KI理论视角下小学科学实验教学模式研究

摘要

知识整合（KI）理论有助于凸显新课程标准的核心素养导向，尊重学生已有认知，丰富教学实践路径。鉴于此，利用知识整合（KI）理论与“主张—证据—推理”（CER）论证框架，以“水结冰了”一课为例，在改进教材实验的基础上进行教学实践。研究结果表明，基于KI理论的教学设计能够有效提升学生的科学论证能力与概念理解水平。

Graphical abstract

关键词

KI理论 / 小学科学 / 实验教学 / 水 / 结冰 / CER框架 / 模式研究

《义务教育科学课程标准（2022年版）》明确指出，要“强化学科知识的整合”“建立证据与解释之间的关系并提出合理见解”^［1］。然而，在实际教学中，学生难以在新旧知识之间建立有效联系，往往难以接受新知识，而是倾向于保留原有的错误想法。KI理论（知识整合理论）以建构主义认知理论为基础，强调将学生的已有认知与新学习知识建立联系，进而形成连贯性的整体理解。知识整合理论具有四大设计原则：一是使科学可触及，即从贴近学生的场景入手，使科学通俗易懂；二是让思维看得见，即教师要及时看到学生的想法；三是帮助学生向他人学习，即在课堂上开展小组合作，通过学生之间的交流促进学习；四是促进学习自主，即培养终身学习的意识^［2］。同时，KI理论分为4个递进过程：①诱出想法，即让学生充分呈现他们的已有想法（知识）；②添加想法，即增加规范的科学概念（知识）；③辨分想法，即辨别区分不同的想法（知识）；④反思与整理想法，即鼓励学生通过反思对想法（知识）进行整理^［2］。

为了使学生思维可视化，同时也便于学生应用证据关联不同的观点，引入“主张—证据—推理”（CER）框架^［3］。其中，“主张”是指学生的观点或结论；“证据”则是用以支撑这一主张的科学数据，这些数据可以来源于实验探究、阅读材料等多种渠道，但必须具有相关性和充分性，以确保对主张的有效支持；“推理”则是为解释证据为何能支持主张而提供的理由。

KI理论视角下的小学科学实验教学框架设计如图1所示，整个过程分为4个环节，每个环节都采用“主张—证据—推理”（CER）框架开展实验教学。

1 KI理论助力小学科学实验教学的价值

1.1 凸显新课标的素养导向

新课程标准指出：“将科学观念、科学思维、探究实践、态度责任等核心素养的培养有机融入学科核心概念的学习过程中，同时，通过对学科核心概念的学习，理解跨学科概念。”上述核心概念及跨学科概念是科学知识整合后的精华。KI理论强调将碎片化的知识整合成统一连贯的想法，较好地凸显了新课标的核心素养导向。

1.2 尊重学生的已有认知

每位学生在进入课堂之前，都有自己独特的思想和认知。这些个人的想法，都是基于他们的生活经验和日常的持续学习所得。KI理论尊重并鼓励学生的已有认知，并在辨分想法环节将新旧知识进行比较联系，并将学生置于学习的中心，凸显了学生的主体地位。

1.3 丰富教学的实践路径

传统小学科学实验教学往往忽视对学生新旧想法的辨分，KI理论的辨分环节为小学科学实验教学提供了有力的理论支持和实践指导，这丰富了小学科学教学的实践路径。通过运用KI理论，教师可以更好地设计、组织和评价实验教学，从而提高学生的知识理解和科学素养。

2 原实验教学的问题与装置改进

2.1 原实验的不足

“水结冰了”出自教科版科学三年级上册“水”单元第4课，该实验主要是通过观察和记录水结冰时的各种变化，让学生理解物质的结构与性质等学科核心概念，培养其核心素养。在实际教学实践中，发现该实验存在下述不足：①碎冰块颗粒之间存在空隙，对试管的包裹并不均匀；与颗粒较大的冰块相比，碎冰块更容易融化，制冷效果不佳。②测量水温的温度计需要学生全程手持使用，学生观察不便。③温度计读数存在较大误差，且没有对烧杯中碎冰块的温度进行测量，降低了实验的严谨性。

2.2 实验改进思路

基于上述水结冰实验存在的问题，采用当前热门的数智技术，并结合科学原理，进行实验改进，思路如下。

（1） 饱和食盐水的凝固点可低至-21 ℃。因此，用冷冻后的饱和食盐水替代碎冰块，使用时从冰箱中取出即可。饱和食盐水在冷冻后仍保持液态，可以与装有水的试管均匀接触，制冷效果更好；与碎冰块相比，饱和食盐水更透明，有助于学生从侧面观察水结冰现象。

（2） 针对学生需要手持温度计带来操作不便的问题，利用EVA塑料制作一个圆形盖子覆盖在烧杯上方，并通过裁剪使其尺寸刚好与所用烧杯口径匹配。在盖子上面钻两个孔：一个大孔，刚好使试管能够穿过；一个小孔，用来放入测量烧杯内冰块的温度传感器。同时，在试管内也放入一个温度传感器，用来测量试管内水结冰的温度变化过程，从而大大降低实验操作的不便性。

（3） 使用温度传感器采集数据，以可编程开发板为主控，将测量过程中产生的数据实时显示于开发板自带的OLED彩色显示屏上。利用MQTT技术将实验数据上传至指定服务器，教师通过教室一体机屏幕，实时查看各小组的温度变化曲线。改进后的水结冰实验装置见图2。

3 KI理论视角下小学科学实验教学策略

3.1 诱出想法

诱出想法，即教师引导学生主动表达其已有的观点和知识，从而使其思维具体化、可视化。学生在踏入课堂之前，往往已经对许多科学概念有了自己的见解和预设。KI理论强调确保学生有机会在自己既有的认知与新学习知识之间搭建起联系的桥梁，从而能够更有效地对这些观点进行对照、比对和甄别，推动知识的有效整合。因此，在小学科学实验教学中，教师通过创设贴近学生生活的真实情境，引导学生根据情境中的问题作出预测，进而成功诱出学生的想法，为下一步的学习作好铺垫。

【教学活动】首先，教师导入“夏天自制棒冰”这个真实情境，引导学生思考问题：水结冰的温度是多少？水结冰后体积会变大还是变小？同时，引导学生通过“主张—证据—推理”的框架回答问题。学生通过小组讨论，提出自己的主张，并摆出自己的证据以及证据可以支持主张的理由。导入真实情境，有助于了解学生的已有想法，发现学生认知中的错误之处，促进学生思维的可视化。

【教学意图】通过上述教学活动，学生充分暴露自己的已有想法，以及相应的证据和理由，由此教师可精准把握学生的认知起点，同时也践行了KI理论“使科学可触及、使思维看得见”等原则，为添加想法作好铺垫。

3.2 添加想法

添加想法，即将规范的、正确的科学概念（方法、理念）融入教学中，并确保这些新的概念与学生的既有认知、实践经验或相关理念相融合，从而加深学生对这些新科学概念的理解，形成统一的认知体系。在小学科学教学中，通常通过科学实验为学生添加想法，提供正确的科学概念。与此同时，教师通过为学生提供“主张—证据—推理”的推理论证框架，助力学生得出严谨的科学概念。

【教学活动】教师为学生提供改进后的水结冰实验装置（图2），引导学生思考问题：实验应该如何做？小组如何分工？同时，鼓励学生通过“主张—证据—推理”的框架分析实验数据，最终得出实验结果。学生展开小组合作，讨论实验方案并开展实验操作，记录并分析数据，基于CER论证框架提出自己的主张，摆出自己的证据以及证据可以支持主张的理由。通过改进后的实验装置，学生经历严谨的实验过程，得出正确的科学结论。

【教学意图】学生通过实验，得出一系列科学证据，并借助“主张—证据—推理”的推理论证框架得出“在标准大气压下，水结冰的温度为0 ℃，同时水结冰后体积会膨胀”的正确结论，为辨分想法奠定坚实基础。

3.3 辨分想法

辨分想法，即引导学生对实验前诱出的已有想法和实验后的添加想法进行鉴别和筛选。实验后，不同小组可能会得出不同结论，即不同的添加想法，因此也需将它们纳入辨分的范围并进行比较、鉴别和选择。借助韦恩图、气泡图等工具，学生将实验后的添加想法与已有想法进行相同点和不同点的比较，辨识和筛选出那些更具合理性的观念，助其建构科学、连贯的科学知识。

【教学活动】教师将学生之前的已有认知与实验结果出示在黑板上，并为学生提供韦恩图等学习支架，鼓励学生思考问题：已有想法与实验后的结论之间有哪些异同点？同时，引导学生通过“主张—证据—推理”的框架进行思考。小组讨论完成韦恩图，提出并展示自己的主张，同时摆出自己的证据以及证据可以支持主张的理由。在学生原有认知中，水结冰的过程是瞬间完成的，但实验过程中发现水结冰要持续一段时间。借助CER论证框架，学生就很容易发现，自己原有认知中的部分想法是错误的，进而筛选出正确想法。

【教学意图】学生通过“主张—证据—推理”的框架，发现自己的想法与添加想法之间的异同，如学生认为水结冰后体积会变小，他们的理由是生活中的其他物体从液态变为固态后体积会缩小。通过实验添加想法后，学生便发现，水是一种特例，结冰后体积反而变大了。

3.4 反思与整理想法

当科学实验结束后，学生在大脑中产生3种想法——在学习前就已有的个人理解、课程中教授的标准化科学概念，以及在课堂中自然产生的新思考和见解。学生可能仍旧固守他们原有的、可能并不科学的观念、想法，这些观念、想法并不会自动与科学课堂上新学到的知识相融合。因此，KI理论教学的关键一环，就是设计实践活动和留出专门的时间，帮助学生梳理和整合这些多元化的想法。同时，在“教—学—评”一致性已成为当下教学共识的背景下，完成整理想法后，学生还需对照各种评价标准（包含过程性评价和结果性评价）进行评价反思。在这种“反思与整理想法”的过程中，学生对照素养导向的评价标准，通过主动对比和反思他们之前的认知，进而深思熟虑和重新评价，探寻各种知识与想法之间的逻辑联系，并解决其中可能存在的矛盾冲突。

【教学活动】教师为学生提供KWL表，鼓励学生反思：你今天学会了什么（复述水平）？你觉得新旧想法之间有什么样的联系（关联水平）？你认为今天学习的知识方法等对你以后的学习有什么用吗（转化水平）？同时，引导学生通过“主张—证据—推理”的框架进行反思与整理。小组反思教师提出的问题，讨论并合作完成KWL表，同时在反思过程中提出并展示自己的主张，摆出自己的证据以及证据可以支持主张的理由。通过KWL表等反思支架，学生整理和反思不同的想法，并建构其对知识的连贯性理解，形成整合的知识框架。

【教学意图】通过反思与整理过程，学生建构起对特定科学概念全面而连贯的理解。这种教学方法不仅有助于提升学生的科学素养，还能培养其批判性思维和问题解决能力，为他们未来的学习和生活奠定坚实的基础。

4 结语

基于KI理论视角，以改进后的数字化实验装置为基础，设计了小学科学实验教学“诱出想法、添加想法、辨分想法、反思与整理想法”的四大过程。结果表明，与传统教学方法相比，采用KI理论教学的学生在概念整合能力上表现更优。通过不断循环地运用KI理论的4个学习步骤，可以引导学生从微观的小概念出发，逐步整合，最终建构起宏观的大概念，形成条理清晰的知识结构。展望未来，相信会有越来越多的相关研究不断涌现。

参考文献

[1] 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.

[2] 赵国庆，张丹慧，陈钱钱.知识整合教学理论解读：将碎片化知识转化为连贯性想法：访学习科学国际著名专家马西娅·C·林教授［J］.现代远程教育研究，2018（01）：3-14，30.

[3] 李玉玲.基于CER模型的小学科学写作：以“点亮小灯泡”为例［C］//扬州大学.当代教育评论（第11辑）.扬州：扬州大学，2021.