韓春蓉

（大連市金普新區(qū)教育科學研究院）

一、科學思維的概述

（一）科學思維的內涵

科學思維是指從科學的視角對客觀事物的本質屬性、內在規(guī)律及相互關系的認識方式。在自然科學中，它以自然界與自然現(xiàn)象作為研究對象，探索其現(xiàn)象背后的本質與規(guī)律。人們認識規(guī)律的過程是復雜且曲折的，需要經(jīng)歷對感性認識材料進行加工處理、合理改造、去粗取精?？梢?，科學思維是在頭腦中不斷形成的對真理的清晰認識，是人類實踐活動的產物。

（二）科學思維的要素

1.模型建構

模型建構是指在真實情境中，依據(jù)前科學概念或已經(jīng)積累的科學知識，根據(jù)研究問題，對客觀事物進行抽象概括，建構形成便于研究并反映研究對象本質屬性的模型。依據(jù)問題特點，模型可分為物理模型、數(shù)學模型和概念模型。

2.科學推理

科學推理是指運用各種科學方法，如分析、綜合、歸納、演繹、比例、概率、控制變量等方法，根據(jù)現(xiàn)有條件從定性和定量兩個方面進行推理，從而尋求科學規(guī)律及理論。它用來解釋自然現(xiàn)象，推理表面現(xiàn)象中普適性或可推導性，以期解決實際問題并保存于已有經(jīng)驗中，為未來解決同類或相似問題做準備。

3.科學論證

從實證角度出發(fā)，科學論證是在問題情境中篩選解決問題的關鍵數(shù)據(jù)或資料，整理形成證據(jù)，并運用其對研究問題進行描述、解釋和預測，提煉出的觀點。具體體現(xiàn)在有恰當?shù)目茖W證據(jù)的意識、評估科學證據(jù)的能力以及展現(xiàn)出的質疑與批判的高級思維能力。

4.質疑創(chuàng)新

質疑創(chuàng)新是思維發(fā)展的較高層次，指對所研究事物具有批判性思維的意識，能夠善于基于證據(jù)提出質疑、大膽猜測，整合思維能力從不同角度思考問題，產生新奇想法，并付諸實踐研究，追求科技上的創(chuàng)新。

（三）科學思維的價值

第一，科學思維是認識客觀世界的方式。科學是人類探究客觀世界的途徑與知識類型總和，通過分析、推理、歸納所得出來的序列化知識系統(tǒng)?？茖W不是客觀世界在大腦中的鏡像，而是在人類發(fā)展進程中，環(huán)境和自身不斷改變過程中進化出來的一套應對和研究世界的方式，也是大腦對所獲取的信息進行能動加工的產物?？茖W探究過程是思考活動的過程，科學的結論是思考的結果，科學是通過科學思維實現(xiàn)對客觀世界的描述與解釋的。

第二，科學思維是科學知識系統(tǒng)進行架構的邏輯推演工具，無論是縱向的概念發(fā)展，還是橫向的概念之間的聯(lián)系，都是結構化的思維模型?？茖W學習的目標是通過掌握這些思維模型，在相似背景中調動結構化的科學思維模型，激活相關知識經(jīng)驗?？梢?，思維是科學學習的必備工具。

第三，科學思維是科學創(chuàng)新的手段。培養(yǎng)創(chuàng)新性人才、構建新型社會，是國家層面的需求，也是人類不斷進步的訴求?？茖W思維能力是創(chuàng)造能力的智力支撐，知識、技術與技能是科學創(chuàng)造的材料基礎，思維能力是核心，基礎材料可以通過模仿與機械訓練獲得，真正核心的體現(xiàn)是具有創(chuàng)新價值的思維能力。

（四）科學思維的培養(yǎng)

《義務教育科學課程標準（2022年版）》強調，“以探究實踐為主要方式開展教學活動”。學生通過親身參與探究實踐活動，實現(xiàn)科學探究能力的發(fā)展，核心素養(yǎng)的形成。科學探究的目標就是培養(yǎng)學生的這種理性思維方式，可以說“科學思維是科學教育的核心和靈魂”，缺少科學思維的探究活動是一種形式上的探究?？茖W思維包括邏輯思維、辯證思維、批判性思維、發(fā)散性思維以及創(chuàng)新性思維等，也是學生核心素養(yǎng)的綜合體現(xiàn)?；诳茖W探究與科學思維之間密不可分的關系，科學課堂探究實踐活動中就必須把焦點置于發(fā)展學生的科學思維能力當中。

很多學校在此過程中都進行了一些探索實踐。以金州區(qū)治平小學為例，首先，學校鼓勵學生以家庭為單位進行STEAM項目實施，如紙竿托球、神奇的結構、吸管橋承重、發(fā)射器等，引起了學生和家長的極大興趣，他們的各種奇思妙想層出不窮，各種作品更是琳瑯滿目。其次，學校新建了STEAM專屬教室，成立STEAM社團，組織學科教師研發(fā)STEAM教材，用于實際教學。最后，學校組織各種相關活動，如“校長杯”STEAM競賽、STEAM科學微課堂等，在活動中促進了學生科學思維的培養(yǎng)。

很多教育專家也基于教材進行了一些課例研究，如在遼寧省科學學科骨干教師馬長森的“機械手”STEAM教學課例中，神奇的機械手讓學生在動手動腦中開拓了思路、開發(fā)了思維。此外，馬老師還編排了一個情景劇《神奇的機械手》，在精妙的故事情節(jié)中蘊含了豐富的科學道理，培養(yǎng)了學生的科學思維。

二、科學探究活動中科學思維的培養(yǎng)

思維與創(chuàng)新、交流與合作是學生需要的技能，《中國學生發(fā)展核心素養(yǎng)報告》中提出的“學會學習”“主動適應與創(chuàng)新”等大部分內容涉及思維與創(chuàng)新?！皩W會學習”主要是指學生面對新的情境或者具有挑戰(zhàn)性的任務時，所表現(xiàn)出來的在思維、認知策略和自我調控等方面的綜合能力?？茖W教育研究重視科學論證與模型思維，其有助于科學探究能力的發(fā)展，建構科學知識并促進科學概念轉變與理解，提升科學認識水平，提升推理能力、批判思維能力和交流能力。在教學中，科學探究的各個環(huán)節(jié)都應該伴隨著學生的思維活動，教師在引導學生進行科學探究的過程中必須注重科學思維能力培養(yǎng)。

（一）提出問題

敢于提出問題、善于提出問題，是激發(fā)創(chuàng)造力的有效途徑。問題是思維的發(fā)源地，沒有問題就不會引起思考。在提出問題階段，學生需要觀察與分析現(xiàn)實情境，展開聯(lián)想，激活先驗知識，在發(fā)散性思維與集中性思維的基礎上，分析、比較問題的可行性與可操作性，進一步明確研究問題。

發(fā)現(xiàn)問題、提出問題是學生科學思維活動的重要體現(xiàn)。在教學過程中，教師要精心地創(chuàng)設問題情境，引導學生闡述有邏輯的思想和觀點。

例如，在學習蘇教版科學教材四年級上冊“摩擦力”一課時，教師開課就設計“抓泥鰍”的活動，對比水中泥鰍不易抓起，但在沙堆里卻很容易抓起，教師問學生影響抓取效果的原因可能是什么。學生通過兩次實驗的對比，觀察到非常豐富的信息：泥鰍的形狀、體表特征、對刺激的反應、運動方式、生活的環(huán)境等，而兩次實驗的不同之處在于一個是在水里，一個是在黃沙中。兩次實驗結果不同，可以引導學生分析推理，初步得出材料的不同影響到了抓取的難度。

（二）猜想與假設

猜想與假設是研究者根據(jù)已知材料和科學知識，對所研究的問題作出一種猜測性陳述，是針對問題中事物的因果性、規(guī)律性初步的假定性解釋，這個過程是純粹的思維過程。

針對問題引導學生進行合理的猜想，對學生邏輯思維能力的培養(yǎng)具有十分重要的意義。教師在教學中要引導學生結合具體事實進行有依據(jù)的猜想。例如，蘇教版科學教材一年級上冊“樹葉黃了”一課，根據(jù)樹葉變黃一般是從邊緣向中心發(fā)展，猜想這種變化規(guī)律的原因，通過有依據(jù)的猜想，訓練學生符合邏輯地猜想，注重因果關系。

（三）制訂方案

學生從問題導向出發(fā)，圍繞猜想假設，提出探究活動的大致思路，為科學驗證做好鋪墊。教師精心設計實驗方案，可以培養(yǎng)學生思維的深刻性與邏輯性。

在設計實踐探究方案環(huán)節(jié)，教師應引導學生深入思考，全面考慮各種因素對實驗的影響，嚴格控制變量，讓學生對實驗方法、方案展開討論，在討論過程中使學生的思維深刻性得到發(fā)展。

例如，在蘇教版科學教材四年級上冊“摩擦力”一課的教學中，教師引導學生探究如何“減小固體間的摩擦力”，小組合作設計實驗方案，選取材料進行實驗。在對比實驗中，變量的控制是教學中的重點和難點。怎樣控制實驗中的變量才能得到科學的實驗數(shù)據(jù)，進而分析得出正確的實驗結論，制訂方案顯得至關重要，在這個過程中也能深層次培養(yǎng)學生的科學思維。

（四）實施探究

實施探究是教師引導學生依據(jù)研究計劃或方案開展探究活動，驗證猜想、假設，得出科學結論的過程。在這個過程中，教師要引導學生根據(jù)制訂好的探究方案，開展觀察、實驗、制作、考察、調查、參觀、采訪、搜集、種養(yǎng)等探究活動，在活動中應注意獲取相關信息，對信息進行歸類、歸因分析，以獲取規(guī)律性的認識，得出問題結論。

例如，在蘇教版科學教材五年級上冊“光的傳播”一課中，教師讓學生用手電光通過小孔不在一條直線上的三張紙屏照射效果和小孔在一條直線上的三張紙屏照射效果，思考光線的傳播路徑，認識到光線無法拐彎，只能通過直線傳播，得出科學結論。實驗探究中的證據(jù)是學生建立科學概念的思維素材，教師引導學生關注實驗中獲得的相關證據(jù)，并進行信息加工處理，進而形成自己的觀點。

（五）展示與交流

語言是思維的外殼，是智慧的結晶，是表達思維的工具。加強科學課堂中學生的語言訓練，在表達中不斷提煉、反復加工語言和邏輯，有助于學生科學思維的提升，是發(fā)展學生思維的有效途徑。學生需要在科學推理的基礎上，從收集的信息中得出某現(xiàn)象如何發(fā)生或為什么發(fā)生的合理解釋，通過比較和分析不同的理論與證據(jù)，進一步評估調查中形成的解釋。表達交流是一個合作學習的探究過程，包括明確地公開分享自己的證據(jù)和觀點，通過交流和辯駁捍衛(wèi)自己的觀點。教師要注意引導學生對實驗結論的展示與交流，促進學生對科學真理的深刻理解，強化表達說理，提升學生思維。例如，教師要多引導學生進行辯論、討論等交流活動。辯論、討論交流是學生建構科學概念、形成科學思維的重要過程。

在項目活動課程的過程中，展示與交流對促進學生形成科學的工程思維有非常重要的作用。

例如，開發(fā)“設計LED小手環(huán)”項目實踐活動，其工程設計制作教學過程中，學生在制作前進行交流設計方案，如前期的調查，了解了制作LED小手環(huán)的電路知識，需要哪些電路元件，怎樣連接電路，畫出了什么樣的設計圖。第二階段的交流是制作完畢交流，比一比哪個小組的設計更合理，有什么需要改進的，交流后提出改進意見。通過第一階段的交流，學生可以自由表達自己獨特的設計思路，促進了小組間的互相學習，為進一步改進制作方案奠定基礎。而第二階段的交流，一方面可以展示學生的學習成果，另一方面，學生可以大膽質疑，提出下一步的產品改進措施。

再如，蘇教版科學教材四年級下冊第五單元“環(huán)境變化以后”一課，學生圍繞“在藏羚羊遷徙必經(jīng)之地如何修建一條鐵路”這個問題進行大膽假設。在表達與交流環(huán)節(jié)，有學生表達出為什么這樣設計鐵路，傾聽的學生則給予修改的意見。在這樣的過程中，學生的批判思維會得以發(fā)展，他們會意識到人在改造自然的同時也可能破壞了自然，樹立起批判性辯證的思維習慣。

可以說，每一步交流都反映了學生精彩的探究活動過程，這些在師生之間、生生之間交流中產生的思維碰撞，增強了思維的廣度和深度，形成工程思維意識。

（六）拓展創(chuàng)新

1.擴展學生思維的廣度和深度，培養(yǎng)遷移能力

教師要引導學生運用所學，遷移應用于生活，解釋自然現(xiàn)象，解決實際問題，進行改進、發(fā)明等創(chuàng)造活動，使學生在學習中學會舉一反三，觸類旁通，嘗試從不同角度去分析思考問題。

例如，通過學習蘇教版科學教材五年級下冊“形狀與結構”這一單元，學生已經(jīng)認識了各種世界著名建筑，教師就可帶領學生當一回“小建筑師”去“造房子”?！霸旆孔印边@節(jié)課結束以后，學生寫了實踐的體會——他們很欣喜地驚嘆，自己也可以當個建筑師，像建筑師那樣設計心目中的房子的外形與結構。通過小組分工與合作的形式，學生大膽地制作，感受到了當建筑師的不容易，同時也體驗到了創(chuàng)造的樂趣，從而培養(yǎng)了創(chuàng)新和實踐的意識。從造房子前的設計，到怎樣分工與合作，再到怎樣制作，這每一個過程都滲透了學生思考問題的方法和過程。無論房子造得成功還是失敗，其結果都是不重要的，探究的過程更重要，探究過程中的每一個思維過程都顯得彌足珍貴，會為學生形成科學的思維奠定基礎。

2.提升學生思維的多維性，培養(yǎng)創(chuàng)新能力

科學思維既不是一種簡單孤立的思維活動類型，也不是幾種思維活動類型的簡單疊加，而是多種思維方法綜合作用的結果。

例如，在蘇教版科學教材五年級下冊“造房子”一課中，學生設計房子時除了要用到科學知識以外，還要用到數(shù)學知識、美術知識以及工程技術知識。所以，科學思維體現(xiàn)多個方面思維品質的特征，通過“造房子”這樣的STEAM主題探究活動，學生的觀察、比較、分析、查閱資料、調查等多種思維方法融合到一起，共同促進了科學思維的發(fā)展。

總之，科學實踐活動中，學生是學習的主體，是像科學家那樣的思考者與行動派。在科學探究過程中，科學思維是貫穿整個過程的，課堂教學活動必定與學生的思維活動密切相關，科學探究能力更是與思維能力相伴。教師在教學設計中要有長遠意識，要在大概念和模擬真實情境中帶學生體會科學探究的過程，從而實現(xiàn)學生科學思維的創(chuàng)造性發(fā)展。