以实验为抓手培养学生的推理论证能力

摘要

小学科学素养的核心是培养学生的科学思维能力，而推理论证能力是科学思维的重要表现方式之一。以实验为抓手，训练学生的科学推理能力是促进学生科学思维能力提升的关键因素之一。在小学科学教学中，教师要把培养学生的推理论证能力作为重要的教学目标。以“声音是怎样产生的”为例，阐述通过“制造认知冲突，激发证据意识”“聚焦任务，在探究中作出猜想”“正反论证，寻找可靠证据”“迁移应用，突破教学难点”4个环节，训练学生的推理论证能力，提升他们的科学思维品质。

关键词

小学科学 / 推理论证 / 科学思维 / 核心素养 / 声音 / 产生

科学探究的本质就是基于某种现象，在原有认知与现象之间的冲突中推论而产生的“主张”，当这种“主张”受到质疑时，能够根据“证据”作出合理辩护的一种活动^［1］。推理论证能力一直是各国科学教育重点培养的能力之一，美国教育部门出台的多份文件确立了“要学生在实践中学会收集、分析和解释数据，运用科学原理进行逻辑推理和论证，并能够将推理和论证结果应用到实际问题的解决中”的培养目标^［2］。

《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称《课标》）在课程总目标中指出，小学科学要培养能合理分析与综合判断各种信息、事实和证据的能力，运用证据与推理对研究的问题进行描述、解释和预测，具有初步的推理与论证能力^［3］。对于推理论证能力的培养，其主要方法是在实验探究中加以训练和引导，发展他们的创新思维和批判性思维。因此，教师要设计有梯度的、有利于发展学生思维的科学探究活动，通过观察假设、设计实验、寻找证据、辩证说理、修正观点、迁移物化等环节，让分析与综合、比较与分类、归纳与演绎的思维方法参与推理和论证的全过程，发展学生的高阶思维。

笔者以教科版四年级上册“声音是怎样产生的”为例，以科学实验探究为抓手，尝试在教学过程中培养小学生的推理论证能力。

1 制造认知冲突，激发证据意识

认知冲突是一种心理失衡，是一个人原有认知与眼前观察到的现象产生激烈的矛盾与冲突，往往这种冲突可以打破学生内心的“平衡”，产生新的认知。学习的过程就是这种“冲突”不断修正与打破的过程，“冲突”不断修正的过程就是学生的推理论证过程，最终建立新的观点。因此，教师要积极创设引发学生认知冲突的情境，通过各种探究活动所呈现出来的实验现象，链接新旧知识，产生新的问题，并作出自己的猜想（假设），引导他们大胆表达现象与假设之间的联系，并寻找证据证明自己的观点。在这个过程中，教师要营造轻松活跃的课堂氛围，充分引导学生积极调动所有的知识和经验，发展证据意识，激发创新思维。

“声音是怎样产生的”一课，通过对课前谈话进行梳理，发现四年级学生使物体发出声音的办法有很多，一般认为敲击、推拉、晃动物体都会发出声音，但对于这些物体为什么能发出声音，他们的认知仅停留在让物体动起来或受到力的作用就能使物体发出声音的层面。因此，教师需要创设“让物体动起来或受到力的作用了，却没发出声音”的情境，制造认知冲突，激发学生的探究兴趣。此时，教师可创设两个探究情境：用力晃动、拉伸、揉搓橡皮筋，其没有发出声音；轻轻拨动拉直的橡皮筋，却发出声音。这与学生原有的认知相矛盾，从而引起学生思考：为什么用力晃动和拉伸，橡皮筋不能发出声音，而轻轻弹拨时却发出声音了呢？学生由此产生认知失衡，继而引发继续探究的内驱力，他们会急于主动尝试建立新的解释。

通过制造认知冲突情境，引发学生各种猜想，即可激发学生的好奇心和急于探究的热情，为建立证据与现象之间的关系筑起连接的桥梁。

2 聚焦任务，在探究中作出猜想

四年级是学生由形象思维向抽象思维发展的关键时期，学生需要聚焦活动任务，在探究活动中通过观察和比较，建立现象与观点（结论）之间的逻辑关系，总结归纳出自己的观点，得出初步结论。因此，教师在学生探究的过程中，要根据任务内容布置相应的观察、记录任务，引导学生分析实验现象与猜测之间的联系，丰富证据，然后基于证据用已有的知识架构总结出实验规律，训练和发展推理论证能力。

“声音是怎样产生的”一课，学生的任务是让物体发出声音，找出物体发出声音与哪些因素有关。教材安排了弹拨橡皮筋的实验：将拉紧的橡皮筋放在两个柱子之间，用手指横向弹拨（用力）橡皮筋，用语言或画图方式记录并观察橡皮筋发声时的状态，这样有利于训练学生在观察中寻找物体振动的证据。大部分学生将这种现象描述为“橡皮筋上下、左右、来回呈圆圈快速晃动”，教师明确概念：这种上下、左右或来回快速晃动的现象，叫作物体的振动。学生脑海中立即有一个概念：声音的产生可能跟物体的振动有关，振动需要有力的作用。教师再出示一面鼓，让学生敲击和按压鼓面，细心的学生发现，按压时鼓面没有振动，所以没有产生声音；敲击鼓面时，鼓面上下振动，产生了响声。此现象再次验证了学生猜想：鼓面上下振动发出了声音，鼓面没有晃动不会发出声音。此时教师追问：这两个实验可以证明声音是由力的作用产生的，还是由物体振动产生的？大部分学生认为物体发出的声音可能与物体的振动有关，但证据还不够充分，还需要更多的实验来证明。教师适时点拨，引发学生思考：我们怎么证明声音的产生与物体的振动有关呢？

通过讨论总结出探究的问题：在对物体施加力的作用下，一是让物体振动，发出声音，二是让物体不振动，声音消失。

学生在观察中发现声音与振动的关系，教师用有梯度的问题引导学生思考，逐步让现象与观点之间建立联系，吸引学生积极思考，修正自己的猜测，寻找证据完善自己的观点，从而训练学生的思维能力，实现科学思维的进阶。

3 正反论证，寻找可靠证据

《课标》在科学思维学段发展目标中明确指出，三、四年级学生要初步掌握发散思维等创造性思维的基本方法，并提出有一定新颖性和合理性的观点。因此，教师在教学中要引导学生在探究活动中用体验与感受、观察与思考、分析与概括等科学思维方法，引导学生思考事实与观点之间存在某种关联，从不同角度寻找和发现能证明自己观点的证据，丰富和扩展证据链，让学生像科学家一样思考和探究未知世界，从而发展和训练学生的科学思维能力。

在探究“让物体振动，发出声音”的问题时，教师提供了锣、二胡、钢尺、桌面等多种实验器材，引导学生用敲、拉、拨的方法，使各实验器材发出声音，指导学生观察实验器材的振动现象，并用图画或语言文字记录下来，再让学生用手轻触发声中的锣、二胡等，从触觉感受因为物体的振动而发出声音。最后让学生描述实验现象，有个别观察仔细的学生这样描述：在拉二胡的过程中，整个弦在振动，弦又细又长，振动幅度越大，发出的声音越大。锣面比较大，当振动幅度较小时，发出的声音也较小。学生这意外的收获为解释竖琴的工作原理提供了论证基础，最后让学生观看振动中的音叉接触水面，观察振动波在水面的传递，为学习人类是怎么听到声音的作铺垫。

教师从多方位多角度让学生感受和理解声音是由物体的振动产生的科学概念，并通过图画和文字及时记录实验现象，引导学生尝试科学表达，教师可以掌握学生观察和思考的全过程，及时做到“教—学—评”一致性，既发展了学生的证据意识和论证能力，又训练了学生的发散思维。

在反面论证“振动停止，声音消失”时，教师引导学生思考：我们怎么让振动停止呢？实验时要注意什么？我们要观察哪些现象？当学生完成实验后，让学生谈一谈：手有什么感觉？声音发生了什么变化？并用语言描述实验现象，为论证猜想做好证据准备。在探究活动结束后，教师抛出问题：从正反两个实验现象可以得出什么结论？当学生提出观点“声音是由物体振动产生的”时，教师再抛出问题：你有什么证据可以证明这些观点？学生用实证证明了物体发出声音的本质原因。教师最后抛出问题：对于这个观点，你还有什么疑问？在探究后给学生机会，提出新问题，能调动学生的好奇心，这对激发学生探究热情具有不可替代的作用^［4］。

学生在实验过程中，从多个实例中推理出“声音可能是由物体振动产生的”这一观点后，用正反多个实例论证了“声音是由物体振动产生的”这一科学概念。学生在真实情境中带着问题探究实验，从多角度分析实验现象与证据之间的联系，从而加深对概念的理解，提升学生科学思维品质。

4 迁移应用，突破教学难点

从理解概念到应用概念是实现科学思维品质提升的第二次飞跃。推理论证出科学概念只是科学探究的浅层阶段，理解和掌握科学概念的最终目的是应用科学概念，让科研成果服务和改变我们的生活是人类科学研究的目标和追求，同时也是吸引学生开展科学探究的源泉和动力。因此，教师在教学中必须引导学生应用新探究出来的科学规律，推理出科学概念，并联系生活中的事物和现象，用科学规律解释现象或将科学规律物化成生活用品，从而有效培养学生的创新能力和想象能力，提升科学思维品质。

本课的教学难点是解释竖笛的工作原理，空气无色无味，竖笛质地坚硬，学生无法观察到振动现象。整个探究活动围绕什么物体的振动使竖笛产生声音展开^［5］。为了突破这个难点，教师可以先播放蚊子和蝴蝶飞过时发出声音的画面，引导学生思考：为什么我们可以听到蚊子的声音，而听不到蝴蝶的声音。通过观察和讨论，学生一致认为蚊子翅膀扇动频率快，使周围的空气发生振动，所以听到声音，而蝴蝶翅膀扇动频率慢，空气振动慢，声音太小，我们听不到。有了前面探究锣和二胡发出不同音高的基础，教师可以引导学生展开论证：用力抓住竖笛和用力抓住振动的橡皮筋有什么区别？为什么一个可以发出声音，另一个声音却停止了？竖笛为什么可以吹出高低不同的音乐？

通过设计有梯度的探究问题，教师引导学生根据固体发出声音的规律联系到空气。空气和固体一样，都会发生振动，在振动时也会发出声音；振动频率不同，发出的声音也不同。在探究科学问题的同时，使学生的思维走向更深处，学生的思维和思路得到更进一步的拓展，科学思维走向高阶，科学思维品质就得到进一步训练和提升。

纵观整节课，学生在质疑中发现问题，并根据实验现象提出自己的观点，他们经历了一个层层推进、具有思维梯度的探究活动，实现科学思维由表及里、由易到难的进阶训练过程。学生在实验现象与已有经验发生冲突时开始质疑，并激发了他们的好奇心和探究兴趣。

例如，在观察和思考中，引出物体振动与产生声音之间的联系，学生的科学思维开始萌芽和生长；从正反两个维度、用多种例证论证了声音是由物体振动产生的，学生的科学思维得到训练和提升；用蚊子发声和锣、二胡发出不同音高的原理来解释竖笛发声原理，学生的科学思维得到拓展。如此，既帮助学生突破了本节课的教学难点，使学生的科学思维走向高阶，也完成了科学推理和论证能力的训练与提升，实现学生科学思维品质的再一次飞跃。

在新课程理念下建构发展学生推理和论证能力的课堂，是对以核心素养为培养目标的积极探索。教师要以问题为导向，设计进阶性问题，以任务为驱动，引导学生在探究中训练和发展推理与论证能力，让学生在真情境、真问题、真探究、真思考、真讨论中获得知识、应用知识，形成能力，逐步实现科学思维品质的提升，完成从“知识”到“能力”再到“素养”的转变^［6］。

参考文献

[1] 喻伯军.小学科学教学关键问题指导［M］.北京：高等教育出版社，2019.

[2] 李凯.美国科学教育标准实施的新动向：基于《新一代科学教育标准实施指导书》的内容分析［J］.教学与管理：中学版，2016（12）：80-82.

[3] 中华人民共和国教育部. 义务教育科学课程标准（2022年版） ［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.

[4] 马冠中.像科学家一样思考 怎么做？怎么教？［M］.北京：教育科学出版社，2023.

[5] 胡良清.深度探究：科学概念深层次理解的教学突破：以《声音是怎样产生的》为例［J］.湖北教育（科学课），2023（01）：40-42.

[6] 郑端丽.以生为本，构建数学“生长课堂”［J］.福建教育，2024（14）：50-53.

基金资助

大田县名师名校长教育教学改革专项课题“基于AI技术的小学科学实验安全防护与低成本教学模式创新研究”(TZXKT-2641)