小学自然探究式教学提升学生科学素养

◎ 管宝琴

“液柱为什么会升高”是沪科教版《自然》三年级第一学期“热传递与热胀冷缩”单元的第三课时，属于《义务教育科学课程标准（2022年版）》“能的转化与能量守恒”学科核心概念中“能的形式、转移与转化”的学习内容。本节课给予学生“做中学”的机会，突出科学探究的过程体验。学生经历提出问题、猜想假设、设计方案、实验验证、分析推理、解释交流的过程，从而实现学习的自我建构。

教材中与“热”主题相关的学习内容呈螺旋上升的形式。通过二年级第一学期第五单元“加热与保温”的学习，学生知道热产生的方式，了解生活中的一些保温材料和保温措施；通过三年级第一学期第七单元“热传递与热胀冷缩”的学习，学生初步了解热传递的三种方式及各自特点，知道不同材料的导热本领不同，知道物体热胀冷缩的性质及生活中的热胀冷缩现象。

本单元共四个课时，前两个课时探究热传递现象，主要使学生初步了解热传递的三种方式以及各自的特点，后两个课时探究物体热胀冷缩的性质以及在生活中的热胀冷缩现象。通过本节课的学习，学生要达到“知道一般情况下，气体、液体受热膨胀，遇冷收缩，并能应用热胀冷缩的知识解释生活中的一些现象”的学习要求。本节课是下一课“铁轨会变长吗”知识迁移的基础，从了解气体和液体的热胀冷缩延伸到对固体热胀冷缩性质的探究。

一、教学设计过程

（一）研读课标，明确目标

笔者在研读《上海市小学自然学科教学基本要求（试验本）》后，明确本内容需达成的目标，即知道在一般情况下，气体和液体受热膨胀、遇冷收缩。同时参考《上海市小学自然学科三年级教学基本要求（征求意见稿）》和《小学自然单元教学指南》，制定本节课的教学目标如下。

（1）通过体验探究空气受热、遇冷后的变化，知道空气受热膨胀、遇冷收缩的性质，提高通过实验探究事物变化的能力。

（2）通过设计实验观察水受热、遇冷后的变化，知道液体一般受热膨胀、遇冷收缩，并比较空气和水的受热膨胀差异，感受对比和推理的思维方法。

（3）通过用热胀冷缩的知识解释生活现象，提高运用所学知识解决实际问题的能力，感受科学来源于生活、服务于生活。

同时，本节课要突出的重点是：知道空气和液体受热会膨胀、遇冷会收缩。方法是首先通过展示热喷泉现象，激趣导入，学生带着猜想继续探究。然后，初步体验观察平底烧瓶上的气球随着烧瓶在热水和冷水中的鼓起、变瘪，知道空气受热膨胀、遇冷收缩。接着，自主设计方案，实验验证水具有和空气相同性质的猜想。最后，教师演示酒精、牛奶等液体受热、遇冷变化的实验，归纳总结液体热胀冷缩的一般性质。

本节课要突破的难点是：通过设计实验，观察现象，分析、认识空气和水的热胀冷缩。方法是教师提供探究空气热胀冷缩性质的部分实验器材，引导学生进行实验，通过观察气球受热、遇冷后鼓起、变瘪的现象，分析认识空气受热膨胀、遇冷收缩；接着，学生知识、方法迁移，自主探究水的热胀冷缩性质。就设计方案、实验材料和现象观察三个方面，学生小组合作、教师问题引导，逐步展开探究，通过观察烧瓶上细玻璃管内红色液柱升高和下降的现象，得出水的热胀冷缩性质。

（二）依据目标，设计方案

小学自然学科核心素养包含三个方面（见图1）：一是认识自然现象、形成科学观念，习得观察、实验等技能；二是体验科学活动和发现科学问题，习得运用科学知识和方法开展不同形式的科学探究和实践的能力；三是具有探索各种自然现象的好奇心，养成尊重事实的科学态度，增强对自己、对身边的人、对自然和社会的责任感。［1］小学自然学科核心素养是学生科学素养的重要组成部分，是学科育人价值的集中体现。

图1 小学自然学科核心素养

探究式教学是提升学生科学素养的重要途径。《义务教育科学课程标准（2022年版）》指出“探究是科学学习的主要方式之一”。探究式教学就是以探究为主的教学方式。徐小莲在归纳国内外学者对探究式教学的看法后提出，探究式教学是在教师的指导下，以学生独立自主学习和合作讨论为前提，以学生周围世界和生活实际为参照对象，为学生提供充分自由的表达、质疑、探究、讨论问题的机会，让学生通过学习，了解科学过程的特征和本质，发展学生的逻辑思维和批判思维能力，培养学生的科学素养，使学生将自己所学知识应用于解决实际问题的一种教学方式。［2］其中，发现并聚焦问题、提出预测或假设、设计方案、寻求实证、处理信息和数据、得出结论、交流表达等是探究式教学的一般要素。

因此，在小学自然探究式课堂中，教师应更注重学生探究意识的培养，充分挖掘教材的探究内涵，挖掘学生的潜能，设计更加自主、创新的探究活动，以达到培养学生科学素养的目的。

小学三年级学生具有强烈的好奇心和探究热情，对于气体和液体热胀冷缩的性质也有一定的生活感知经验。同时，他们有一定的逻辑推理能力，有助于实现对于“观察到什么现象”“说明了什么”“可以归纳出什么结论”等方面的探讨。但小组合作、自主设计各种可能的实验方案并付诸实施，对于学生创新思维、合作意识和实践能力等都具有挑战性。基于上述分析，笔者设计了以学生为主体的探究式课堂，呈现如下。

1.发现问题，提出猜想

课堂伊始，教师现场演示热喷泉实验：把带有细玻璃管、装有部分体积红色水的平底烧瓶放在水槽中，向水槽中倒入热水，红色水很快喷出。实验现象夺人眼球，激起学生探究热情。学生用已有知识去解释问题、作出猜想。教师逐步引导学生讨论观察到了什么现象，猜测为什么会出现该现象，可能是什么物质产生了变化。学生在问题的引领下，层层递进，确定探究目标，可能是平底烧瓶中空气或者红色水受热体积变大。

2.设计方案，实验验证

作出猜想、明确探究目标后，教师请学生思考：为了验证猜想，应该怎么做？分哪几个步骤？首先学生已经明确两个探究问题：空气受热是否体积变大和水受热是否体积变大。接着，就实验材料的选择、现象的观察、操作的步骤等展开设计，并完善方案。

水受热是否体积变大的探究，对学生来说难度不大，教师导入实验的装置会带给他们启示，只需把原来烧瓶中的部分水加满。其中观察、比较水体积变化的实验细节，需讨论完善，明确画刻度做标记的意义。对空气受热是否体积变大的探究，难在如何观察空气的体积变化。先尝试引导学生思考借助其他物质的体积变化来观察空气的体积变化，再呈现辅助观察的实验材料——气球。

当确定了实验方案后，小组合作展开实验并做好及时的现象、数据记录。

3.分析推理，得出结论

实验结束，根据实践过程中收集的信息，进行交流、分享，师生一起梳理归纳得出结论。平底烧瓶上套气球，观察气球的变化过程并分析原因，烧瓶内空气受热使得气球鼓起、遇冷气球变瘪，从而分析得出空气受热体积膨胀、遇冷体积收缩；带细玻璃管的平底烧瓶放入热水中液柱升高，放入冷水中液柱降低，分析得出水受热体积膨胀、遇冷体积收缩。

4.解释交流，建构概念

迁移应用有助于深化对知识的理解、概念的建构。最后让学生应用所学知识解决生活中的实际问题——怎样让瘪的乒乓球鼓起来？同时引导其分享生活中其他热胀冷缩现象。

二、教学实践与评析

本节课主要有以下三个教学环节：①热喷泉实验导入，引发学生猜想，平底烧瓶中空气或红色水受热体积膨胀，再利用提供的实验材料设计方案，平底烧瓶上套气球，观察气球的变化过程——烧瓶内空气受热、遇冷带来气球的鼓起、变瘪，并分析得出空气受热膨胀、遇冷收缩的原因；②自主设计实验观察水受热、遇冷后体积的变化，通过演示实验、分析现象等拓展、归纳出液体热胀冷缩的一般性质，然后对比空气和水受热膨胀程度的差异，再次解释热喷泉现象；③就“如何让瘪的乒乓球鼓起来”的问题，应用所学加以解决，并对生活中其他热胀冷缩的现象进行解释交流。

（一）创设情境，提出问题

情境作为教学的有机组成因素，引导学生经历学习的过程，促进其科学素养的发展。结合教学内容，合理选择创设情境的方法，可以通过让学生看实物、魔术、视频资料、演示实验等；听歌谣、故事、珍闻、新闻等；做游戏、猜谜等有效激发学生的学习兴趣［2］，使学生积极主动地参与到课堂探究中。

师：今天老师给大家带来了一个实验。

（教师演示实验）

生：哇！喷泉。

师：为什么会出现喷泉现象呢？

生：老师往水槽里加了热水。

师：是的，你观察得很仔细。那么，是烧瓶里水变多了喷出来了吗？

生：不是。

师：那可能是什么原因？

生：可能红色水体积变大了。

师：这是一种猜测。可是烧瓶里除了有红色水还有什么物质？

生：还有空气！也可能是空气受热体积变大，导致红色水喷出。

师：是不是像同学所说的这样？我们需要通过实验来验证它。

小学自然是一门以实验为基础的学科，用实验创设情境，有其得天独厚的学科优势。科学实验本身非常有趣，容易吸引学生注意力。课堂伊始，教师现场展示热喷泉实验，促使学生积极思考为什么会出现喷泉现象，提出烧瓶中空气或是红色水受热体积膨胀的猜想，形成具体明确的可探究的科学问题，进而积极主动去探究。

（二）逐层引导，激发思维

小学自然课堂中，教师是学生学习科学的支持者和引导者。为使探究达到预期的教学效果，教师对学生思维、行为的合理引导是科学探究高效开展的关键点。

1.环节一：探究空气受热后的变化

基于猜想“烧瓶中的空气或红色水受热体积膨胀”，明确探究空气受热后的变化和水受热后的变化。对于三年级学生来说，设计完整的实验方案有一定难度，教师通过问题链引导学生思考探究实验的设计。

师：老师带来了平底烧瓶、热水和烧杯，这些材料能帮助我们观察空气受热后的变化吗？

生：不能。

师：关于空气，我们已经知道空气有哪些性质？

生：空气无色透明、无气味、无味道、会流动。

师：是的，我们无法直接看到空气。那能否借助其他物体的变化来观察空气的变化？

生：气球！把气球套在平底烧瓶上，再把烧瓶放入盛有热水的烧杯中，看气球是否鼓起，如果气球鼓起，那就说明空气受热体积膨胀。

由上述可见，教师在课堂引导过程中，要基于学生的已有知识经验和认知水平，利用合适的问题激发学生的思维，调动其思考的积极性和全面性。

2.环节二：探究水受热、遇冷后的变化

探究验证水是否具有和空气相同的性质，学生通过知识、方法迁移，自主探究水的热胀冷缩性质，就实验材料的选取和现象的观察，小组合作，设计方案。

师：我们通过实验验证了空气受热体积膨胀、遇冷体积收缩。那你们能否参考课上出现的实验用品，再次选择材料、设计实验，探究水受热、遇冷后的变化？

生：我们小组认为只要把热喷泉实验中的烧瓶装满水，加热烧瓶，观察烧瓶上细玻璃管的液面变化。

师：你们很会思考应用。老师还有个问题，怎么观察、比较水的体积是否发生了变化呢？

生：用直尺竖在细玻璃管边上，测量液面的位置变化来做记录。

师：很好，你们会用参照物帮助比较了。有没有更简便的操作？

生：在玻璃管上画线做标记。先标记液柱原来的位置，再标记加入热水后液柱的位置。前后两次进行比较。

科学探究活动中的每一步都伴有思维活动。教师要在开展活动过程中发挥学生的主导作用，把握关键问题，利用恰当时机，引导学生进行科学思维、有效探究。

3.环节三：解释热喷泉现象

认识空气和液体的热胀冷缩性质后，聚焦导入实验的热喷泉现象，引导学生分析推理，解释原因。

师：现在我们知道水和空气都有热胀冷缩的性质。请同学观察实验对比图（见图2）。

图2 对比解释热喷泉现象

图左是老师的演示实验，图右是同学们探究水受热变化的实验。有什么不同？

生1：左边烧瓶中液体受热喷出，右边烧瓶中液体受热液位缓慢上升。

生2：左边烧瓶中装了部分水，右边烧瓶中装满了水。

师：很棒。区别在于左边烧瓶中部分的空气到了右边变成了水，从而出现了左边是液体喷出，右边只是液柱升高的区别。

生：空气比水受热更容易膨胀。

在学生分析的基础上，教师进一步视频演示，如图3所示，实验前后画面，观察到相同时间内，受热后的空烧瓶中液柱移动更远，再次验证了空气比水受热更易膨胀。

图3 比较空气与水的受热膨胀程度

教学中注重引导学生分析推理，抽丝剥茧，探究过程循序渐进，从而保证学生的积极的思维状态，让学生经过探究和思考后，逐步实现对问题的有效解决，不断培养思维能力。

（三）迁移应用，深化理解

深度学习理论认为，学习者能够在理解学习的基础上，将已有知识迁移到新的情境中，作出决策和解决问题。［3］在教学中重视学生的迁移应用，能加深其对知识的理解，促进概念的建构。

师：体育组的老师遇到了一个困难，器材室的乒乓球有些都瘪掉了，你们能想办法帮帮他吗？

生：可以把瘪掉的乒乓球放热水里，球里的空气受热体积膨胀就会让乒乓球鼓起来。

师：非常棒。你已经会应用今天所学的知识解决生活中的问题了。生活中还有些现象，你们能解释吗？装满水的水壶烧开后水为什么会溢出来？夏天自行车车胎的气为什么不能打太足？冬天从暖水瓶里倒水喝，塞子塞回去后，为什么有时塞子会跳起来？

学生迁移应用所学知识，对生活现象分析解释，促进其对热胀冷缩科学概念的深度理解。同时在探讨中发现，生活中热胀冷缩的现象分为防范与应用两个方面，感受科学与生活的密切关系。

三、教学反思

（一）创设质疑环境，营造探究氛围

批判质疑是学生发展核心素养的要点之一。探究式课堂鼓励学生自行设计方案、自己选择材料、自己开展实验、自己总结结论，这些都可以是学生批判质疑的对象，教师要提倡基于证据的批判质疑，激活他们的科学精神。同时，在自主探究过程中允许失败，再修改方案，再研究，不断走向成功。

（二）实施有效评价，激励持续探究

教育评价的最终目的是改进与发展，要发挥评价在探究式教学过程中的反馈、发展功能，提高教学有效性；更要在评价实施的过程中挖掘学生的多方面潜能，激励其持续探究。学生个体水平存在差异，教师在评价时不能只关注学生对知识技能的掌握，更要全面关注学生的情感、态度、认知、能力等各方面的发展，促进其在原有水平上不断提高。

（三）提升自身素养，助力高效指导

在探究式教学中，处理好学生自主和教师指导的关系尤为重要。突出学生地位的主体性，保证教师指导的高效性，都有赖于教师扎实的学科知识基本功以及对学生探究领域的清晰认知。如今教育改革如火如荼，知识更迭越来越快，教师只有不断学习，夯实专业知识，提升自身素养，才能迎合发展学生核心素养的需求。