科学过程教学的设计研究.docx
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科学过程教学的设计研究
科学过程教学的设计研究
温州市教育教学研究院陈素平
一、研究背景
在新课程背景下，各科对教学过程的研究如火如荼，小学科学也不例外。
不难发现，在课堂中如何让学生的思维卷入课堂学习，如何让学生积极主动地参与探究，探究需要怎样的程序等，都有不同层面的研究，也产出丰硕的理论和实践成果。
但是，有别于其他课程，科学学科的过程应该凸显怎样的本体特点，才能真正发挥科学课程独特的教育价值，实现其他学科不可取代的功能呢？
随着小学科学课程开发和实践研究的不断深入，在课堂中如何引导学生经历一个科学的过程成为当前小学科学课堂教学改革的难点问题。
长期以来，在“科学是知识”这样的科学本质观下，我国的小学科学教育内容一直把传授和掌握系统的科学知识放在首位，科学教学的目标指向知识和符号，忽略科学过程，在教学中明显表现为“过程缺失”。
基于“科学是过程”这种科学本质观对教学过程的认识，我们认为小学科学教学的过程实际上是教师如何引领学生经历象科学家研究自然界那样的过程，强调科学家在研究过程中所秉持的观点、方法、规则和价值观。
本课题基于上述认识展开实践探索。
二、研究的过程、方法和策略
（一）选择研究的典型课例
在小学科学教材中的课例，按照知识学习的角度，其内容可分为生命科学类、物质科学类和地球与宇宙类三大版块，科学与技术教育、科学史的教育等内容渗透在其中；按照体现科学过程的不同，我们又可以将课型分为科学探究类和技术设计类。
根据课程标准提出的“小学科学以探究为核心”的理念，教材中科学探究类将是主要课型，技术设计类是对本单元的科学概念、原理在技术层面上的运用，散见于每一个单元的学习中；按照研究问题层次的不同，可以分成“是什么”问题类、“怎么样”问题类和“为什么”问题类。
本研究以教科版的小学科学教材为例，在不同年级的教材中分别选择一定数量的课例，尽量兼顾不同内容，作为研究对象。
（二）理解和构建科学课的过程特点
与以往的自然课堂、与其他课程的课堂相比较，科学课的过程应体现科学的特点。
在“科学的过程”观下，科学课堂应有以下一些鲜明的特点：
1、研究的问题是科学问题
“学习者围绕具有科学性的问题展开探究活动”是科学探究课堂的首要特征。
一堂课要围绕解决某个科学问题而不是实际问题展开，没有明确的科学问题就不是科学课堂。
在小学科学教材中，科学问题有这样几类：
关于“是什么”、“怎么样”和“为什么”。
根据小学生的年龄特点，教材提供的大多是解决“是什么”、“怎么样”层面上的对客观事实和现象进行观察、描述、解释的问题。
反映在教学过程中，关键在于教师如何帮助学生选择或形成一个在课堂上适合学生认知水平的科学问题。
课堂上所研究的问题强调要从儿童原有的科学概念（或想法）出发提出问题，并基于此而展开教学。
2、通过科学的过程途径解决问题
解决问题可以有很多途径和方法，区别科学课和活动课的主要依据是：
用科学的途径和方法还是用经验的方法来解决问题，前者属于科学课堂，而后者则不是。
科学教育专家余自强教授指出，科学上有两种过程途径被广泛使用。
第一种途径是“实践—认识”。
即先感性认识，然后再从感性认识到理性认识的一种途径。
这种途径的基本步骤是：
先获取经验材料，如观察、实验、科学调查（当然这个调查有的时候获取的是别人的经验材料而不是自己的实践材料），然后是整理经验材料，如判断、比较、分类，形成事实性的概念或表象，最后是建立科学理论的方法，如运用抽象、推理、构建假说，并且检验。
第二种途径是“假设—检验”。
这种途径是先对所解决问题作出假设，然后通过一定的方法去检验。
它包含以下几个步骤：
提出问题——猜想和假设——制定探究计划——实施计划——思考与结论——表达与交流。
无论采取哪种途径，科学方法和情感态度必定伴随其中。
科学的过程蕴涵着科学方法以及社会文化精神和文化素质。
只有在科学的过程学习和实践中,我们才可以领悟到科学家是怎样通过一些表面现象抓住问题的关键,怎样把观察实验与理论思维结合起来,怎样突破传统观念的束缚,应用创新思维大胆提出新的创建,并从中领悟到科学方法的真谛。
过程教学设计要寻求与研究内容相适应的科学方法，并伴随科学情感和态度的教育。
3、助学事件要引发学生的理性思考
引发学生的理性思考，培养学生的科学思想和理性精神以发展学生的科学素养，是科学课的核心任务。
我们认为，良好的科学素养很重要的一方面是对科学本质的理解,认识什么样的东西是科学、什么样的东西不是科学,科学能够作什么、科学不能作什么以及科学如何在文化中起作用等问题。
在具体助学事件的设计中，我们要将下列特点渗透在每一个教学细节：
“第一，科学是一种实证的系统，它可以通过证实的、证伪的方法来得出结果，而且可以重复多次，是可检验的；第二，科学的结论是符合逻辑的，我们可以通过推理的方法得出结论；第三，科学的结论是有局限性的，随着时间的发展，其结论也是可发展的；第四，科学作为一种文化，如求实的精神、理性的精神、对客观世界的尊重、以及在此基础上形成的民主意识、探索的精神等等。
在小学科学课堂上着重围绕如何培养学生的实证意识、符合逻辑地思考、质疑精神而展开。
”
（三）研究过程与策略
1、在比较中研究
这种做法分四个阶段：
①原创设计与交流——分别由两位老师根据自己对教材的理解进行设计，谓之“同课异构”；②课堂观察与比较——在教研组活动中，两个课例设计在平行班中进行教学，研究组成员观察记录，课后进行比较反思，集中问题，如关于一节课中的科学问题的提出和选择，关于实验过程和方法中的“思维含量”的比较等；③寻找突破与重构——以符合逻辑为突破口，思考给学生怎样的科学概念显得更为完整，更逼近真正的科学结论；④课例推广。
例如《马铃薯在水中是沉还是浮》一课的形成策略就是采用该策略。
2、在对话中研究
此途径的重要环节是“对话”，执教者与研究小组同伴之间进行对话、与专家或专业人士进行对话、与学生进行对话，在对话中逐步完善课例设计，并付诸行动跟进。
例在《导体和绝缘体》一课，研究基本路径可分为四阶段：
①原型设计——教师在初读教材后，以自己对教学的某一指导思想进行表达和设计。
教师以如何表现“有趣的科学课堂”为指导思想，进行原型设计；②对话反思——研究组成员和专家围绕科学课追求“有趣”还是“理性”展开了对话和讨论。
在对话过程中，思想在交流，观念在碰撞，在碰撞中反思、修正、提高，实现对教学的改进和完善。
本堂课的设计理念和专家的观念反差，引发了一场“阵痛”。
课题组成员围绕一“趣”一“理”展开深度思考。
③论证和展示新设计——在对话中，教师在“理”和“趣”之间寻找中间地带。
有趣但没有科学教育内涵，那么这个活动是无效的；过于理性但不符合儿童认知特点，则儿童的思维无法卷入。
④形成新设计。
3、在读教材中研究
这种方式其实是“对话”的另一种表达方式。
用教材教，首先要读懂教材，挖掘教材的结构与内涵。
展开教材的设计思维脉络，就是在与编者对话沟通中理解他们的设计观点,并转化为教学实际的过程设计。
《食盐在水中溶解了》一课的课例形成过程，堪称该研究策略的典型。
其基本研究路径为：
①深研教材、尊重教材。
深研教材主要把握三方面：
a、读“学习内容”，思考活动的典型意义；b、读“学习过程”，构建促进概念形成的策略；c、读“教学策略”，重视关键问题的使用。
②集中疑点，理论解惑：
在读懂教材的基础上，以学生的科学学习过程为主线，以学生概念的发展箭头为线索，让每一个活动承载明确的科学概念，进行教学设计；③课例设计与展示。
4、在细节中研究
依据科学课的特点和追求，在过程细节上下功夫，把课作到极致是我们过程设计研究的一种重要策略。
例如在《摆的研究》一课中，追求实验的“精确性”是本课如何体现科学的过程的一个重要方面，让精确实验的主导思想浸透在每一个教学细节中，诠释着科学课堂中的实证意识的教学，构成了这一经典老课的一个主轴，也成了本课例的一大亮点。
我们在以下几个活动细节的设计中可窥见一斑：
细节一、精心选择材料——保证研究前提的精确性；细节二、“实验中我们还应该注意什么”——实验前师生的深度讨论，追求过程精确性；细节三：
“问题出在哪里”——在汇报中体验“精确实验”结果的重要性。
三、研究结果与分析
（一）构建出小学科学过程教学设计的基本模式
小学科学过程教学设计的基本模式的表现形式有三部分：
教师的助学事件、教学过程阶段和相对应的学生内部学习过程。
在充分理解科学教学过程理论和现代教学设计系统理论的基础上，我们将助学事件、教学过程阶段和学生内部学习过程三者统一于典型课例的过程教学设计之中，以过程和方法为主轴，将当前小学科学课例的过程教学基本模式分为两类：
“实践——认识”型和“假设——检验”型，用以下流程来表示：
提取
学生：
内部学习过程
概括
接受与反应
选择知觉
意义编码
注意、期待
恢复工作记忆
犹新
实践
教学过程
阶段
问题
假设
提供支架活动
1、“实践——认识”型的过程设计和运用
“实践——认识”型设计框架中，科学的过程分为四个阶段：
通过感知形成问题——获取事实——整理事实——表达与交流。
小学科学课堂里的重点活动是获取事实和整理事实，在奥苏贝尔看来就是在学生原有的经验基础上找到固着点，找到“非人为性”的“实质性”的联系，逐步改变和完善原有的科学概念。
该设计框架适合大量的以研究“是什么”问题的课例，以观察为主要方法的课例设计，可以基本依据这四个阶段进行学习。
如《纸的观察》，教师出示一张白纸，学生围绕“这张纸有哪些特点”这个研究问题展开观察活动（感知形成问题）；然后，小组用多种观察方法进行研究，借用放大镜、借用其他的纸进行对比观察研究（获取事实）；接下来教师要组织学生进行整理，我们组发现纸有几个特点（整理事实）；最后，教师组织学生表达和交流，发表自己组的发现，并在交流中区分哪些特点是观察到的事实、哪些是推测和想象的，以评价自己的学习收获（表达和交流）。
根据学生的认知特点，为满足学生的需要，帮助学生更加符合逻辑地思考问题，教师将专门设置一定的“学习支架”，让学生小步子前进，在一节课中会根据内容需要几个小循环的步骤，学生边收集事实边整理事实，构建和完善自己的概念、观点、思想，在此过程中经历科学发现的过程，体验着科学探究的满足。
2、“假设——检验”型的过程设计和运用
这个途径是小学科学课堂中实施探究式教学的典型。
该设计框架以探究式学习过程阶段为主轴，学习过程分为六个阶段：
提出问题——猜想和假设——制定探究计划——实施计划——思考与结论——表达与交流。
在实施计划阶段，需要运用各种科学方法来验证自己的假设。
该设计框架适合大量以研究“怎么样”和“为什么”问题的课例，以实验为主的课例，基本上可以依据这样的程序设计。
有时，一节课中会根据内容需要几个小循环的步骤。
重点活动在于形成一个科学问题后，采取什么样的科学方法来解决问题，学生在此过程中经历科学发现的过程，体验着科学探究的满足。
教师为满足学生的需要，帮助学生更加符合逻辑地思考问题，将专门设置一定的“学习支架”，帮助学生构建和完善概念、观点、思想。
大量存在于科学教材中“技术”课可以运用该模式，只是过程阶段的表述方面有所不同，它可以分为五个阶段：
明确任务——设计构思——制作实践——成果展示——评价改进，技术设计活动的阶段可以找到与科学探究相对应的阶段：
明确任务——提出问题；设计构思——假设、计划和论证；制作实践——验证；作品展示——结论；评价改进——表达与交流。
这也是“假设——检验”的过程。
（二）形成一套助学事件的设计策略
1、展开学生理性思维的策略
（1）学习初始阶段的情境设置策略
在课堂教学开始阶段，要引起学生的注意并选择知觉，助学事件要实现两大功能：
一是以已有的经验为基础，二是要凸现问题情境。
在课堂中用“差异性”活动或情境可以较好地完成这两个任务。
所谓“差异性”就是指与学生预想完全不同的结果的活动或问题情境。
以《物体在水中是沉还是浮》为例，学生对物体在水中沉浮的原有认识是物体沉浮与它们的大小、轻重有关——大的浮，小的沉；轻的浮，重的沉。
这是学生建构物体沉浮的前科学概念（原有图式）显然，这个图式与科学图式有一定的距离，是不完整的。
教师提供的这组材料（即第一组材料）给学生的事实是：
物体沉浮与它们的大小、轻重无关——西红柿重，居然浮了；回形针那么小，居然浮了……这些事实使学生发现已有经验与事实之间不一致，产生认知的矛盾冲突，有意义的探究活动，就在学生充满矛盾、充满冲突、充满疑惑的心态中展开了。
此时，教师鼓励学生提出问题，当学生提出的问题多而杂时，就引导学生对问题进行整理，使探究的问题集中在一个特定的科学问题，教师可将学生常常问的“为什么”的问题转化为“怎么样”的问题。
（2）调查阶段的搭支架策略
不管是“实践——认识”型还是“假设——检验”型，中间都要经过调查阶段，或收集事实、或展开假设、制订计划并用一定的方法进行检验，主要的任务是让学生在“在新旧知识间建立联系”。
将探究活动结构化、层次化，有利于学生理性思维的有序展开。
仍以《物体在水中是沉还是浮》为例。
认知心理学将知识分为陈述性知识和程序性知识。
陈述性知识是通过命题、表象、线性排列、图式等来表征的。
科学课堂中的图式具有如下一些基本特征：
第一，图式中含有变量。
在影响“沉浮”的因素中包括“大小”“轻重”两个变量；第二，图式可按层次组织起来，并可嵌入其它图式当中。
研究沉浮的教师提供的三组材料是按一定的层次组织的。
第三，图式有助于推理。
图式的改进或精致分三步：
首先，意识到已误用了图式。
第一组材料就让学生意识到原有图式的错误；其次，回忆图式成功运用时的情景，并把它与现在（误用时）的情景进行比较，找出关键的不同之处。
这里的关键不同之处是材料的规则性（变量的控制）；最后，对该差异进行编码，以作为图式中的一部分。
在本课例中的第二环节设计有两个巧妙的活动，一个是控制一个变量——大小，改变另一个变量——轻重的实验，用了大小相同轻重不同的一组材料（第二组材料）。
这一支架活动试图帮助学生形成一种意识，用控制变量的方法可以更加清楚地建立图式（新观念）：
在大小相同的情况下，重的物体沉，轻的物体浮，物体的沉浮与轻重有关；另一个活动是控制一个变量——轻重，改变另一个变量——大小的实验，用了轻重相同大小不同的一组材料（第三组材料）。
这一活动的设计是让学生用前一个活动的支架来迁移的，教师让学生讨论如何选择材料来证明“物体沉浮与大小有关”的实验，同时形成新概念：
物体的沉浮与大小有关，在轻重相同的情况下，大的物体浮，小的物体沉。
这里学生对沉浮概念的修正过程可用下图来表示：
支架活动
新概念：
在一定条件下，沉浮与大小轻重有关
前概念：
沉浮与大小、轻重有关
活动1
活动2
活动3
复述
编码
复述
编码
注意
知觉
心理过程
此阶段教师要特别注意材料的选择和呈现方式。
2、强化心灵沟通的策略
交流和表达是科学探究的重要环节。
交流和表达什么、怎样组织学生进行有效交流而不流于形式等是科学过程教学设计的研究的难点。
在一些课例研究中，我们形成了以下有效的相关策略：
（1）引导学生用有效证据支持自己的观点
“运用数据，让数据说话”毋庸质疑是好策略。
例在《摆》的一课中，学生在研究过程中要认真记录下自己小组的研究数据，教师在记录单上设计记录的内容、格式，引发学生对采集数据的关注，并根据数据，形成自己的研究结论。
在向大家汇报交流时能向大家阐述自己证据获得的经过，依据可靠的数据来解释。
让学生在科学探究的过程中学会尊重数据，让数据说话。
（2）引导学生选择恰当词汇对科学结论进行概括
以“导体与绝缘体”为例，教师让学生说说关于导体和绝缘体。
师:
如果我现在问你什么是导体，什么是绝缘体，你该怎么回答？
生：
导体是容易导电的物体。
师：
什么叫导电？
是不是导来导去，电来电去的意思呢？
（生笑）
生：
帮助两根电线连接起来灯泡发亮的物体。
生：
可以让电流过的物体。
生：
把检测器的两头放上去，小灯泡就发亮的物体。
师：
那么什么叫绝缘体呢？
生：
把检测器连上去，灯泡不亮的物体叫绝缘体。
尽管学生原来都或多或少具有一些“导体和绝缘体”的信息，但这些学生来说都是模糊的，课堂活动让学生亲自动手检测25种物体甚至更多的物体，他们将刚才检测中的发现与自己头脑中已有经验建立联系，自主建构着什么是导体、什么是绝缘体。
把检测器的两头放上去，小灯泡就发亮的物体叫导体，灯泡不亮的物体叫绝缘体”，多么有想法而高度概括的“定义”呀！
这是一种源于儿童的操作和发现而概括出来的富有生命力的“儿童概念”。
（3）引导学生反思自己的学习过程
科学课堂上，不能让学生的科学经历仅仅只为走过场，而是让他们亲身经历探究过程之后，还能回过头来反思一下自己去探究、自己去发现的过程当中的一些行为是否正确、有效，那么不仅对于学生科学态度的形成起到一个正面的影响，对他们科学素养的提高更是有推波助澜的作用。
我们不可忽略动手后的反思与评价。
动手前的“动脑”、教师明确提出要求是有效学习的前提，而反思与评价能使科学活动更深入，更理性。
（三）总结出有效处理“科学的过程”观与教学实际关系的原则
1、科学探究的“理”和学生活动的“趣”——情趣性
科学探究是一种极富理性的科学研究活动，而儿童的认知特点决定科学教学要有一定的趣味性活动支撑，因而一些老师在实践中因顾此失彼而困惑。
我们如何处理科学研究的“理”和学生活动的“趣”的关系？
在课例研究中，我们发现，一个良好的教学情境的设置可以很好地解决这对矛盾，使课堂随着情境的推进，学生的学习情绪将不断地卷入。
《给叶子排排队》是一个较为成功地运用情境解决“理”和“趣”的关系的案例。
学生以体育教师的身份，给叶子“排队”，体育教师根据叶子不同的标准（叶子的不同观察纬度），将对叶子的观察、比较、分类等活动有机地整合在一起，情境不仅激发了学生科学学习的兴趣，也成为整个课堂教学探究活动的链子，催生了科学活动的深入。
一个好的情境必须具有这样的特点：
能使学生进入真实的学习状态；要有连贯性；讲究艺术。
2、科学探究与高效的学习过程——教学性
往往一个真正的科学探究活动比较费时，换句话说就是课堂教学效率不高，如何将科学探究深入又使课堂成为学生高效的学习过程？
我们的做法是追求教学三维目标的有机整合。
例如《摆》的教学。
课从学生觉得新鲜、感兴趣的观察摆钟入手，让学生动手玩玩摆，创设生动活泼的教学情境，激发学生探究的兴趣。
学生在玩摆中发现问题：
为什么相同时间里摆动次数却不一样，可能与什么因素有关？
问题意识顺应被激发，学生的思维很自然转入对问题的假设上来；在深度讨论中明确该实验的研究方案，让学生对实验中的细节加以关注，体现动手之前先动脑的科学研究思路，严谨的科学态度的培养目标蕴涵其中。
在汇报交流中我们可以发现：
学生在探索摆长、摆幅、摆锤重量和摆的快慢有无关系的经历中，有的小组成功了，也有的小组失败了，他们花了很多的时间和精力，结果却和科学的结论有偏差甚至相反。
但在此过程中，每一学生都获得新知和体验，这也正是一个人的学习、生存、生长、发展、创造所必须经历的过程，也是一个人的能力和智慧发展的内在要求。
3、课内和课外的结合——开放性
“大自然的丰富资源和生活经验为学生的科学学习提供了广阔的背景”。
因而，科学教育不仅仅是一节课的事情或者说是课内的事情。
怎样让学生置于广阔的生活背景中，这就要处理好课内与课外相结合。
例《气温的变化》，学生要亲历三个活动：
1.课前的实地测量活动，包括引导学生讨论“将温度计挂在什么地方测量温度比较合适”，记录两天的气温变化情况，等等。
2.在课内，教师引领学生利用所记录的数据，在生生、师生交流中进行分析，推测关于气温变化的简单的结论，并重点学习以折线图表达方式的科学探究活动，观察研究如何用折线图分析气温变化的规律。
3.课后，提出一些适合学生探究的“课外自助餐”，引领学生进行后续探究活动。
整个教学活动从课前到课堂一直到课后，形成科学探究的全过程，充分体现了科学探究的开放性，也是一个适合四年级学生实实在在参与和情感卷入的学习过程。
课内外的有机结合可以使科学教育活动增值。
在STS与生活结合的课例中，更应追求教学的开放性。
参考文献：
1、《（3-6年级）科学课程标准》，北京师范大学出版社，2001年
2、吴庆麟编著，《认知教学心理学》，上海科学技术出版社，2000、8
3、约翰.D.布兰思特等编著,程可拉等译,《人是如何学习的——大脑、心理、经验及学校》，华东师范大学出版社，2002、9
4、加涅等著，皮连生、庞维国等译，《教学设计原理》，华东师范大学出版社，1999、11
5、闫寒冰著，《学习过程设计》，教育科学出版社，2005、3
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