运用U型模式提升学生的科学探究素养*——以“探究种子萌发的环境条件”为例

郭 威 谢虎成

（1 广东省广州市东环中学 广东广州 510030 2 广州市荔湾区教育发展研究院 广东广州 510370）

知识本位的教学追求快速得到知识结论，是省略学生的思考过程的浅层学习，无法促进学科核心素养的发展［1］。U 型模式是素养为本的教学，是追求高阶思维发展的深度学习，强调学习过程的完整和学习方式的多样，包括下沉、潜行、上浮3 个环节（图1）。下沉指通过问题情境激发，学生进入深度学习状态；潜行指学生参与知识的探究过程，体验知识发现的学科方法，经历深度学习过程；上浮指学生通过表达与运用知识，达成知识的意义与价值。在“探究种子萌发的环境条件”一节的教学中，采用U 型模式设计教学，按照“下沉（问题引入）→潜行（实验探究）→上浮（质疑与反思）”顺序展开，切合学生的认知需求，有利于培养学生的科学探究素养。

图1 U 型模型

1 下沉：创设问题情境，激发探究意识

下沉是深度学习的入口，是指教师创设问题情境，引发学生进入深度学习状态的过程。下沉的起点是创设问题情境，吸引学生对学习内容的关注，引起学习兴趣。下沉的关键点是制造认知冲突，激发学生的探究欲望。

创设情境是下沉的首要环节，只有真实的、与学生生活经验密切相关的问题情境，才能引起学生的高度关注。课前调查的结果表明，多数学生在小学科学课程中制作过豆芽菜，本节课首先让学生回忆豆芽菜的制作过程，并回答“在什么条件下绿豆种子才能萌发成为幼苗？”；进一步下沉，用多媒体技术优化情境，观看豆科植物种子萌发的视频，并将问题拓展为 “种子萌发需要哪些条件？”学生边观看边思考，并分组讨论交流。1 组学生认为“种子萌发需要阳光、水分、土壤和肥料”，2 组认为“还需要空气”，3 组认为“需要水分，但不需要土壤，制作豆芽菜就没用土壤，还有无土栽培”，4 组认为“需要一定的温度，但不需要阳光，因为种子萌发是在泥土中进行的”。

在下沉环节中，视频中精美的画面和悠扬的配曲吸引学生对现象的关注，与情境密切相关的问题引发学生对原理的猜测，学生根据生活经验提出不同的假设，不同的假设造成认知冲突，这种冲突无法用“说理”解决，必需从现象的表面下沉到原理的追踪，全身心地投入实验探究环节，进入“潜行”的学习状态。

2 潜行：理清探究思路，体验探究过程

潜行是学生经历完整的探究历程，一步一步地追寻对生命规律的本质认识，获得对生命现象科学解释的认知过程。潜行是分层深入的，本节课包括设计实验、论证实验方案、实施实验。

第1 层是设计实验。借助学生的好奇心和好胜心，教师要求各组设计一个实验以验证本组的假设，提示可参考“探究光对黄粉虫的影响”实验，建议利用列表、流程图等，直观表达实验方案。学生经过紧张的讨论，各组形成了自己的实验方案。

第2 层是论证实验方案。分组所设计的实验方案是否可行还需进行论证。论证实验方案包括分组展示实验方案、组与组间进行评价、修改和完善实验方案3 个环节。

第1 组探究光、空气、水分、温度、土壤等对种子萌发的影响，实验方案见表1。

表1 探究光、空气、水分、温度、土壤等对种子萌发的影响

进入互评环节，有的学生认为“这个设计非常好，一个实验就全部验证了种子萌发的所有条件”，也有的学生认为“这个设计不合理，即使1 号装置中种子全部萌发，2 号设置中种子不萌发，也不能说明光、水分、温度、空气、土壤这5 个条件都是种子萌发的必要条件”。教师顺势提出问题“多个条件不同时，如何确定哪些条件对实验结果产生了影响、哪些条件没有影响？ 一个实验中应研究一个自变量还是同时研究几个自变量？ 为什么？”

通过激烈的争论，学生终于弄清实验设计应遵行“单因子变量原则”，并运用这一原则将原有设计方案修改为“探究光照对种子萌发的影响”。

第2 组探究空气对种子萌发的影响，1 号装置将种子与空气隔离，2 号装置置于通风条件下，其他条件相同。

该小组的实验方案中每个装置各选择了5 粒种子，理由是节约实验材料，这又引起学生的争论。有的学生提出，为了体现节约原则，各选1 粒种子即可。但更多的学生认为种子不能太少，数量太少可能因为有的种子被虫蛀、有的种子本身活力不强等偶然因素会影响实验结果。学生经讨论达成共识，将原方案修改为“每组20 粒饱满的绿豆种子”。

第3 组探究水分对种子萌发的影响，他们认为没有水种子不能萌发，但水过多会“沤死”种子，故设置了3 组实验（表2）。

表2 探究一定量的水分对种子萌发的影响

这一设置已含有“定量实验”的萌芽，教师给予充分肯定。学生就如何界定“多水”“一定量的水”展开讨论，最后确定“多水”是将种子一半浸入水中，保证另一半暴露在空气中（保证空气条件）；“一定量的水” 则为定时喷水以保证装置内的滤纸垫湿润，而其他条件保持相同。

其他小组分别展示了探究温度、土壤对种子萌发影响的实验方案，并进行了交流和讨论。通过讨论达成了以下共识：①每组实验只能研究影响种子萌发的1 个条件（单因子变量原则）；②要设置对照实验，如果希望找出合适的条件还可设置多组实验；③尽量避免偶然性误差（例如，选择饱满健康的种子、其他条件相同且适宜等）；④实验方案要有可操作性（现有条件下可实施）。为了确保实验成功，学生一致同意每3 人一组，每组实验都由3 个小组选择不同的材料（分别为绿豆、花生、小麦）实施。

第3 层是实施实验，这是获取证据的关键环节。组员分工合作，有的选择种子，有的制作实验装置，有的制作观测量表。学生在课堂上完成装置的设置和播种，课后定期浇水、观察和记录。

这一实验经历了近1 周时间，实验过程中出现各种预先没有想到的问题，例如，第2 组的学生设计1 号试管与空气隔离的方法是装置瓶密封法，但浇水时却有空气进入，讨论了很久都没有解决，最后在全班“悬赏”征集解决方案时，才有人提出用水封法将种子与空气隔离（图2）。

图2 水封法

潜行是科学探究的主体，这一过程既有独立思考，又有分工合作；既有激烈辩论，又有动手操作，在此过程中思维、情感、身体都深度参与其中，“对照实验、实验组、对照组、单因子变量”等基本概念是在“做”中明白的、在“辩”中理解的。学生在讨论实验方案时，学会接纳他人意见；在评价实验方案时，学会辩论、倾听和反思，思维的严谨性、发散性、批判性得到了提升；在分组实验中，学会分工与合作；在实施实验方案的过程中，发展动手能力，提升实验技能，锻炼一丝不苟的作风，养成吃苦耐劳的良好习惯。实验设计的基本原理是在争论中领悟的，实验操作的基本方法是在实践中学会的，严谨求实的科学态度是在操作中养成的。这些都是潜行的收获，是科学探究素养的基本要素。

3 上浮：分析实验现象，表达探究成果

上浮是指知识的表达与运用，是知识外显化的过程，也是知识的检验与反思的过程。对于本节内容，上浮就是分析实验现象，得出“种子的萌发的环境条件”的具体结论，并运用这一结论解决生产、生活实际问题的过程。

1周之后，学生展示实验成果，并对本组实验现象进行解释。第1 组的结论是：光照对于种子萌发没有影响；第2 组认为：空气是种子萌发的必要条件；第3 组认为：一定量的水分是种子萌发的必要条件；第4 组认为：温度过高和过低都不利于种子的萌发；第5 组结论是：土壤不是种子萌发的必要条件。学生交流后还发现，不同的材料所需的条件、萌发所经历的时间、发芽率都有差异，最后得出结论：“适宜的温度、一定的水分和充足的空气都是种子萌发所需要的”，至此，探究的结果浮出水面。

与探究结果同时上浮的，还有意想不到的收获。第1 组还发现，光照虽然对种子萌发没有影响，但对植物的生长是有影响的，在黑暗条件下萌发的芽是白色的，而在光照条件下萌发的芽是绿色的；并通过查找资料获知，有些植物种子萌发与光照是有关系的。第3 组发现，水分多的一组种子也能萌发，但后来其根变黑了，教师引导他们进行科学解释。这些发现带给学生更多的启迪：完好地保存作物种子的条件是什么？ 保存种子可采取哪些方法？ 知识的运用是上浮的延伸。

上浮是深度学习中不可或缺的环节，知识只有在表达与交流中才能检验其合理性，在运用中才能检验其科学性。通过实验现象分析得出结论，促进学生养成尊重事实和证据的意识，发展学生推理能力；表达与交流促进了书本知识的个人化理解；运用知识解决生产、生活中的问题促进学生形成“社会责任”的意识，实现知识的意义增值。

4 小结

美国著名教育家杜威认为，书本知识具有不可教性，需要让学习者经历一个复杂的过程，即知识的学习需要经过还原与下沉、体验与探究、反思与上浮的过程［2］。U 型教学模式让学生经历下沉、潜行、上浮3 个基本环节，既契合了知识生产的基本规律，又契合了学生认知的基本规律。下沉环节情境创设注重建立知识与学生经验的联系，有利于激发学生学习动机；潜行环节通过实验设计、动手操作、小组合作、生生评价等有效手段，培养学生的科学思维和实验探究能力；上浮环节通过知识表达与运用，培养学生迁移知识的能力，实现知识的意义增值。通过U 型模式，学生不仅获得了对符号知识的深度认知，而且获得了对科学探究概念的深度理解［3］、对探究活动的深度体验和对探究规律的完整把握，是对科学探究素养的全面锻造。