构建基于层级分析的科学实验探究模式

齐于能 陈霄

培养小学生的探究能力是小学科学教学的核心之一，而主要载体之一就是实验教学。构建基于层级分析、双螺旋发展的科学实验探究模式，为有效的实验探究教学提供了可供操作的模式，体现了科学探究走向深入的要求，增进了科学探究的价值。本文仅就基于层级分析、双螺旋发展的科学实验探究模式的构建进行分析和探讨。

一、科学实验探究的现状及问题分析

科学实验探究性学习相对于以往传统的科学教学模式来说的确有矫正作用，但就客观实际来讲也出现了矫枉过正的现象和对课程标准中 “探究”的误解误读，背离了课程改革的初心。探究性学习的缺失，缘由较为复杂，仅就以下案例作做些粗浅分析。

案例一 忽视探究之舵——让科学概念引领科学学习

一位教师在以探究为主题的教学研讨中执教《动物的卵》一课时，把实验探究的重点放在指导学生的观察方法上。以“鸡蛋的结构怎么观察？”“先观察里面还是外面？”“外形怎么观察？”“里面的结构怎么观察？”“局部观察还是整个打开？”“用镊子敲个小孔，要注意什么？”“鸡蛋煮熟后内部结构有什么变化？”等一系列问题引导学生探究。学生通过观察反馈的鸡蛋结构特点和气室等信息，教师却没有引导将这些信息与“繁殖”关联探究。教师的反馈是评价：你观察得真仔细！这个方法真好等。

分析：“通过不同的观察方法认识鸡蛋的外部形态、内部结构。”成了这位教师的教学重点。相对于学生的思维培养只停留在重复练习而没有深入发展。“新的生命”单元从“花”到“果实”“种子”再到“种子的传播”“种子的萌发”指向的是核心科学概念“繁殖”。观察探究中以“繁殖”这个核心概念进行引领，学生才会从“繁殖”这个新的高度去探究他们非常熟悉的鸡蛋，从而认识到鸡蛋无论是形状还是内部结构都与繁殖是密切相关的，从而构建新的科学概念——动物的卵各式各样，但都有新生命发育生长的条件。据了解这种现象不是个别而是普遍，科学实验探究性学习呼唤核心概念的引领。

案例二 忽视探究之舟——让探究与概念层层相对

一位教师在上《土壤的污染》一课，从土字的“三笔画”分别表示什么开始，土壤中有什么直接影响植物生长的成分，再到有哪些成分对植物有危害性，这些不利于植物生长的东西是从哪里来的，这些东西是怎样危害植物生长的，学生设计实验验证危害物对植物生长的影响，最后老师要求大家用今天的方法去治理土壤的污染问题，争当环保小卫士。

分析：这堂课的环节表面上是流畅的，符合国人一贯的含蓄风格。但是，一是课堂太散，土壤的污染话题是本堂课学习讨论的中心，却扯进了如土壤里有哪些成分的环节。事实上是学生的探究技能已经能解决这个初级概念，已经了解了土壤中的组成成分，没有发展可以省略掉。二是等再过渡到哪些成分有危害性，对于一节课只有40分钟的宝贵时间而言，在学生解决探究问题上技能要求跨度太大，不能完全解決。三是课堂偏颇了核心概念引领，也就失去了探究性学习的意义。科学教学需要探究技能和科学概念的协调发展。

案例三 忽视探究之水——让教材的层级设置服务探究

四年级认识金属的性质一个课例中，一位执教老师把学生在开始阶段提出的“金属能反光、能导电、能传热”等作为假设，制定了三个探究主题活动组织学生对其一一进行验证。结果探究活动过半不到就因时间不足而草率收场。课后教师还感叹：时间都去哪儿了！

分析：教师备课时没有关注教材的结构体系，没有留意学生原有的知识经验和基础，是本课例中老师教学失败的主要原因。学生提出的“金属能反光、能导电、能传热”等都是他们在原先的学习中通过观察实验活动形成的认识，并非假设。但是老师却将学生已有的认识作为假设并要求检验是一种重复无效的活动。

“科学实验以探究为核心”与“关注科学概念教学”之间实际并不矛盾，“船与舵”的关系就是探究过程与科学概念的关系。科学概念被架空，是因为没有探究过程。探究过程失去方向，是因为忽视了科学概念。

二、层级分析的提出及基本原理

（一）层级分析的提出

从探究的维度来讲，实验教学中重视探究的实质和深度，是重中之重。因此科学概念和科学探究的双螺旋发展构成一个科学实验活动的内核，是最应该关注的。

“层级分析”就是一个行之有效的策略。对具体的教学活动内部结构中的科学概念、探究技能执行从低到高的目标解构，使科学概念与科学探究二条线索层层相对、级级相应，两条线索通过层级目标解构由浅入深、螺旋上升。即所谓“层级分析”。

（二）科学概念与探究技能的层级分析基本原理

1.科学概念的层级分析

科学概念具体解构为事实性知识、知识性主题、具体概念直达至科学核心概念，然后针对每个核心概念设计探究活动。（见图1）

在大量翔实的事实性知识的基础上，引导学生探究次级主题。每一次的探究都是对前一次的补充和修进。从这个层面来讲，层级解构意味着螺旋上升。

2、探究技能的层级分析

由浅到深，从初级技能“观察”，到“测量”，直至“建立模型”，表格中8类探究技能体现了由易到难的技能提升培养。同样每一类探究技能本身都有从浅到深的难度渐进顺序。如“观察探究技能”水平就有水平1、水平2、水平3的难易之分，分别针对这些层级进行探究活动设计。

3、概念与技能的层级整合

层级分析双螺旋活动，就是把同属一个层级的科学概念和探究技能整合在一个有结构的探究活动中，当然也可以进行有差异的层级整合。因此这种层级分析双螺旋活动整合保证了实验探究教学的实质和深度。（见图3）

三、基于“层级分析”双螺旋整合的实验探究模式的构建与实践

（一）模式构建

这种新型的探究模式包括四个阶段。（见图4）

定向诊断与探索主要展示学生的前概念，聚焦探究的开端。建构验证与交流环节也需要评价学生的前概念，在解释修正与拓展中也应有评价学生的前概念。因此可以这样理解，这实质上就是以最低层级的科学概念为根本的的螺旋式上升的探究模式。在此一模式类型中，将过程与技能培养放在模式的中心，意指在学生的定向诊断与探索、建构验证与交流、解释修正与拓展三个阶段中是否促进了与探究技能的整合螺旋发展。模式中从中心向四周发出的三条虚线表示这一阶段是潜在的，隐藏在其他三个阶段当中。模式图中外围三个阶段中相互发出的三条实线表示这三个阶段之间是双向的，是螺旋上升渐进的，相互之间是互动的，每一阶段的探究都应该是对前一阶段层级的补充和修进。

（二）各环节教学实施

以课例《用水测量时间》，浅谈如何在科学实验探究过程中通过层级分析螺旋发展引领学生构筑科学概念和探究技能的协调发展。

1、定向诊断与探索

诊断并引出学生的科学前概念是此阶段环节的首要任务。为学生的实验探究学习定向教师首先要创设特定的探究性学习活动问题情境，其次要引导学生自己尝试解决问题进而引出学生对此主题的前概念。提一些启发性问题、提供脚手架式的活动材料，是教师保证让学生自主进行探究活动应该做的事。

2、建构验证与交流

构建新的认识和初步形成解释的过程是这一个阶段的重点。个人认识与事实证据之间、个人认识与科学概念之间的“冲突”充斥这个阶段。学生会进一步暴露和明晰自己的原有概念和认知，感受不同观点和解析之间的差异。教师在本阶段的探究学习活动中开展有层次的根据事实去引领学生进行推测和验证，把握在不同要求的教学各个阶段及时地指导学生开展各种探究学习。使整个教学过程向着预期要达到的科学概念目标推进，促进学生逐步构建新的科学概念。

《用水测量时间》一课例的目标科学概念是：在一定条件下，流水具有等时性。因为具有等时性，所以可以用来测量时间。围绕这个目标科学概念，教师设计了三个有层级的包含目标概念内涵的探究实验活动。活动一是思考古代的水钟是怎样报时的，学生形成第一层级的概念——感受时间就像流水一样在流动，形象地认识时间这一事物；活动二是做个注射器滴漏试试看，形成第二层级的概念——“ 在同样的装置中，水流的速度是不一样的，是先快后慢的”“水流的速度与水位的高低有关”；活动三是认识流水能计时，形成第三层次的概念——水的运动是有规律的，从而可以用来计时。

《用水测量时间》这一课例中，三个层级探究实验活动虽然条理清晰但包含的内容却非常多，如果教师不能很好把握，杂乱无章的教学状态就极易形成。运用“层级分析”原理推敲原先的教学策略就能促进学生科学概念的修正与完善。活动二我是这样重构的：明白怎样分工合作才能做到准确测量作为首要讨论活动，然后测量流完100ml水的时间并统计测量数据。再推测蓄积10ml、50ml、100ml的水需要的时间，讨论后开展验证实验。这样的设计：首先是基于对在前概念反思的基础上进行推测；其次测量数据初步构建了目标科学概念，为更有价值的推测提供了事实与依据；再者科学探究的实证性得到了体现，通过验证高效地达成了对初步构建的科学概念的修正。

3、解释修正与拓展

这一阶段的内容包含：首先学生对自己的经验开始抽象化使其成为一种可交流的形式，并通过进一步的探究活动对自己的解释进行修正、求证与评价。其二学生要展开自己的科学概念使其与其他概念之间的联系，并运用所构建的新概念解释周围世界或新问题，从而实现对新概念的验证、应用、巩固和完善。

师：使水流的速度一样，用什么办法可以解决？

学生讨论交流

生：不停地向里面加水，水流下来的速度就会一样。

师：这真是一个好办法。只要保持同样高度的水位，水流就会以相同的速度往下流。同学们请看（出示水钟图）

师：古人制造的计时水钟，是否也是用这样的方法让水以相同的速度往下流？

生观察水钟图后，交流。

此前的探究活动，学生已经明确“这样的水钟并不能准确地计时，水钟要准确的计时，水流的速度必须相同。”此时要想让学生对“流水具有等时性”的科学概念有一个明晰的理解认识，必须通过问题引导加深对概念的理解。这样当学生再次看水钟图时脑中就会出现这样一幅会动的画面：计时水钟上的水位永远保持着同样的高度，而滴下来的水流速度也永远是相同的。如此，“流水具有等时性”的概念形成。

4、过程与技能

这一过程应贯穿于整个实验探究教学过程之中，没有探究过程与技能发展科学概念将成无源之水，忽视科学概念整个实验探究过程将失去方向。如何让科学概念和探究技能协调的发展呢？下面就以《用水测量时间》一课中概念构建为例，就“推测”一项技能做个双螺旋发展分析。（见图5）

由此可见，科学概念与探究技能是逐层逐级协调发展螺旋上升的。比如第一次推測就是在学生的前科学概念后而进行的一次推测，这正是形成科学概念的起点。而第二次推测基于前概念反思又基于科学实证数据的推测，为科学概念的更深层次理解进行了铺垫。第三次推测在前两次测量的基础上提出的，是思维的一次跨越，这时学生的前概念已并不仅仅限于课始，并且建构了反例概念。第四次推测则是建立在前三次基础之上的一次理性的推测，这一次的推测是缜密、严谨的逻辑思维过程。在这一思维过程中“流水具有等时性”这一核心科学概念得以形成。

四、结论

综上所述，构建基于层级分析的科学实验探究模式的探讨表明，基于层级分析的双螺旋发展是一种以学生前科学概念为基础，通过科学概念的逐级修正和完善与探究技能的同步发展来建构新的科学概念的科学实验探究教学模式。在实验教学过程中，科学概念知识、过程技能进行由浅到深的目标解析，让科学概念与探究技能二条轨迹线索层层相对、级级相应，相互作用、同步发展；两条轨迹线索通过层级分析逐步深入、螺旋上升。基于层级分析的科学实验探究也就更有实效、更有深度。