发展学生科学思维导向的深度学习研究——以初中科学“酸碱溶液混合”为例

叶 笛

(上海市三新学校，上海 201620)

初中科学课程是以对科学本质的认识为基础、以提高学生科学素养为宗旨的综合课程，通过对本课程的学习，使学生养成科学的思维习惯，逐步形成用科学知识、方法和态度去看待和解决个人与社会问题的意识[1]。科学作为一门综合课程，不同于分科课程的突出特征是：跨越学科界限，实现对知识的融合与贯通。因此，科学课程更强调以科学知识的学习为载体，传授普适性的科学方法，发展科学思维能力，形成科学观念和意识。所谓“科学思维”，就是具有意识的人脑对自然界中事物(包括对象、过程、现象、事实等)的本质属性、内在规律及自然界中事物间的联系和相互关系的间接的、概括的和能动的反映[2]。

当今，深度学习已然成为深化基础教育课程改革的重要抓手和落实学生发展核心素养的实践途径。所谓深度学习，就是指：“在教师引领下，学生围绕着具有挑战性的学习主题，全身心积极参与、体验成功、获得发展的有意义的学习过程。在这个过程中学生掌握学科的核心知识，理解学习的过程，把握学科的本质及思想方法，形成积极的内在学习动机、高级的社会性情感、积极的态度、正确的价值观，成为既具独立性、批判性、创造性，又有合作精神、基础扎实的优秀的学习者，成为未来社会历史实践的主人。”[3]那么，如何在课堂教学中发展科学思维、实现深度学习呢？下面就以(牛津上海版)初中《科学》教材中“酸碱溶液混合”一课为例，谈如何在课堂教学中发展学生的科学思维。

一、挖掘教材背后的核心价值，引导学生经历探究的过程

面向七年级学生的“酸碱溶液混合”一课主要内容是：认识酸、碱溶液混合后溶液的pH值变化。通过本节课的学习，学生能够知道：在碱溶液中加入酸溶液后，溶液的碱性减弱；同理，在酸溶液中加入碱溶液后，溶液的酸性减弱[4]。传统教学模式通常采用教师做演示实验，即：在碱性的氢氧化钠溶液中逐渐加入稀盐酸，并用DIS设备实时测出溶液的pH值。学生通过观察数据变化判断溶液的酸碱性变化并得出结论。这样的教学活动只需要学生观察数据，记住结论即可，却无法激活和发展学生的科学思维。若要引发学生深入思考，则需要教师在开展实验前设计驱动性问题。教师可以提问：“我们已经知道溶液有酸性、碱性和中性之分，如果老师把酸性溶液和碱性溶液混合在一起，你能推测出混合溶液的酸碱性吗？”在实际教学中，学生们给出的答案五花八门，有的认为会变成中性，也有的认为会变成酸性或者碱性。他们的答案往往只是凭直觉毫无根据地猜出来的，此时，教师适时追问：“你的理由是什么呢？”进而引导学生尝试阐述能够支持自己假设的依据。而这个过程就是模拟科学探究的过程——从“提出问题”到“形成假设”再到“收集证据来支持假设”(如图1)。教师要特别强调：科学假设是“有根据地推测”，而不是“毫无依据地乱猜”。科学家进行的“猜想”、形成的“假设”、提出的“假说”都是基于前期相关研究，在一定的科学依据下所形成的推论。毫无根据地乱猜不符合科学思维习惯，由此，教师从一个“有挑战性”的问题衍生出一个有“驱动性”的任务，让学生们主动参与探究过程，而不是被动观看实验现象和机械记忆结论，只有这样才能实现从“以记忆科学事实”向“以发展科学思维”转变。传统学习以存储知识为基本取向，以学生“被动接受”为基本形式，以控制与压抑人性为“价值”追求，这种学习观既无助于培养学生批判性思维与问题解决能力，也不利于发展学生团队合作与关爱包容意识[5]。科学教学的本质是提升人的科学素养，而不是单纯记忆科学知识。尽管教材中所呈现的教学内容只是一个科学事实，但教师可以进行再加工，将单一的记忆知识学习转变成生动有趣的探究活动。科学课的核心内容在于探求这个已知规律的发现过程，让孩子们重新走一遍科学家的发现过程。掌握了发现过程，就是掌握了科学思维[6]。尤其是学生们在实施验证实验之前，先经历同科学家一样的深入思考，才能使科学思维得以发展。

图1 传统教学模式与“深度学习”教学模式流程对比

二、利用前认知进行合理推断，实现跨越学科的知识迁移

当教师引导学生找出能够支持自己假设的理由时，学生们往往将关注点集中于实验操作的结果。倘若此时教师实施演示实验，学生们观看实验并寻找答案，这样的教学活动也仅仅只是激发了学生的好奇心和探究欲而已，并没有充分发展学生的科学思维。其实，科学的独特价值在于其具有“预见性”，即：对客观事物发展趋势所做出有根据的论断具有指导未来的作用。尽管科学知识的发现过程需要经过无数次的试错，但是一旦人类掌握了科学规律和原理就可以进行预判，而不用再重新开始试错。正如：人们根据牛顿提出的万有引力定律，通过计算就能找到某个行星的运行轨道位置，提前守候在预定轨道即可捕捉观测到行星身影，这就是科学的价值所在。因此，教师不要过早进行实验操作而应启发学生思考：“你能不能利用学过的知识尝试推断实验结果呢？”此时，教师提示学生们刚刚学过的有关酸碱溶液的pH知识，引导学生：“你能从中发现什么规律、获得什么启发吗？”学生们通过观察“pH标度”获得启迪，表述了自己的推断。

学生A：“我认为混合溶液很可能是中性的。因为，我发现这个pH标度特别像数学里的数轴。可以把中性溶液看成数字0，酸性溶液看成负数，碱性溶液看成正数。那么酸性溶液加碱性溶液就相当于负数加正数，最后的结果就是0，相当于中性溶液。”

此时，教师予以及时点评：“A同学由pH标度联想到了在数学学科中学过的数轴。大家想一想，酸、碱溶液混合跟正、负数相加是不是有相似性呢？”其他学生频频点头，表示赞同。通过对比观察，学生们发现并归纳出二者之间的联系(如图2)：pH标度表示中性溶液的7跟数轴中间的0相对应；pH标度与数轴上的数字都是从左往右数值逐渐增大；pH标度中7向右侧(碱性区域)延伸表示碱性越来越强，对应在数轴中从0向右侧(正数方向)延伸表示数字的值越来越大；pH标度中7向左侧(酸性区域)延伸表示酸性越来越强，对应在数轴中从0向左侧(负数方向)延伸表示数字的值越来越小。

图2 pH标度与数轴之间的联系

可见，学生们已经开始从大脑中积极调用曾经学过的知识，并尝试将数学学科中的数轴和化学学科中的pH标度进行类比，寻找出二者之间的联系，尝试解决新问题，其中所体现的利用正、负数相互抵消的思想跟酸碱溶液混合后H+与OH-相结合生成水的现象高度契合，这个思维过程实现了学科知识之间跨越式的迁移。而传统教学通常是教师将前人研究的知识传授给学生，学生只需要继承并消化理解，最终能够运用这些知识解决习题即可，在这个过程中学生犹如嗷嗷待哺的雏鸟，需要教师先喂饱他们，而后才能成长。在教师没有教授新知识前，学生除了渴望、期盼和等待别无选择，严重扼杀了学生作为学习主体的主观能动性。然而，教师以组织学生讨论交流替代单纯讲授知识的方式，则可大大激发学生回忆曾经学过的知识、利用已有的经验尝试解决新问题的欲望。从中，学生还将经历比较、分析、类比、归纳、总结、推理等思维过程。只有引发学生深度思考，他们的科学思维才能被激活。

三、在纠错与改进中建构知识，促进学生高阶思维的发展

学生尝试进行知识的建构过程类似于科学家进行研究的历程。由于对科学规律的认识是一个曲折、渐进、不断积累的变化过程，因此，学生们的知识建构也是一个递进的过程。关键在于教师给予适切的引导，才能激发学生们对某一观点产生质疑，进行批判并提出改进建议，最终完善形成新的认知。

教师针对学生A提出的“酸和碱溶液混合会变成中性溶液”的设想继续追问：“大家再深入思考，看看学生A的说法还需要做哪些补充和改进呢？”经过讨论，学生B针对学生A提出了质疑：

学生B：我觉得A同学的说法有一定道理。但我认为，混合溶液不一定就是中性的，也可能是酸性或者碱性。因为，溶液的酸碱度不同。如果是很强的酸性溶液中加入非常弱的碱性溶液，结果还应该是酸溶液，只不过是弱一点的酸性溶液。在对应的数轴上，用数字打比方，就像“-5”加“2”结果是“-3”还是负数，相当于酸性。所以，只有同等酸碱度的酸、碱溶液混合后才有可能是中性溶液。

此时，全班学生都向学生B投来赞许的目光。教师给予及时点评：“B同学思考得更加全面、更加细致，还考虑到了溶液的酸碱度。大家想想是不是很有道理呢？其他同学还有什么补充吗？”此时，学生C进行了补充。

学生C：我认为除了溶液的酸碱度还要控制溶液的体积。根据我们之前学过的“控制变量法”思想，还应保证酸和碱溶液是等量的。否则，即使是很强的酸性溶液，如果只有1 mL加入1 000 mL的比较弱的碱性溶液中，估计混合溶液还是碱性的。

学生们点头表示赞同。教师予以及时点评：“C同学又想到了科学实验中最重要的控制变量法，提出的改进建议非常重要。那么从中我们还可以推断出什么结论呢？”学生D进行了总结。

学生D：我们可以推断出：如果在碱性溶液中加入过量的酸性溶液，混合溶液就会变成酸性的；同样，如果在酸性溶液中加入过量的碱性溶液，混合溶液就会变成碱性的。

至此，经过激烈的讨论和交流，学生们在实验操作之前已经进行了深入的分析并对实验结果作出预判。在学生们的要求下，教师没有照本宣科按照教材中原实验方案进行操作，而是根据学生提出的方案重新设计了实验。学生们一致决定要探究“在等量的前提下，对等酸碱强度的酸、碱溶液混合后会不会变成中性溶液”。于是，教师引导学生设计实验方案并进行操作演示。学生们选择了pH为4的酸性溶液和pH为10的碱性溶液作为实验对象。因为，在pH标度上这两种溶液距离中性溶液的距离相等，都是“3个单位”可表示“酸碱度的强弱对等”。根据学生们先前讨论达成共识所形成的模型可知：“pH为4的酸性溶液”对应数轴上的“-3”，“pH为10的碱性溶液”对应数轴上的“3”，二者混合即数值相加结果为“0”，也就是pH应为7，是中性溶液。接下来，教师取两种溶液各20 mL混合并测出混合溶液的pH为7.02，基本可以验证预判结果是正确的(详见图3)。

图3 验证学生们提出假设的实验过程

接着，教师又在学生要求下开展了一系列变式实验，如：将等量但不同酸碱度的酸碱溶液混合实验、往酸性溶液中加入过量碱性溶液的实验、往碱性溶液中加入过量酸性溶液的实验、各往酸(碱)性溶液中加入中性溶液的实验等。最终，学生们通过测出一系列实验中混合溶液的pH判断混合溶液的酸碱性，进一步验证了先前讨论得出规律的正确性。同时，还总结归纳出一条普适性更强的结论，即：“向溶液中加入酸碱性不同的溶液后，混合溶液的酸碱度会向原溶液的相反趋势发展。”这个结论相比教材中的知识更具有概括性、通用性，它不仅可以解释酸和碱溶液混合后的变化，还可以解释向酸或碱性溶液中加入中性溶液也可以降低原溶液的酸碱强度。可见，学生们是在自主探究、自我发现的过程中进行知识的建构，而不是“填鸭式”的被动的机械记忆，他们在体验知识发现的过程中提升了科学思维能力。

纵观整节课的教学活动过程，貌似教师无形中拔高了教学要求，但究其本质，本节课所传授的知识点并没有增加，难度也没有加深，尤其是巧妙规避了“需要通过计算酸碱混合溶液中氢离子浓度来断定溶液pH”的知识点。由于七年级学生还没有学习过关于“对数”“氢离子”“氢氧根离子”等知识，还不能真正理解“pH的表达式”(即：pH=-lg[H+])的含义，因此，以“借用数轴做等量替换的方式”更符合这个年龄段学生的认知水平。尤为重要的是：学习方式发生了质的飞跃——由传统的“教师讲授式”转变为“学生探究式”。尽管实验操作还是由教师实施，但在实验实施之前所进行的推测、探讨、质疑、改进等交流活动则是由学生们共同完成的。在这个深度学习的过程中，学生们积极调用头脑中已有知识，尝试运用类比方法优化模型，创造性地解决问题，大大激活了科学思维。以这种“发现式”教学模式开展学习活动，学生们收获了远远超过知识本身的更深远的价值。因此，在科学课堂教学中，教师需要以高屋建瓴的眼光，以发展学生的科学思维为导向，基于学生现有认知水平对教材中的内容进行创造性的再加工，发挥出学科核心价值，实现提升学生们综合科学素养的终极目标。