基于发展科学思维的模型构建在初中科学课堂教学中的应用研究

摘 要：初中科学课堂教学应当着眼于学生个人生活及社会发展需求，从科学探究、科学思维方面出发，基于证据和事实，以恰当方式解释相关知识内涵，使学生能够内化和迁移知识，提高教学效率。为此，文章基于发展科学思维的模型构建，简要阐述初中科学课堂意义，分析初中科学课堂发展科学思维模型的构成要素，即思维内容、思维方法、思维品质，并以此为基础，提出教学措施，从而为相关教育者提供参考。

关键词：发展科学思维；模型构建；初中科学；课堂教学

中图分类号：G633.98   文献标识码：A   文章编号：1673-8918（2024）05-0031-04

自21世纪迈入人工智能和信息化时代，科技的作用愈发显著，加剧了社会竞争，规律性、重复性思维将被机器取代，社会更注重个人的创造能力、创新精神及科学思维。而科学是综合课程，涵盖化学、物理、生物等学科，是培养学生科学思维的重要途径。学生拥有科学思维，能够从科学角度认识客观事物内在规律、本质属性及互相关系。因此，初中科学课堂中，应基于发展科学思维的模型构建，培养学生科学思维，让学生掌握科学方法，凸显科学思维内在价值。

一、 基于發展科学思维的模型构建的初中科学课堂意义

（一）培养学生观察能力

初中科学课堂中，基于发展科学思维构建模型，能够发展学生思维能力，使其在科学活动中明确观察目的、方法，并预测观察结果，注意比较实验现象，获得形象、清晰的感性认知，进而将思维活动上升为理性认知，思考、分析各种异常情况，培养学生创新能力。学生观察能力的培养是渐进且缓慢的，立足于发展科学思维模型，采取各种演示实验、课外实验方法，通过训练与示范，适当鼓励学生，能够让其自己思考、观察实验现象，掌握科学知识。

（二）培养学生科学态度

初中课堂培养学生科学态度作为重要环节，有助于学生更好地应对和理解周围事物，合理地探索世界。因此，在初中科学课堂中，构建科学思维模型，以科学的教学目标，调动学生好奇心，使其在互动交流、实践探索中，培养观察能力及实践能力，主动探究事物本质，以亲身实践的方法，验证化学知识，得到正确结果。因此，科学课堂需要立足于阶梯式发展科学思维模型，精心策划活动，以科学方法仔细观察、实验，方能达到教学目的。

（三）培养学生科学思维

科学思维是科学能力核心环节，学生科学思维培养必须贯穿于科学方法、知识的教学中，通过收集材料、综合分析实验现象的方式，促使学生牢固掌握科学知识，调动学生学习兴趣，实现思维能力发展。例如，在燃烧蜡烛实验中，可将蜡烛放在倒置的500mL与1000mL烧杯中，提出假设，观察燃烧时间长短。或是让学生根据实验现象、结果等，得出结论，如蜡烛燃烧中将空气中的氧气耗尽，停止燃烧。通过此种方法，让学生能够循序渐进、由浅及深地发展科学思维。

二、 初中科学课堂发展科学思维模型的构成要素

（一）思维内容

在初中科学中，发展科学思维内容涵盖科学概念、科学现象、科学问题及科学规律。其中，科学现象是指实验与自然中表现的现象；科学概念是科学现象或事实抽象概括获得的认知；科学规律是概括概念关系后，表现的科学定律与原理等；科学问题是从事实或现象出发形成的“科学是什么”及具体问题。

（二）思维方法

科学思维方法包括比较分类、分析综合、科学推理、抽象概括。一是比较分类。把握不同对象异同点，结合一定依据，实现研究对象的分类。例如，硫酸溶液与盐酸溶液滴加紫色石蕊试液，溶液变红。二是分析综合。将对象分解为要素或部分开展研究，或是将要素、部分整合后研究。例如，力的三要素，重力研究需要从重力大小、方向、作用点进行分析。三是科学推理。根据已有判断，推测另一判断的思维过程。例如，水自高处向低处流，到达抽水机后，抽水机将水抽到高处，进而形成循环水流，类比电流，则电源作用如同抽水机。四是抽象概括。从诸多对象中舍弃个别要素和次要素，抽取本质要素与诸要素，进而将本质与主要要素组合联系。例如，水沸腾时，温度恒定不再上升，撤掉加热酒精灯，温度尽管保持相同数值，却会停止沸腾，可据此概括水沸腾的条件。

（三）思维品质

科学思维能力中，思维品质是指对思维活动、内容做出反应的状态，具有批判性、灵活性、深刻性、独创性、敏捷性特点。学生应善于思考科学知识与问题，抓住事物本质，系统、全面地思考科学问题，从不同角度、不同方向分析，对知识进行迁移运用。

三、 基于发展科学思维的模型构建在初中科学课堂教学中的应用

（一）认识模型，构建概念

维果斯基概念理论认为，学习概念不仅在于概念获得，本质在于概念转变，不能将学生看作一张白纸，需注重系统科学学习前的概念，即学生日常生活经验，培养学生科学素养。例如，在“水的浮力”教学中，核心概念为“浮力”，教师可以引导学生以“浮力”为核心，构建知识概念网络。教师应注意学生原生态思维，了解其认知误区，有的学生说：“日常生活中发现水面上能够漂浮船只，船受到的浮力大于重力。”有的学生认为：“下沉物体浮力小，上浮物体浮力大。”还有的学生难以理解“排出”与“排开”，需要引导学生再认识、再观察、再思考，从而加强学生对概念认知，使学生更好地分析、思考、解决问题。教师可让学生观察水中巨石下沉，分析巨石所受浮力，进而观察上浮的泡沫，发现前者V排较大，后者V排较小。教师要引导学生通过理性剖析与现实观察，寻求新解释，学生会发现泡沫受重力小，巨石受重力大，进而得出结论，判断物体沉浮不能仅看一个力，需要看重力与浮力。通过科学推理与分析，让学生能够对周围现象、事物认真观察，培养科学思维，加强对概念的认知。

（二）理解模型，提炼本质

科学试验是阐明科学现象、检验科学理论的重要途径。相比课堂教学，实验教学更为自由、独立，更具探索性，可有效培养学生独立操作能力、观察能力、表达能力及判断能力，实验过程也是发展学生科学素养，使学生形成科学世界观的教学过程。基于发展科学思维的模型构建的科学课堂中，为构建理解模型，提炼科学本质，即可采取实验、对比等方式，让学生获得具体、形象、清晰的感知，分析异常现象，推动学生发展。

1. 实验活动

在“水的浮力”教学中，教师可立足于生活体验，促使学生转变前科学概念，利用弹簧测力计、金属圆柱体、烧杯等器材，开展实验（见图1）。

教师要引导学生深入体验，绘制弹簧测力计拉力数值与圆柱体浮力数值，通过图像分析及实验的方式，使得学生深刻认识圆柱体是否浸入水中，对其数值测定具有影响。同时，让学生分析数值变化，确定水深是否会对浮力造成影响。学生发现，表面上物体浸入水深影响浮力，实际上是物体排开液体体积对浮力数值大小有所影响，最终使学生建立科学概念。

2. 比较分析

在“水的浮力”教学中，为加深学生认知，教师可拿出1个密度比水大的长方体，用记号笔画出16个宽1cm、长2cm的格子，用弹簧测力计挂起来后，设计2个实验，1个挂在a处，1个挂在b处，将物体浸入水内，控制物体浸水均为2cm（见图2）。

课堂上，教师引导学生对实验情况进行观察，并准确记录各项显示参数，使得学生明确，即便物体浸入相同的深度，也会呈现不同浮力。进而将b端向下浸入，控制两者显示相同数值，记录后，与另一实验数值相比较，引发学生产生认知冲突，即物体浸深不同，浮力相同。通过精心设计实验，让学生加强对水的浮力本质的认知，提炼知识重点，使学生确定真正影响浮力的因素不是其浸入深度，转变以往学生片面性、局限性认识，领悟科学概念本质。

3. 准确辨析

在“水的浮力”教学中，为避免学生混淆“排出”与“排开”，可运用阿基米德原理，使用溢杯，使得浸入液体的物体受向上浮力，明确“排开”液体体积相比“排出”液体体积多。在此过程中，教师可用量筒做实验，放入10mL水，将体积是25cm3物体浸入量筒中，记录量筒示数。此时，被物体排开水的体积是原有量筒内水体积2.5倍，可知1N液体能够产生2.5N浮力。另外，少量水也能产生较大浮力，让学生利用一次性纸杯实验，取2只一次性纸杯，A杯放入较多水，进而装入红墨水，B杯水量较少，放入与红墨水等量的蓝墨水，进而将A杯放入B杯内，A杯为漂浮状态。以此表明，少量水也能产生超过自身重力的浮力。通过简易操作，学生可体验实验过程，能够让学生辨明概念，做到在辨析中转化、提炼与重构，掌握科学本质。

（三）运用模型，寻找规律

1. 智改教材实验

基于发展科学思维的模型构建中，教师需利用自身智慧审视实验设计，必要时创造性改进实验装置，成为富有创造性的“工程师”，从而合理引导学生运用实验模型寻找科学规律。例如，在“液体压强规律”教学中，原有实验活动中的橡皮膜难以控制方向，容易出现实验其他变量，加上实验时间不统一，需要先后开展操作，会占据课堂大部分时间。为此，教师可以对装置进行优化，使得试管侧面连接直线，在不同高度上，设计3个小孔，插入小管固定，将U型管连接导管、试管，进而注水，观察不同液体深度压强，查看U型管的高度差。通过此种方式，学生既可观察液体内部各方向均有压强，也能理解产生浮力的原因。

2. 运用创新实验

运用创新不仅有助于学生建构知识框架，还能体现实验探究过程，激发学生兴趣，使学生树立正确科学探索思维，唤醒学生质疑精神。例如，在“水的压强”实验中，传统实验是向底部橡皮膜部位注水，对橡皮膜变化进行观察，确定水的压强对橡皮膜的影响，进而理解掌握水越深压强越大知识。而该实验变量难以有效控制，即便向内部注水，水深变化的同时，液体质量与重量也会随之变化，且即便水深相比之前较深，现象却仍不明显。所以，教师可以创新实验，改进实验装置（见图3）。

该实验中无须加水，控制水体积、质量不变，仅需改变漏斗高度，即可控制液体深度，获得明显的实验效果。通过创新实验装置，能有效吸引学生注意力，启发学生批判质疑，培养学生细致、严谨科学态度，激发学生自主寻找科学规律。

3. 利用实验意外

波普尔曾说：错误中通常孕育着比正确珍贵的创造与发现因素。实验是科学的基础，将每个实验认真做好，能够提高科学教学效果。但是，实际实验中，不可避免会出现失败、错误或意外现象，这些均属于宝贵教学资源，教师需要对其进行合理运用，服务于教学，引领学生探寻科学规律，为课堂注入生机与活力。例如，在“测量物体电阻”教学中，学生初步学会电流、电压的测量及连接电路方法，按部就班进行实验，由于课堂容量小，仅停留于手动操作，难以开展验证性实验，而促进学生探究性思维发展，需让实验结果更明显、数据更有说服力，交流更及时。

类型1：小组电流、电压实验数据漂亮整齐，见表1。

根据实验数据情况，引发学生讨论：“类型4数据偏差明显，这是怎样形成的，你会怎样处理？”“类型1～2，小组学生比较数据区别，你认为哪种合理？”“对于类型3数据你们有哪些评价？”有的学生认为：“数据错误可能是量程错误，可将其进行改动。”有的学生說：“不能因为数据错误而对其改动，可将失误数据舍去，重新测量，尊重实验事实。”还有的学生认为：“类型1～2各有合理之处，仅是被测电阻数值存在差异。”通过课堂讨论的方式，让实验的错误转变为研究资源，特别是刚生成实验，学生对于数据、过程都牢记于心，能有效运用素材，解决学生心中疑惑，加深印象。

（四）构建模型，反馈提升

在发展学生科学思维中，应当立足于构建模型，转变原有评价理念，发挥评价功能，展现学生在科学态度、科学能力、科学方法等方面的提升效果。具体方法如下：

第一，评价取向方面，以主体学习多元体验为主。需认识到学生是课堂的活动者、思考者、建构者、合作者，应尊重学生个性特点与个体差异，注重主体价值个性化与多元化。所以，初中科学需转变忽视实验过程、关注实验结果的情况，以学生为主体，评价学生在实验中的态度、情感、认知、方法等，促进学生个性发展。

第二，评价技术方面，整合质性评价与量化评价。学生科学探究中，不仅要关注学生最后掌握多少知识，还要关注学生在学习中的情绪体验、态度转变、情感投入、方法习得。所以，仅依靠量化方式，课堂评价将丧失科学教学最根本的价值。

第三，评价内容方面，兼具情境性与真实性。强调课堂知识与学生生活的联系，不能局限于孤立的、虚拟的问题作答，需设置真实情境，考查学生整体反应。所以，在设计评价问题中，教师需保证问题情境性、真实性，考查学生理解能力、领悟能力、创造能力。

四、 结论

综上所述，由于课程系统性与逻辑性较强，以往初中科学教学中，通常将完整知识割裂，产生了教学重复烦琐、知识面狭窄的问题，只注重传授科学知识，忽视学生科学思维的培养。为此，初中科学课堂上，教师应当结合实际情况，基于发展科学思维的模型构建，从认知模型、理解模型、运用模型、构建模型这几方面出发，深化学生对科学知识的认知，有效培养学生科学素养。

参考文献：

［1］祁明君.仿制·精制·创制：工程实践导向的初中科学图式建模教学——以“自制温度计”為例［J］.湖南中学物理，2023，38（8）：28-32.

［2］陈懋.技术支持下初中科学思维培养的教学探索［J］.教育科学论坛，2023（22）：56-58.

［3］樊勇.发散性思维在初中科学教学中的运用——以测量水中硬币的深浅为例［J］.物理教学，2023，45（7）：77-79.

［4］叶笛.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［J］.现代中小学教育，2022，38（1）：47-50.

［5］王年进.解构·建构·架构：基于图式理论的初中科学思维建模教学策略研究［J］.中学物理，2023，41（8）：8-12.

［6］梁荣君，阮庆元.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［J］.教学月刊·中学版（教学参考），2023（4）：22-27.

［7］胡子贤.高阶思维发展下的初中科学复习课设计——以“探究测量工具刻度标定的技巧”为例［J］.中学物理教学参考，2022，51（3）：50-52.

作者简介：宫萍（1978～），女，汉族，浙江杭州人，杭州市弘益中学，研究方向：科学思维模型构建。