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科研论文

聚焦数据,促进科学思维发展

作者:浙江教育资源网 来源:浙江教育资源网点击数: 发布时间:2019-05-24 14:32
    【摘  要】科学实践,实质上是一种实证的过程。实验数据是最有说服力的科学证据之一,基于小学科学实践,聚焦“实验数据”,进行分析、解释、推理论证,可以使科学课堂变得简练、严谨且高效,促进学生科学思维发展。然而现阶段学生“数据意识缺失,不尊重事实;数据分析肤浅;数据展示以偏概全;只是注重了探究活动的外在形式,而忽略了内隐的科学思维外显和发展。”本文提出“精测有效数据,发展科学实证思维;呈现有序数据,发展科学逻辑思维;基于推理论证,发展科学理性思维”策略,帮助学生建构核心科学概念,促进科学思维发展。
    【关键词】小学科学  数据  科学思维  
 
    小学科学实践,实质上是一种实证的过程,通过充分聚焦数据,实事求是收集数据,有序呈现数据,并围绕这些数据证据,进行分析、解释、推理论证、交流信息,推动课堂教学的深度整合,从而培养学生形成尊重事实、善于质疑的科学态度和收集、处理数据的能力,促进学生科学思维发展。
    梳理教科版小学科学教材中“基于数据的实践探究活动”
    分析“基于数据的实践探究活动”在教科版小学科学中的分布,我们可以发现“基于数据”的教学在教材中涉及范围广,且按照小学生已有经验和身心发展的特点,以及教材的难易程度进行了合理的编排。审视当下这类“基于数据”的科学实践探究现状,学生“数据意识缺失,不尊重事实;数据分析肤浅;数据展示以偏概全;只是注重了探究活动的外在形式,而忽略了内隐的科学思维外显和发展。”为了解决这些科学实践中存在的问题,本文以“聚焦数据”为视角,对小学生科学实验数据收集、呈现、推理论证进行反思,并提出了有效促进学生科学思维发展的解决策略:
 
     一、聚焦数据,精测有效数据,发展科学实证思维
    “材料引起活动,活动引发思维”,绝大多数的实践性活动开展都需要相关材料作为支撑,无论是观察、测量还是调查记录。然而在实际探究教学过程中,我们往往会遇到这样的尴尬,材料缺乏结构性,无法进行有效的探究活动,收集数据的有效性更无从谈起。   
    因此,这就需要我们在教学中,提供充足、简约的、“各个材料之间、材料与教学内容以及教学目标之间具有紧密联系”的材料,利用这些严密结构性的材料,引领学生参与材料的准备工作,让具有结构的材料渗入到学生的学习与生活中,丰富学生的认识,让孩子们在探究实践中体验,在体验中实践,精测科学有效的数据,呈现数据,指向科学概念的建构,碰撞出思维的火花,从“经验思维”向“实证思维”转变,促进学生科学实证思维的发展。
    比如在教学探究“物体颜色与吸热能力关系”,教材选取了“黑色纸、粉色纸、铝箔纸、黑色蜡光纸、白色纸”5种材料,比较它们在阳光下的吸热能力。通过教师引导,学生讨论,发现教材设计存在这样的一些不合理之处(见图1):1.温度计放在地面上,地面温度反射会影响温度计的正常工作;2.用纸对折包裹,里面会有很多空气充斥,这也会影响温度的有效变化。这样的设计势必导致我们收集到的数据是不合理的、无效的。此时我们可以引导学生进行思考,改进设计(见图2):1.使用带底座的温度计,方便将温度计有效悬空,尽可能的减少地面对温度计的影响;2.将纸包温度计的方法,替换为水粉颜料涂到温度计液泡上,有利于温度计的直接变化;3.将各种颜色温度计同时斜放在实验箱内,直观观察到“不同颜色物体”引起的温度变化。让孩子经历这样一个“精心选择、巧妙搭配,合理隐藏而有序出示结构严密材料”的过程,以数据收集、整理分析为桥梁,聚焦有效数据的分析过程,发展学生科学的实证思维。
  
图1:教材材料: 纸包温度计           图2:结构化材料:水粉涂温度计
    比如我们在教学《液体的热胀冷缩》时,原教材设计是这样的:“一个试管,里面装满水,套上一层气球皮,然后观察到鼓起来了;那么怎么让这个现象更明显呢?插个管子,观察到管子中的水面上升了,说明体积上升了,所以液体具有热胀冷缩性质”,这样的设计(见图3),虽然也给学生提供了动手的机会,但提供的材料结构内涵缺乏足够的思考,只是凭借着孩子们的经验进行定性分析,没有足够的数据支撑,教学过程显得空洞且缺乏实证性。
    由此,我们在课堂教学时,由生活中的一个现象引发学生的思考,改进设计了一个适合的、能够获取相关有效数据的“有严密结构的材料”(见图4):选用“双口烧瓶”,一口插入细玻璃管,测量实践过程中水的体积变化,而另一个口则插入数字水温计,让能量变化通过“温度”这个可视的外显的具体数据变化来呈现课堂。通过这个结构性材料,同时呈现“水温与体积的数据变化”,让有效的实验数据直观、清晰地呈现在孩子们眼前(见图5)。学生经历这样的实践活动,更容易整理、分析有效数据,并基于证据,进行推理论证,达成共识,从而建构“液体体积变化与能量变化”之间的核心概念,促使孩子们由经验思维向实证思维转变。

    在科学探究的寻求证据、达成共识阶段,通过精心选择有结构性的材料,收集有效数据,引导学生尽可能借助多种形象、有序的图表来分析数据、整理信息,外显思维,帮助孩子们理解问题,发现数据中蕴含的规律,发展科学实证思维。
    二、聚焦数据,呈现有序数据,发展科学逻辑思维
    《小学科学课程标准》在能力方面提出了“培养小学生的逻辑思维能力”的要求。逻辑思维是把逻辑,即把意识按照顺序进行排列、思考的思维方式,是在科学的有效数据基础上,结合抽象的概念、判断和推理,作为思维的基本形式,以分析、综合、比较、抽象、概括和具体化作为思维的基本过程,从而揭露事物的本质特征和规律性联系。具体到小学科学课堂实践上来说,逻辑思维就是一种在“已有知识经验”基础上演绎推出新知识的思维方式。
    我们通过大量的分析发现,在很多基于数据进行分析的课堂实践活动中,常常无序呈现收集到的数据,简单、机械式的进行定性分析,忽视了教学逻辑性,探究实践活动缺乏逻辑性,科学共识的归纳也不符合逻辑性,科学性。因此,结合小学科学学科的特点、学生的认知规律以及逻辑思维发展的特征,有序呈现数据,从定性分析向定量分析去转变,将内隐的思维直观呈现,促进科学逻辑思维的发展。
    比如我们在探索《抵抗弯曲》一课的课堂教学时,把本节课的核心活动定位于“抵抗弯曲能力与宽度的关系”和“抵抗弯曲能力与厚度的关系”这两个探究活动上,运用控制单一变量的实验方法来进行这两个实验应该是没有问题的,也很快的就能收集到这样一组合理、有效的数据(见表格2)。

抗弯曲能力关系统计表
组别 1倍宽 2倍宽 4倍宽 1倍宽 2倍厚 4倍厚
1 4 7 1 11 48
2 6 9 2 12 28
1 6 9 1 11 32
1 4 7 1 7 35
1 5 9 1 8 47
1 2 14 1 7 48
2 6 9 2 13 43
1 3 5 1 6 23
 
    然而,当我们引导学生对表格中的数据进行进一步分析时,我们确实能够轻易的得到“抗弯曲能力与宽度有关;抗弯曲能力与厚度有关;增大厚度与增大宽度相比,抗弯曲能力大大增加”的共识。但这样粗线条式的,把数据的利用和分析直指结论,忽略数据中包含的其他有用信息,势必导致数据分析的价值降低。深层分析,我们还能发现班级各小组之间的实验数据其实是存在着很大差异的。
    那么,为什么教师给每个组准备的实验材料基本相同,各小组之间的实验数据差异却如此之大?对表格中实验数据所显示的个别差异要不要进行分析?答案是肯定的。面对一份数据,科学的分析应当是对数据进行充分的观察与思考,进行横向、纵向的梳理对比,从中寻找数据背后蕴涵的道理,这才更接近科学研究的本质。
    分析表格中各组的数据,我们可以发现,本节课还有一条暗线就是“各组间的桥梁跨度的不同,也会影响桥的抗弯曲能力。”那么为什么不进行深层的剖析,就发现不了这条暗线呢?这其实还是因为我们在统计全班数据,呈现数据时,并没有进行一个“有序呈现”,只是进行了记录而已,因此我们此时所得到的共识并不科学,也不合乎逻辑。
    由此,这就需要我们教师重新设计教学过程,收集数据证据(见表格3),引入“跨度”这条暗线,这即是对本节课内容的丰富,也对学生的学习提出了更高的要求。

抗弯曲能力关系统计表
组别 跨度 1倍宽(厚) 2倍宽 4倍宽 2倍厚 4倍厚
8cm 1 4 7 11 48
8cm 1 2 14 7 48
8cm 1 5 9 8 47
9cm 2 6 9 13 43
10cm 1 4 7 7 35
11cm 1 6 9 11 32
11cm 2 6 9 12 28
14cm 1 3 5 6 23
 
    将全班数据汇总统计,根据“跨度”这一数据进行有序呈现,即按“从大到小”或者“从小到大”的顺序进行统计排列。依据这一“有序”数据证据和逻辑进行论证,产生新理解、新假设,丰富、充实或者调整、重构原有的知识经验。这样既降低学生认知的难度,又避免了学生在面对看起来没有条理的数据时的茫然无措,便于学生分析,更好的帮助学生在原有知识经验的基础上重建建构“在跨度不变的情况下,抗弯曲能力与宽度有关;在跨度不变的情况下,抗弯曲能力与厚度有关;在跨度不变的情况下,增大厚度与增大宽度相比,抗弯曲能力大大增加”的科学概念,协调各知识点之间的逻辑顺序,促进学生严谨的科学逻辑思维发展。
     三、聚焦数据,基于推理论证,发展科学理性思维
    推理论证,是引领学生深入实践的“踏板”,也是提升学生思维高度的“阶梯”。小学科学课程以培养小学生的理性思维为主,倡导基于“推理和论证“进行数据分析、达成共识。科学共识的达成是理性思维的结果,是建立在证据的基础之上。
    理性思维是一种建立在科学数据和推理基础上的思维方式,从分析小学生思维建构的过程来看,他们正由具体形象思维向抽象逻辑思维过渡,仍然以有关具体事物的描述性经验为主,缺乏判断和进行合理的“逻辑性推理”以及遵循“证据链统一”的原则,对于探究活动收集的数据或证据,未能展开“基于证据”的论证,即便展开了也只是“以偏概全”,或者盲从的。因此这需要我们引导学生收集真实有效数据,绝对不能更改、捏造实验数据,利用这些数据进行分析、综合、抽象与概括,通过组内和组间的证据交流和评论,形成自己的证据,检验自己的证据,发展学生科学的理性思维。
    比如我们在探究《摆的研究》一课时,探究“摆的摆动快慢与摆锤重量” 这个因素关系时,引导学生进行科学合理的实验,收集了这样一组数据(见表格4),我们可以发现第一、三、四、五组的同学观察到摆锤重量改变,但摆的摆动快慢不变,因此发现了“摆的摆动快慢与摆锤重量无关”;然而此时,我们采集、分析的其实只是个别组数据,这时推理论证得出的结论显然是经不起重复验证的,学生也因数据经不起重复验证而对结论产生了疑问。可在实际教学过程中,另四组的学生根据本组数据中相同的数据,也得出了“摆的摆动快慢与摆锤重量无关”这样“无效结论”,他们往往会以偏概全,数据整理分析时就出现了从众心理,少数服从多数,倾向服从学习成绩好的,造成课堂上随意修改、估计、揣测数据。更有甚者有些老师在教学过程中带有倾向性的暗示指向结论。
    由此,我们需要帮助学生建构这样的思维模型(见图6):
 
    将甲、乙、丙三组数据进行两两比较,甲数据与乙数据比较,获得一个分结论①;然后再将甲数据与丙数据比较,获得一个分结论②;乙数据与丙数据又进行一次比较,获得一个分结论③;(如有四个及以上数据,同理进行两两比较)。根据“证据链统一”的原则,如果小组内三个分结论一致,则形成一个小组内的大结论,然后在此基础上,再将各小组间的分小组大结论,形成一个班级的总结论。反之,如果不一致,则无法推理论证出最后的总结论。
    以第二小组的数据为例(见表格5),

原来重量 两倍重量 三倍重量
8 7 7
 
    第1、2两列数据比较得到分结论①:摆的快慢与摆锤重量有关;第1、3两列比较得到分结论②:摆的快慢与摆锤重量无关。此时两个分结论不同,无法得出一致的结论时,收集的数据则可定义为“无效数据”。那么对于这样的“无效数据”,我们应当分析原因:可能是收集数据时方法不科学造成的,这就需要我们重新实验,重新收集数据,推理分析,直至得出一致的结论;反之在方法科学的情况下,将“摆动快慢与摆锤重量关系统计表”(见表格4)与“摆动快慢与摆绳长度关系统计表”(见表格6)进行比较,
组别 15秒内摆动次数统计表
原来重量 两倍重量 三倍重量
8 8 8
8 7 7
7 7 7
11 11 11
7 7 7
7 7 6
11 10 10
7 7 8
组别 15秒内摆动次数统计表
原来绳长 两倍绳长 三倍绳长
12 10 9
12 8 7
12 8 7
16 12 11
12 8 7
11 8 7
17 13 11
13 9 7
 
    追问:两个实验的数据都有差别,他们之间的差别有什么不同呢?引导学生发现摆绳长度改变对摆的快慢影响很大,摆锤重量增加对摆的快慢的影响相比较而言则比较小。促使学生思考,自然引入误差概念,帮助学生建构误差是实验中无法完全避免的现象,分析实验数据时需要要分清误差。
    依托这样的一个思维建模,创设学习时机,聚焦数据,鼓励学生捍卫自己的预测和解释,通过数理分析来理解控制变量的思想方法,在数据证据的基础上,帮助学生体验推理论证过程,协调两者之间的分歧,促进科学理性思维的发展。
    因此,结合小学科学学科的特点、学生的认知规律以及科学思维发展的过程,聚焦实验数据,运用“精测有效数据,科学收集有效数据,发展科学实证思维;呈现有序数据,深入挖掘数据内涵,发展科学逻辑思维;基于推理论证,增强数据交流评论,发展科学理性思维”策略,促进从经验思维向实证思维转变,从定性思维向定量思维转变,从形象思维向理性思维转变,帮助孩子们建构科学核心概念,培养数据意识,促进学生科学思维显性化、精细化发展。
参考文献
[1]喻伯军.小学科学教师专业能力必修 [M],西南师范大学出版社,2013
[2]韦钰.探究式科学教育教学指导[M],教育科学出版社,2005
[3]陈韬等. 科学实践性教学协助概念模型形成的尝试——以《液体的热胀冷缩》一课为例[J].科学课,2015(3):38-39
[4]郁波.STC课程实验--基于实践的课程研究[M],教育科学出版社,2013
 
 

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