基于科学思维能力结构模型建构科学教学思维能力进阶模型*

梁荣君|浙江省温岭市城南中学

阮庆元|浙江省温岭市教育发展研究室

教学思维是教育者针对教学现象和教学问题，通过自身的比较、分析、概括和预见等，形成教学观念或理念，从而作出判断、计划和决策，以此来影响教学行为的思维活动。教学效果受教师的教学理念、教学行为、教学水平和教学方法的影响，但它们之间的正相关程度很低。对不同层次教师进行的研究表明，教学思维是教师能否有效实施教学的重要因素，也是教学行为的心理基础和内在根源［1］。因此，发展教师的教学思维能力对于提升教学质量具有关键性作用。

一、初中科学教学思维及其与科学思维的关系

初中科学教师所具备的教学思维称为初中科学教学思维。由于教学思维具有学科属性［2］，因此初中科学教学思维具有科学学科的特征，其对象包括“科学教什么”和“科学怎么教”两个方面，可简称为科学内容和科学教学。

科学思维具有两个基本特征：一是竭力追求科学事实，二是竭力追求与普遍自然规律相符［3］。教学思维是一种使教学过程符合教学规律和教学理性的须遵循的认知模式［4］。二者都具有规律性和客观性，即教学思维符合科学思维的特征，其中，科学事实表现为科学内容事实和科学教学事实，普遍规律表现为科学知识规律和科学教学规律。因此，将科学思维研究的相关结论应用到初中科学教学思维的研究上是演绎式的、合理可行的。

二、基于科学思维能力结构模型建构科学教学思维能力进阶模型的分析框架

科学思维能力的结构模型是关于科学思维能力的组成要素及其发展规律的理论模型［5］。结构模型由思维内容、方法和品质三个维度构成：思维内容包括科学现象、科学概念、科学规律和科学问题；思维方法包括分析综合、比较分类、抽象概括和科学推理；思维品质包含深刻性、灵活性、批判性、敏捷性和独创性。三个维度中任一因子皆可构成思维单元，而思维单元的整合则反映出教师的科学思维能力。

科学思维能力的结构模型具有三个特点。其一，整体性。科学思维能力是由思维内容、方法和品质有序组成的有机整体，这些要素互相制约、互相促进、共同发展，在一定阶段内处于相对稳定状态。其二，动态性。受到教师的经验积累或实践体验等外界信息的刺激影响后，科学思维能力会发生变化，具体表现为思维单元的形成、改进或重组。其三，自调性。当外界信息刺激引起思维能力结构变化时，教师会通过自身的调整形成新的思维能力结构，从而适应新环境，达到新平衡。利用结构模型可以研究初中科学教学思维能力，得到其构成要素和发展路径，从而建构初中科学教学思维能力进阶模型。基于科学思维能力结构模型建构科学教学思维能力进阶模型的分析框架详见图1。

图1 基于科学思维能力结构模型建构科学教学思维能力进阶模型的分析框架

三、初中科学教学思维能力的构成要素

（一）思维内容

初中科学教学思维能力中的思维内容包括科学教学现象、科学教学概念、科学教学规律和科学教学问题（详见表1）。由于实验在科学教学中具有突出的地位，因此在具体示例中涉及实验的内容较多。

表1 初中科学教学思维内容一览

（二）思维方法

初中科学教学思维能力中的思维方法包括分析综合、比较分类、抽象概括和科学推理。

分析综合：分析指将对象分解成部分或要素进行研究；综合指把部分或要素重新整合为整体再进行研究。

示例（科学内容方面）：力具有三要素，研究重力时先从重力方向、大小和作用点分别进行研究，这是分析过程；再通过力的示意图表征重力，在作受力分析时用示意图或图示表示重力，这是综合过程。

示例（科学教学方面）：在进行用高锰酸钾制取氧气的实验过程中，教师收集不同层次学生的实验表现，这是分析过程；针对学生的问题，如怎样操作才能收集到更纯净的氧气等来改进实验教学，这是综合过程。

比较分类：比较指把握不同对象的差异或相同点；分类指按照一定的依据将研究对象分门别类。

示例（科学内容方面）：在盐酸和硫酸溶液中分别滴加紫色石蕊试液，溶液均变红色；在氢氧化钠溶液中滴加紫色石蕊试液，溶液变蓝色。比较盐酸和硫酸溶液得到相同点，比较盐酸（或硫酸）和氢氧化钠溶液得到不同点，然后进行分类。

示例（科学教学方面）：在测量小石块密度的实验中，有些学生先测量小石块的质量再利用排水法测体积，有些学生先用排水法测体积再测量小石块的质量。教师对两种方案进行比较、评价，指出后者由于小石块会不可避免地带出水而导致实验数据不准确，以此对学生实验能力进行分类。

抽象概括：抽象指从许多对象中舍弃次要和个别的要素，将主要和本质的要素抽取出来的过程；概括指将主要和本质的要素进行联系组合的过程。

示例（科学内容方面）：当水沸腾时，温度不再上升，恒定在某值，但如果撤掉加热的酒精灯，尽管温度保持某值，但水会停止沸腾，由此抽象出水沸腾需要的条件。类比其他液体沸腾情况进行概括，得出液体沸腾所需的条件：达到一定温度以及持续吸热。

示例（科学教学方面）：在学习比热这一概念时，学生对水和煤油的相关实验进行探究，得出水和煤油的吸热能力不同的结论。从这一过程可抽象出比热概念教学，首先是“创设实验情境，让学生建立水和煤油吸热能力不同的表象”，由此类比其他概念，可概括出概念教学的第一个环节为“创设情境，建立科学表象”。

科学推理：根据已有判断推出另一判断的思维过程，主要有归纳推理、演绎推理和类比推理等。

示例（科学内容方面）：高处的水自发地流向低处，到达抽水机处，抽水机又将水抽到高处，由此形成不断循环的水流。将这一过程类比到电流的形成中，可得出电源的作用相当于抽水机。

示例（科学教学方面）：在计算溶液稀释的题目中，要求学生计算所加水的质量。某学生将稀溶液的质量作为答案，另一学生将稀溶液中溶剂的质量作为答案，尽管两种答案都是错误的，但我们可以推理出后一个学生的理解程度更深，更接近于正确。

（三）思维品质

初中科学教学思维能力中的思维品质指在科学教学的过程中，教师对某些思维内容进行思维活动并作出反应的一种状态。初中科学教学思维品质包含深刻性、灵活性、批判性、敏捷性、独创性等方面，其含义和具体表现如下。

深刻性：思维的抽象程度和逻辑水平。

具体表现：善于深入地思考科学知识或科学教学问题；善于抓住事物的本质，并能全面和系统地思考科学教学问题。

灵活性：思维活动的灵活程度。

具体表现：善于通过不同的角度分析、思考科学教学问题；善于整合不同的思维方法；善于利用多种方法解决和处理科学教学问题；能灵活地迁移应用知识。

批判性：准确评估自身思维的能力。

具体表现：善于结合学生的学习情况，反思自身科学教学的观念、策略和行为；善于审视自身的知识结构和不足；注重对科学知识的批判性理解，并将其转化为学生可以学习的材料。

敏捷性：思维过程的速度。

具体表现：能及时抓住学生学习的反馈并迅速作出策略调整；善于利用自身的知识储备，迅速对科学问题作出准确的判断。

独创性：独特的思维方式、新颖的思维方法及宽广的思维面。

具体表现：善于根据具体的科学教学问题，进行发散性思维；结合学习目标，采用独特的方式进行教学，注重学生科学素养的持续提升和科学本质的体认；善于辩证和深度理解科学知识的本质内涵。

需要加以说明的是，由于思维品质是在具体的思维内容和思维方法中表现出来的，所以未涉及具体示例。另外，各种思维品质是相互影响的，如独创性和批判性都以深刻性为前提，因此应侧重于对深刻性的培养。

四、初中科学教学思维能力的发展路径

（一）注重整体性，形成思维单元

教师通过一个完整教学周期的教学实践活动积累，针对思维内容、方法和品质实现整体性的发展，进入教学思维的前稳定阶段。完整的教学周期指教师完成某学科整个学段的课堂教学任务所对应的时间。由于受到外界信息的刺激，教师会在课堂实践的过程中形成某个或某些思维单元。

例如，在“质量守恒定律”教学中，思维内容是“质量守恒定律”这一核心科学规律及“如何通过实验探究，结合三重表征，让学生理解该定律”这一科学教学问题，这些必须依托于“比较分类”“科学推理”等思维方法，具体表现为“选择哪些具体实验让学生进行探究”“如何从宏观实验现象转入到微观层面，最后利用符号进行表征”等。选择“将硫酸铜和氢氧化钠溶液反应、过氧化氢制氧气、白磷燃烧三个实验作为具体实验进行探究”体现了教学思维的深刻性，表现为对不同实验的开放程度具有全面思维。“采用三重表征深化质量守恒定律”体现了思维的灵活性，表现为对“质量守恒定律”可从不同的角度进行研究。通过这一过程，教师就形成了关于“质量守恒定律”的思维单元，且其将在一定阶段内处于稳定状态。

（二）顺应动态性，改进思维单元

教学思维会以思维单元的形成而处于稳定阶段，直至出现反常信息打破原平衡。这种反常信息的来源包括外部的实践研训和内部的自省反思。此时，教师会对已有的教学理念或教学行为重新作出审视，这是结构模型中动态性的表现。简言之，当原有教学思维能力状态与反常信息不相符、不再适应教学需要时，就会顺应于变化，某些思维单元会改进或剔除，进入教学思维能力的调整阶段。

例如，在“天平结构”教学中，教师将思维内容定为“如何让学生通过观察并记录结构的名称以及功能”，将思维方法定为“分析不同学生的学习结果”，将思维品质定为“较浅层次的思维活动深度”。这一思维过程对应的结果是让学生的认知层面停留在识记层次，学生没有得到深度发展。而当教师通过外在途径接触并内化了STEAM 理念和模型建构思想之后，就会进行自省反思并形成反常信息，这就使思维内容转变为“如何在天平结构的教学中渗透STEAM 理念，利用模型建构思想让学生逐步建构天平”，思维方法转变为“对天平原有结构进行分析，解构为各元件的作用”和“逆向推理到最为简易的天平结构雏形”等。这时的思维品质中就具有“较深的思维活动深度”和“独特的思维方式”，表现为思维的深刻性和独创性。这是对原有教学思维单元的改进，短时间内教师无法适应这种思维单元，于是试图调整教学思维能力状态。

（三）适应自调性，重组思维单元

当教学思维中的多数思维单元发生改进时，教学思维能力会进入到新的阶段。从结构模型的角度而言，这体现了自调性，即教师经过重新适应，使教学思维能力达到新的稳定阶段。此时，教师适应了反常信息，将其转变为新的常规信息，并表现出更高水平的思维结果，其思维能力发生了进阶。

例如，在“人类对宇宙的认识”教学中，对“日心说和地心说”部分的内容，教师通过自省反思形成了诸如“地心说是错误的和日心说是正确的这种‘非此即彼’的错误思维，导致学生批判性能力缺失”之类的反常信息。于是，教学思维内容除了有“日心说和地心说的简单科学史回顾”外，还有“让学生理解两种学说的差别并不是现在呈现的那么明显”等，比如“地心说也是科学，其中含有实证和理性等科学本质要素”等，这一思维内容属于科学教学概念中的科学本质教学。思维方法涉及比较分类、抽象概括和科学推理等。思维品质包括“极深的思维深度”“对科学知识的批判性理解”“新颖的教学思维方法”，表现为深刻性、批判性和独创性。这种对“日心说和地心说”对应的多个思维单元的调整，促进了高层次思维单元的不断积累和整合，既使教师的教学思维能力得到提升，也使其适应了原先的反常信息。对处于新的思维阶段的教师而言，原先的反常信息转变成了新的常规信息。

五、初中科学教学思维能力的进阶模型

初中科学教学思维能力的发展过程是受信息影响，教师形成、改进和重组思维单元，从而实现动态平衡的过程。其进阶模型详见图2。以下，笔者简要阐述其构成要素和作用机制。

（一）构成要素

进阶模型由信息、思维单元和初中科学教学思维能力状态三个要素构成。信息影响思维单元中的某个因子，引起思维能力状态变化，符合思维信息论的相关内容［6］。教师接收的信息致使思维内容和方法更新，引起思维品质改变。而思维品质在不同思维过程中都有所表现，因此思维品质的训练是思维能力提升的突破口［7］。

信息的具体形式为常规信息和反常信息，取决于教师的教学思维能力状态。常规信息指与教师的教学思维能力状态相符的信息，反常信息指与教师的教学思维能力状态不相符的信息。教学思维能力状态通过思维单元的形成、改进和重组实现改变，在不同阶段表现为不同层级水平。对图2中层级水平的描述，笔者是这样考虑的：将科学现象、科学概念和科学规律整合为科学知识进行表述，把科学问题渗透于思维内容之中；将科学教学部分的内容融合到思维方法中进行表述；科学观念和科学思想具有科学内容和科学教学双重成分；评价和反思以及迁移能力是初中科学思维能力的总体描述。

图2 初中科学教学思维能力进阶模型

（二）作用机制

进阶模型的核心功能是反映初中科学教学思维能力进阶的作用机制。教师以接收的常规信息为进阶起点，常规信息的刺激促使教师形成多个思维单元，这些思维单元经过整合后，就使教师的初中科学教学思维能力处于第一层级水平。此时，该状态与常规信息相互适应，处于稳定阶段。当反常信息出现，与教师的思维能力状态不适应时，就会导致某些思维单元发生改进或重组，致使平衡被打破，进入调整阶段。多个思维单元重新组合，逐步适应反常信息刺激后，教师的思维能力进入第二层级水平，平衡重新建立，思维能力得以进阶。此时，反常信息转变为了新的常规信息。经过类似过程，稳定阶段不断变更为前稳定阶段，教师的初中科学教学思维能力不断得到进阶，最终达到第三层级水平。

综上，初中科学教学思维是初中科学有效教学的根源性保障，它是具有内隐性的意识层面活动，因此笔者利用显化的科学思维能力结构进行研究，从而建构起初中科学教学思维能力的进阶模型，为初中科学教师的专业成长提供参考。当然，教学思维能力的进阶并不能一蹴而就，具有长期性和复杂性，教师需要在不断学习、反思的过程中逐步提高。□◢