巧设“解暗箱”支架，促进科学思维发展

潘婷 高誉铭

【摘   要】“解暗箱”是一种独特的科学研究方法，其实质是通过感知事物的外部信息，间接推断事物内在本质和属性，实现科学探究的目的。解暗箱是由表及里的思维过程，也是基于现象、证据和经验进行推理论证的过程。在小学科学教学中，教师可以运用解暗箱的原理，巧妙设计多感官聚焦支架、多变量探索支架、多技术融合支架，有效地发展学生的推理论证、模型建构及创新思维能力。

【关键词】小学科学；解暗箱；支架；思维能力

“解暗箱”是通过感知事物的外部信息，间接推断事物内在本质和属性的一种科学探究方法。［1］暗箱内部状况难以观察，需要人们先对外部信息进行观察与分析，而后对事物的本质形成认知，最后作出判断。小学科学学科涉及许多解暗箱的探究活动，例如地球、月球等自然暗箱，家用电路等实用暗箱，用于习得科学新知、掌握科学方法的模型暗箱，等等。从微观世界到宏观世界，从无生命到有生命，从工程技术到社会领域……解暗箱都是一种必不可少的研究方法。将这一研究方法运用到小学科学课堂，有利于培养学生的科学精神，提升学生的认知水平与思维能力。

科学概念的学习离不开具体经验的支持，强行灌输的知识无法得到有效的遷移和应用。借助解暗箱这一支架，能让学生的兴趣高涨，使学生的学习积极性和学习动机得到激发，帮助学生从科学的视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系产生全面、深刻的认识，促进学生推理论证思维、模型建构思维、创新思维等的发展。

一、设计多感官聚焦支架，建立思维生长点

学生与暗箱之间产生联系，往往是通过自身的感觉，如视觉、听觉、味觉和触觉等实现的。感觉是人类复杂心理活动的基础，是认识活动的开端。暗箱可以帮助学生在学习开端建立思维的生长点，自主提出有待解决的问题。这些问题在今后的教学中能让学生产生强大的内驱力，促进学生的发展。

（一）以视觉为主的解暗箱问题支架

以视觉为主的解暗箱问题支架强调视觉感知和直观理解。其中，视觉元素是主要的信息载体。教师应通过构建视觉化的问题支架，帮助学生从外部观察出发，逐步推断事物的内部结构和属性。以教科版《科学》二年级下册《磁铁能吸引什么》一课为例，教师设计了如下教学环节。

暗箱设计（如图1）：提前将条形磁铁装进不透明的盒子里，然后将盒子挂在竖架上，再用线分别系住回形针1、回形针2、小磁针、彩色橡皮筋，线的另一头固定在支架的底座上，注意线不能过长，保证回形针或小磁针不碰到条形磁铁末端。

开始，学生观察到回形针1停在了空中，回形针2不能停在空中，于是猜想物品的形状。接着，学生尝试用暗箱内的条形磁铁分别吸引小磁针和彩色橡皮筋，同时观察实验现象。最后，学生揭开暗箱，观察磁铁本身的形状、大小，进而提出疑问。该过程中，学生从多个视角进行观察，产生了解决问题的动机，具体如表1所示。

（二）以听觉为主的解暗箱交流支架

以听觉为主的解暗箱交流支架侧重于听觉感知和交流互动。其中，听觉元素是主要的信息传递要素。通过构建听觉化的交流支架，能够实现学生之间的信息交换和思维碰撞。以教科版《科学》四年级上册《声音的强与弱》《声音的高与低》等课的教学为例，教师需要对学生进行听觉刺激，让学生交流声音的强弱与高低之间的不同，促使学生自主提出“影响声音的强弱与高低的因素是什么”等问题。教学设计如下。

暗箱设计：拿出一个不透明的箱子，一侧挡住，另一侧敞开，可以自由拿取物品。

准备的物品：腰鼓、音叉、尤克里里、铝片琴等。

操作步骤：先拿出腰鼓、音叉并敲击，每种物品敲击两次，第一次用大小相同的力进行敲击，第二次用大小不同的力进行敲击，接着按音阶弹拨尤克里里并敲击铝片琴。

学生听完声音后比较音叉、腰鼓、尤克里里和铝片琴声音变化的特点，最后教师打开暗箱展示各种物品。学生根据以上声音现象，交流有疑问的地方。通过听觉来接收、理解和分析信息，可以使学生的科学思维向纵深处延展。学生根据现象，表达了自己的问题和疑惑，具体如表2所示。

（三）以味觉和触觉为主的解暗箱探究支架

在以味觉和触觉为主的解暗箱探究活动中，学生需要通过探索不同物质的味道和触感，推测其性质或特征。以教科版《科学》四年级上册《食物在口腔里的变化》一课为例，由于本课涉及的内容较多，如唾液消化淀粉时味觉产生了变化，牙齿有很多种类和作用……教师常常为教学环节的衔接而苦恼。实际上，教师可以让学生亲自品尝面包、苹果、肉干等食物，从“咀嚼前后食物发生了什么变化”“味觉发生了什么变化”“吃不同食物时，牙齿的参与顺序、参与程度是怎么样的”等方面进行探究。学生边吃边学，深刻理解知识，建立现实与模型之间的联系。本课学习中，学生根据现象，提出了自己的问题，具体如表3所示。

二、设计多变量探索支架，孕育思维生长点

多变量探索支架是指教师为学生提供多变的、结构性解暗箱材料。学生通过对结构性材料的观察、操作和思考，能够建构科学概念，产生正确的科学认知，发展深层的科学思维，提升解决复杂问题的能力。

（一）设计多变量暗箱支架，构建暗箱模型

构建一个能够适应不同实验条件的暗箱模型，关键在于根据实验需求灵活调整暗箱的内部布局。教科版《科学》四年级下册《里面是怎样连接的》一课是经典的电学解暗箱操作。学生利用电路检测器辨别暗箱中的通路与断路，分析内部可能有的多种电路连接方式。暗箱接线柱之间可以设计不同的连接变量，如电池、用电器、导线等。利用电路检测器检验暗箱电路时，检测器中的小灯泡一般会出现不亮、变亮、变暗、不变四种情况，后三种情况需要比较才能发现。因此，解决电路暗箱问题，着重提升的是学生分析问题的全面性和科学推理的严谨性。

对于四年级学生而言，“简单电路”是较难理解的概念，内部不可见的电路暗箱更难把握。对此，教师要抓住学生认知障碍的核心，根据电路各组成部分的特性及检测结果，引导学生推测内部电路图，再根据内部电路图制作一个“明箱”进行验证，最后对暗箱的内部结构和功能作出解释。学生需要经历“猜测—检测—验证”的思维过程，具体如图2所示。

（二）借助多变量暗箱支架，引发推理论证

学生在探究多变量暗箱时，不仅要通过交换触点反复进行求证，分析电流的流动方向和闭合回路的情况，还要间接观察、推测、验证小灯泡亮度变化的原因，并对暗箱的内部结构和功能作出基于事实的解释。这对学生思维的生长以及学生系统性建立科学概念有很大帮助。教师以项目任务的方式出示暗箱，提前告知学生所有暗箱的内部连接方式都是相同的，引导学生用电路检测器检测等方式初步了解暗箱的内部情况。教学片段如下。

学生1：我们的暗箱2-4开始是不亮的，但把电路检测器的检测头换了个方向，2-4就亮起来了！

学生2：我猜可能有电池在里面，因为这种电子元件是“单行道”，电流是从正极一端流向负极一端的，如果方向反了就不能连接成功。

教师：如何验证内部有电池呢？

学生3：如果暗箱里真的有电池，那么，拿带灯泡的两根导线连接2、4两个端点，应该就能点亮小灯泡。

学生4：若暗箱里2、4两个端点真的有电池，那电路检测器中小灯泡的亮度应该比连接1、3两端的更亮一些。

学生茅塞顿开，通过验证，暗箱内部2、4两端之间确有电池连接。教师继续追问：在不打开暗箱的情况下，如何知道里面安装了几颗电池？

学生1：我們可以根据推测图，用材料（盒子、导线、若干电池）制作一个电路“明箱”来验证。

各组验证暗箱内部放置电池结构（数量）的问题，与检测暗箱时小灯泡亮度相同或不同的现象进行对比，具体如图3、图4、图5所示。

学生4：制作明箱时，我们先选用单颗电池连接2、4两端，发现小灯泡没有暗箱检测时那么亮，因此重新选用两颗电池。

学生5：制作明箱时，我们先选用两颗电池连接2、4两端，发现小灯泡与暗箱检测时的亮度基本一致。

（三）改进多变量暗箱支架，培养创新思维

在科学学习中，学生不仅要掌握概念，还需将概念与现实世界相结合，形成对事物更深层次的理解。特别是在解暗箱探究活动中，学生需要在已有暗箱模型的基础上，构建新的暗箱，将理论知识应用于实践。通过构建暗箱，学生不仅能够巩固所学概念，还能发展创新思维，提升问题解决能力。教师要引导学生充分发挥团队合作的精神，共同设计暗箱的结构和功能。为了确保其他小组不能轻易推测出暗箱的内部结构，学生需要对自己的暗箱进行精心设计和测试评估。遇到问题后还应加以改进，不断深化工程思维。从图6中可以看到，学生对暗箱的构建经历了从单变量到多变量的过程。暗箱中既设计了7号干电池，又设计了小灯泡。在多次增设变量的过程中，学生提高了创新思维能力。

三、设计多技术融合支架，找准思维拓展点

多技术融合支架是一种创新的教学工具，它结合了多种技术手段，如数字化工具、物理实验装置等，为学生搭建了一个全方位、多层次的学习平台。如教学教科版《科学》四年级上册《感受我们的呼吸》一课时，教师拓展了话题“新冠病毒进入我们的身体后会发生什么”，并利用数据采集分析技术、虚拟现实技术等支架，帮助学生将暗箱转化为与现实世界类似的模型，为学生的思维拓展和发散提供了可能。

（一）运用动态分析支架，助力思维拓展

教师选用动态分析支架，找出学生的共性特点，准确把握学生的学习起点，精准定位教学重难点，而后有效实施教学。课前，教师设置问题，调查了学生对人体呼吸的前概念。如：参与呼吸的器官有哪些？各器官的工作顺序是怎样的？各器官有哪些结构和特点？在呼、吸的不同环节，气体成分有哪些不同？课中、课后环节，教师及时掌握学生的学习动态。以调查呼吸气体成分的变化为例，教师先出示空气成分百分比，让学生推测呼出气体成分所占的百分比。

学生普遍认为氧气和二氧化碳在人体内发生了交换，这与本课的概念较为吻合。但值得注意的是，部分学生认为氮气的含量会发生变化，甚至会被人体吸收。对此，教师在教学精准地设计教学环节，纠正了学生的错误。

（二）运用操作平台支架，助力思维增长

人体VR图是学生学习人体知识、了解呼吸规律的有效工具。教学中，教师可以引导学生登录相关学习系统，通过局部放大、缩小、翻转等操作，自主观察虚拟的人体呼吸器官以及在呼吸过程中各器官的变化，将不可视的呼吸器官转化为生动可视的人体VR图。学生根据原有经验画出气体的旅行路线，小组交流后拍照上传至移动终端，再利用资源库的自主筛选、分类、整理功能，推进认知体系的完善。如在“认识呼吸器官在人体的分布与结构特点”时，学生先画出人体的呼吸器官图，然后观察人体VR图，并加以修正。

（三）利用影像交互技术支架，促使思维提高

VR技术生成的3D影像将学生模拟为即将进入呼吸系统的新冠病毒。病毒经历人体的呼吸过程，按照虚拟的路径进入人体。学生进一步了解了病毒的特性及其与人体之间的联系，拓展了视野。在此基础上，学生利用生活材料制作新冠病毒模型。在指导学生探究气体的“旅行路线”时，也可采用“VR+AR”的教学系统，将平面图像转化为3D形式。

将移动终端和各种软件与小学科学课堂深度融合，可以让师生、生生之间的互动更加充分，探究过程和结果呈现的方式更加丰富，可以让科学暗箱课“变暗为明”，增加学生探究经验，有利于新知的不断建构。需要注意的是，运用虚拟现实技术开展教学，并不意味着放弃实物模型教学等手段。实践表明，教师应引导学生在观察分析的基础上，从具体问题中抽象出模型，构建模型与现实之间的联系，丰富学生的探究经历与体验。

实际教学中，解暗箱式的课程形态是丰富多元的。结合教材的具体内容，紧密围绕解暗箱的基本原理，可以生成形式多样的教学样态。教师要立足教材，结合学生的认知水平，设计最佳的解暗箱任务，使学生在解暗箱的过程中，逐步建构科学思维，形成求知精神。总之，解暗箱是发展学生科学素养较为有效的方法，它在小学科学课堂实践中有较强的可行性，值得进一步应用与研究。

参考文献：

［1］徐文达.“解暗箱”方法实施中的问题及相应对策［J］.小学教学参考，2016（12）：82.

［2］孙静妮.基于模型建构思维培养的暗箱课教学设计［J］.教师博览，2023（27）：90-92.

［3］程思宁.利用移动终端让“暗箱课”变暗为明：以执教《食物的旅行》为例［J］.科教导刊，2021（30）：51-53.

［4］熊诗莹.虚实结合   巧解暗箱：《食物在体内的旅行》一课虚拟现实技术的应用［J］.湖北教育（科学课），2017（5）：110-111.

（1.浙江省杭州市行知小学2.浙江省杭州市桐庐县横村小学）