻標識碼】A? ? ? ? ? ? ?【文章編號】2097-2539（2023）07-0243-03

1.問題的提出

“核心素養(yǎng)”是課程改革的重要依據(jù)，義務教育科學課程標準指出科學課程要培養(yǎng)的學生核心素養(yǎng)，主要是指學生在學習科學課程的過程中，逐步形成適應個人終身發(fā)展和社會發(fā)展所需的正確價值觀、必備品格和關鍵能力。課標第一次明確地把科學思維作為科學核心素養(yǎng)之一，這是一個重大突破?？茖W思維是關鍵能力的核心，因此發(fā)展思維應是科學教學的核心活動。思維應用的本質(zhì)是解決學科認知問題。教師理應由過去所強調(diào)的針對“知識本位”的教學，轉(zhuǎn)向“素養(yǎng)本位”，即聚焦于學生思維能力與問題解決能力的培養(yǎng)。將事實性知識與方法性知識有機結(jié)合，引導學生進行深度學習，實現(xiàn)學習知識與提升思維能力的互構(gòu)。杜威認為：“好的教學必須能喚起兒童的思維?！笨茖W思維能力的發(fā)展需要以理解核心概念為基礎，并在探究實踐的過程中通過運用科學方法得以鍛煉。筆者通過有效把握學生的學習起點，創(chuàng)設熟悉的情境激活思維，聚焦挑戰(zhàn)性任務激發(fā)學習意愿。將已有的科學認知和在課堂中提供的事實與條件作為載體，引導學生進行思維推演。同時在運用觀察和實驗等科學方法進行自主建模的過程中，鼓勵學生大膽質(zhì)疑、追求創(chuàng)新，培養(yǎng)學生基于實證得出科學結(jié)論的能力。最終通過展示交流評價，達到提升學生思維品質(zhì)，落實科學核心素養(yǎng)的目的。

2.教學策略的實踐研究

（1）類比建構(gòu)概念，開啟思維之門

教育是允許被遺忘的，教師不該要求學生死記硬背具體的知識，而是要鼓勵他們透過知識去把握、洞察、挖掘其中蘊含的思維方式和價值觀。學生在七、八年級已經(jīng)初步掌握內(nèi)能的宏觀表現(xiàn)——溫度和物態(tài)變化，具備了內(nèi)能的理論基礎——分子的熱運動。內(nèi)能是學生后續(xù)學習比熱容、熱值和熱機等知識的基礎。因此本節(jié)課的學習目標主要是運用分子運動、相互作用和機械能的知識類比建立“內(nèi)能”的概念，學習從實驗事實出發(fā)，探索和體驗改變內(nèi)能的兩種方式，利用內(nèi)能闡述熱傳遞和做功過程中的能量轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化過程。內(nèi)能與機械能相比不直觀，對學生來說更抽象。為了更好地幫助學生建構(gòu)內(nèi)能的概念，教材中運用了機械能中的動能、勢能與分子動能、勢能作類比。

【教學片段一】

◎新課導入

向水中滴入一滴紅墨水，現(xiàn)象：過一段時間整杯水都會被染紅。說明分子在不停地做無規(guī)則運動。

①運動的物體具有動能→運動的分子也具有動能，稱為分子動能。

②拉伸或壓縮的彈簧會產(chǎn)生彈力，具有勢能→水分子之間具有相互作用力：引力和斥力。分子也具有勢能，稱為分子勢能。

③物體的動能和勢能之和稱為機械能→構(gòu)成物體所有分子熱運動的動能和勢能之和稱為內(nèi)能。

◎概念辨析

①只有“熱”的物體才具有內(nèi)能嗎？物體的內(nèi)能可以為零嗎？答：從冰冷的冰山和熾熱的鐵水都具有內(nèi)能來說明內(nèi)能的普遍性，而不是只有“熱”的物體才具有內(nèi)能。繼而把宏觀量（溫度）與微觀機理（分子的無規(guī)則運動）聯(lián)系起來。物體內(nèi)部的分子始終在不停地做無規(guī)則運動，因此盡管物體宏觀上靜止，機械能為零，但是內(nèi)能不為零。

②同一物體，內(nèi)能的大小和什么因素有關？答：溫度越高，分子運動越劇烈。物體溫度實質(zhì)表征了物體內(nèi)部分子無規(guī)則運動的劇烈程度，引導學生認識到物體溫度升高時內(nèi)能增加，溫度降低時內(nèi)能減少。

借助層層遞進的類比和概念辨析為學生搭建了新舊知識間的橋梁，引導學生在對舊知進行遷移運用的基礎上自主建構(gòu)并深化“內(nèi)能”這一核心概念。

（2）邏輯推理論證，夯實思維之基

動手、思考、感悟比知識本身更重要。著名物理學家勞厄說過：“重要的不是獲得知識，而是發(fā)展思維能力。教育無非是一切學過的東西都遺忘掉的時候剩下來的東西?！币寣W生記住“做功和熱傳遞可以改變物體的內(nèi)能”這一結(jié)論很簡單，但是這必然會導致學生對內(nèi)能這一核心概念的理解只停留在表面，并存在很大的局限性。在面臨真實的問題時通常會束手無策，不能很好地將理論知識轉(zhuǎn)化為解決實際問題的能力，這意味著學生對科學本質(zhì)的理解不夠到位。筆者利用感溫油墨進行實驗創(chuàng)新，幫助學生探尋改變物體內(nèi)能的方法。引導學生通過合理分析實驗現(xiàn)象，基于事實和證據(jù)對問題進行描述、解釋，發(fā)展科學思維并培養(yǎng)學生的實證意識。

【教學片段二】

任務一：嘗試改變物體的內(nèi)能

器材：涂有感溫油墨的金屬片、熱水、酒精燈

知識卡片：當金屬片溫度高于40℃時，紅色的感溫油墨便會慢慢褪去。

◎?qū)W生實驗

①將金屬片放入熱水中使金屬片內(nèi)能增大

②用酒精燈加熱使金屬片內(nèi)能增大

◎思考問題

①如何判斷金屬片的內(nèi)能增加了？

②金屬片上各部分是不是同時達到相同的溫度？有何證據(jù)？

③這些方法中內(nèi)能是怎樣變化的？（即內(nèi)能從哪里來？）

◎歸納總結(jié)

熱量會從高溫物體傳遞給低溫物體；高溫物體的溫度會降低，低溫物體的溫度會升高。

◎得出結(jié)論

熱傳遞可以改變物體內(nèi)能。熱傳遞具有方向性，熱量從高溫物體傳向低溫物體，在同一物體中是由高溫端傳向低溫端。在熱傳遞中只有能量的轉(zhuǎn)移，沒有能量的轉(zhuǎn)化。

感溫油墨的變色可以幫助學生借助直觀的現(xiàn)象將物體的內(nèi)能與溫度這一宏觀表現(xiàn)聯(lián)系起來，建立當物體溫度升高時，內(nèi)能增大的認知。結(jié)合冬天使手變暖的方法，如捂熱水袋、烤火等，都是通過熱傳遞的方式增大手的內(nèi)能，深化學生對熱傳遞的理解。

（3）聚焦問題解決，搭建思維之梯

思維起源于真實的情境，又在真實的情境中通過解決問題得到不斷發(fā)展?？茖W課堂不應是教師簡單地講述科學事實、傳授科學知識，而應用“情”引導學生進入學習之“境”身臨其境，才能有所體驗。基于問題解決的探究教學，激發(fā)學生的學習意愿，發(fā)揮思維在獲取知識工具時的作用，提高學生思維能力，才能更有效地引導學生基于核心概念建構(gòu)一個整合而深入的知識體系。通過從“筆開易拉罐”的真實情境中聚焦兩個啟發(fā)學生思維的問題：①為什么用筆摩擦就可以開易拉罐？②為什么在開罐的瞬間會看到瓶口有“白氣”？實驗是科學最大的魅力，也是學習科學的最有效的途徑。金屬片上感溫油墨的褪色，使學生體會并理解，熱傳遞可以改變物體的內(nèi)能。摩擦生熱是學生熟悉生活情境，但是學生并不能很好地用科學語言表述“做功改變物體的內(nèi)能”。因此，可引導學生體驗改變物體的內(nèi)能，加深對科學原理的理解。

【教學片段三】

任務二：體驗改變物體的內(nèi)能

◎小組實驗

器材：圖釘、較粗的軟鐵絲、鉛筆、砂紙

問題：利用提供的器材，怎樣可以增大圖釘或軟鐵絲的內(nèi)能

◎?qū)W生實驗

①反復玩著軟鐵絲，鐵絲溫度升高

②用鉛筆固定圖釘，在砂紙上摩擦釘帽，圖釘溫度升高

◎分析論證

反復彎折鐵絲和用砂紙摩擦圖釘釘帽，是對物體做功，也會使他們溫度升高，內(nèi)能增加。

◎得出結(jié)論

改變物體的方式除了熱傳遞，還可以通過做功。外界對物體做功會使物體內(nèi)能增大。

◎設計意圖

摩擦圖釘和彎折鐵絲使物體溫度升高，是學生通過實驗得出的現(xiàn)象，通過分析，學生可以推理得出做功也可以改變物體的內(nèi)能。兩個學生實驗的設置充分體現(xiàn)了由證據(jù)推理得出結(jié)論的實證意識。

基于以上認知，學生可以解釋“筆開易拉罐”的第一個問題：筆摩擦易拉罐口時，會使易拉罐的溫度升高，內(nèi)能增大，易拉罐將一部分熱量傳遞給瓶內(nèi)的氣體，使得氣體受熱膨脹，沖開易拉罐。“筆開易拉罐”的第二個問題是推理“氣體膨脹對外做功，內(nèi)能減少”這一結(jié)論的載體。書本上利用的是吸濾瓶中滴加酒精，通過往瓶內(nèi)打氣，瓶塞跳起瓶口出現(xiàn)白霧現(xiàn)象來進行說明。但是筆者通過課堂觀察，發(fā)現(xiàn)學生對這一過程的理解存在認知上的難度，學生很難把整個過程中內(nèi)能和機械能的相互轉(zhuǎn)化關系描述清楚。因此，筆者借助溫度傳感器給學生提供邏輯推理的支架強化科學思維訓練過程。

回顧“筆開易拉罐”時罐口出現(xiàn)“白氣”的現(xiàn)象，引導學生思考：①瓶口的“白氣”主要成分是什么？②出現(xiàn)“白氣”說明瓶內(nèi)氣體發(fā)生了什么物態(tài)變化？

學生已具備物態(tài)變化的認知經(jīng)驗，能分辨出“白氣”其實是液態(tài)小水滴，而出現(xiàn)“白氣”的原因是水蒸氣發(fā)生了液化。但是大部分學生不能將液化的過程與內(nèi)能的變化聯(lián)系起來。此時，教師通過演示，在塑料瓶中滴入幾滴酒精，再通過打氣筒向塑料瓶內(nèi)注入大量空氣，模擬易拉罐內(nèi)的高壓環(huán)境，并記錄此時的初溫。然后打開活塞，觀察到壓力表示數(shù)不斷下降，同時塞子彈出的同時瓶內(nèi)出現(xiàn)大量“白氣”，溫度傳感器的示數(shù)也迅速下降。在演示完整個開易拉罐的模擬實驗后，教師可以設計系列的支架式問題鏈，幫助學生搭建思維之梯。

【教學片段四】

任務三：分析內(nèi)能改變的原因

問題1：“白氣”的主要成分是小水滴，這說明瓶內(nèi)空氣發(fā)生了液化，那么此時瓶內(nèi)氣體內(nèi)能如何變化？

問題2：塞子彈出時，它的機械能如何變化？

問題3：瓶塞獲得機械能是哪一部分能量轉(zhuǎn)化而來？或者氣體在沖出塑料瓶時，能量發(fā)生了怎樣的轉(zhuǎn)化？

◎設計意圖

通過對開易拉罐時產(chǎn)生“白氣”的原因推理讓學生自主構(gòu)建“外界對物體做功時，物體溫度升高，內(nèi)能增大；物體對外界做功時，物體溫度下降，內(nèi)能減小”這一規(guī)律，以問題鏈的形式助推學生思維的進階，培養(yǎng)了學生基于實證的科學態(tài)度。

“筆開易拉罐”的情境導入使教學從無“趣”到有“趣”，使學生從被動變主動，真正回歸“學習主體”角色，進而學會理解世界、解決問題、學以致用。有了氣體對外做功，內(nèi)能減小的理論基礎，教師可以再次借助溫度傳感器，演示壓縮氣體時，氣體溫度變化的實驗，引導學生得出：壓縮氣體做功，氣體內(nèi)能會增加。

（4）整合梳理模型，勇攀思維之巔

科學思維的提升不僅需要重視學生對知識的建構(gòu)，還應注重學生對知識的內(nèi)化與運用。學生通過整節(jié)課的學習，已經(jīng)對內(nèi)能的概念、影響內(nèi)能的因素、改變物體內(nèi)能的方法有了初步的理解。教師可以在結(jié)課時帶領學生對從內(nèi)能的概念、影響因素和改變方法以及熱傳遞、做功的能量轉(zhuǎn)化等進行知識的梳理，幫助學生建構(gòu)知識體系。

綜上所述，在課堂中教師要著眼于學生的最近發(fā)展區(qū)，通過建構(gòu)基本的核心概念、思維支架搭設、情境引導啟發(fā)、建模等手段以及給予學生表達、糾正、完善觀點的機會，強化問題驅(qū)動培養(yǎng)學生的探索精神，將科學思維蘊含教學活動中，有效引導學生根據(jù)真實情境去思考與探索，使學生主動、深度地參與課堂，在獲取知識、掌握方法、形成能力的過程中提升思維并使學生體驗到“撥云見日”的快樂，達到核心素養(yǎng)在課堂中真正落地的目的。

參考文獻

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