具身认知下的“小学科学+”教学新样态

摘要

针对传统科学实验教学所存在的探究形式化、思维浅表化、知识碎片化等问题，以新课标为导向，提出以具身化实践为核心的教学重构路径。通过创设多元真实情境，综合运用多种学科知识，建构“情境锚定—具身操作—反思迭代”的教学路径。实证研究表明，该路径显著提升了学生科学思维的系统性与探究能力，有效促进学生科学素养与核心能力的协同发展，为破解实验教学“浅层化”困境提供了可操作范式。

Graphical abstract

关键词

具身认知 / “小学科学+” / 科学思维 / 实验教学 / 科学素养 / 核心能力

近年来，国家在不断推进科学教育改革，重视科技创新人才的培养，但当前小学科学实验教学中还存在“浅层化”困境，具体表现在三个方面：一是实验探究形式化，教师重演示轻实践，以讲授替代操作，形式单一，导致学生“做思分离”，活动停留于表层操作，缺乏理性分析与深度思考；二是思维发展浅表化，课堂充斥低阶问答，学生思维固化于模仿层面；三是知识呈现碎片化特征，学生难以形成系统性认知结构，制约其迁移应用能力的提升。这些问题共同导致科学实验教学陷入“热闹却低效”的困局，削弱学生科学探究能力与核心素养的发展。

《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称新课标）明确提出，科学教育需以核心素养为导向^［1］，通过具身化实践学习强化知识的结构化整合，破解传统教学中“重结论轻过程、重记忆轻探究”的症结。在此背景下，具身认知理论为科学课程改革提供了新视角。该理论主张认知生成于身体与环境的动态交互中，其“具身性、情境性、生成性”特征与小学生具象化思维特质高度适配，尤其契合科学课程强调观察、实验、推理的实践属性（图1）。科学学习本质上是一种“以身体感知奠基、以思维加工深化、以价值体悟升华”的具身化认知过程^［2］。新课标通过凝练13个学科核心概念与4个跨学科概念建构知识网络，使“小学科学+”成为兼具学科逻辑与认知工具双重属性的教学范式。笔者基于具身认知理论，结合实证案例，系统探索“小学科学+”教学的新样态。

1 创设多元真实情境，锚定科学思维起点

脑科学研究发现：人类取得的成就，大部分归因于人脑对新奇事物的兴趣，即对周围环境发生的种种变化始终保持着浓厚的兴趣。设置多元真实情境作为学生思维的起点，调动学生的具身体验，引发他们的好奇心，形成有意义的建构，从而更加符合学生的需求和发展。

1.1 观察具体事物，打下认知基础

儿童最初认知事物的方式之一就是观察，通过各种形式的具身感知，丰富儿童的感性认知和直接经验，然后通过语言或绘画来描述事物具体特征。例如，在讲授“蛋壳与薄壳结构”这节课时，教师可给每组学生分发一枚鸡蛋，引导学生观察并描述鸡蛋壳的特点。在交流过程中，学生分别从色泽、外形、质地等角度，发现蛋壳轻薄、质地脆、易破损等特点。观察具体事物，唤醒学生已有的经验，为接下来的研究打下坚实的认知基础。

1.2 创设认知冲突，驱动问题提出

认知心理学家研究发现，设置认知冲突可以强化学生注意力，使其思维与感知始终处于专注和警觉的状态。在情境中设置认知冲突的问题能让学生联系已有的知识经验，对信息进行对比加工，明确学习任务，确定学习方向，引发学习兴趣，促进思维的发展。

例如，在学习“四季的变化”这节课时，学生在感受四季的变化后，自然而然提出“四季是怎样形成的”，五年级学生虽已知晓四季成因与地球绕太阳公转有关，但对二者的内在关联认知较为模糊。不少学生存在认知误区，认为地球运行至近日点时为夏季，抵达远日点时则为冬季。该错误认知与地球各地所处季节不同的客观事实形成认知冲突，为进一步推理四季变化的成因埋下伏笔。

1.3 引入科学史，激发探究兴趣

科学史有很多科学家的精神值得学生学习，比如飞天第一人万户、具有质疑与探索精神的沈括、永不言弃的发明大王爱迪生、勤思善问的牛顿、心怀天下的袁隆平等，学生学习科学家主动求证、大胆质疑、坚持不懈的科学精神与方法（即科学史），能将科学教育和人文教育有机整合。科学史利用很多故事将科学理论的真实发展过程呈现给学生^［3］，如伽利略滚小球、曹冲称象、牛顿把光分解成七色光、大陆漂移假设、制作日晷等。因为科学的可验证性和可重复性，学生可以像科学家一样实验，亲历探究过程，意识到科学离自己很近，增强自豪感。

例如，在开展杆秤的项目化学习时，首先出示杆秤，让学生通过多种途径去研究杆秤的历史。杆秤是一种衡量物体质量的器具，在历史上经历了漫长而复杂的发展过程。学生通过查阅资料，绘制了一份份关于杆秤的研究图谱，包括杆秤的由来、历史和简介。这种情境的创设促使学生调查了解杆秤的历史，敬佩古人的智慧，从而调动探究的兴趣。

2 融合多学科知识，增加思维的发散点

具身认知下的“小学科学+”打破学科间壁垒，使学科核心概念、跨学科概念和科学实践三者形成一个立体、多维的学习内容结构，它们相互依存、相互支撑，使课堂教学更具完整性、深刻性和丰富性，可提高实验教学的实效性，促使学生科学思维、探究实践、科学观念等协同发展，提升学生的科学探究水平。

2.1 “小学科学+数学”

其实，数学在科学教育中更多展现的是一种思维方式，因此，“小学科学+数学”实验教学需要选择适合教学的内容，同时要了解学生的原有知识，分析并设计实验教学方案。设计原则应注重与生活的联系，以及数形结合的分析能力，培养系统逻辑思维、统计思维等能力。“小学科学+数学”实验教学有助于丰富学生的学习方式，在具身体验与探索、实践与反思中发展科学思维。

例如，在学习“撬动重物的窍门”这节课时，在平衡尺两端挂钩码使其平衡，平衡尺上的距离和钩码的个数符合一定的数学规律，但本节课更多的是让学生定性去发现杠杆平衡的规律：“距离支点越远，保持平衡需要的力就越小；距离支点越近，保持平衡需要的力就越大”。可以看到学生从“一头雾水”到借助平衡尺经历几次具身实验后，在统计表中“恍然大悟”的认知过程，这一过程重在发展学生的思维，使学生思维水平不断螺旋上升，也为以后学习杠杆和简单机械打下坚实的基础。

2.2 “小学科学+工程”

工程学蕴含大量的科学知识，小学科学的发现有助于提高工程学的效率，二者是密不可分的。“小学科学+工程”教育有利于学生形成和理解物质与能量、结构与功能、系统与能量、稳定与变化等跨学科概念，提高学生解决问题的能力、交流的能力以及团队合作的能力。

例如，在学习“搭支架”“建桥梁”“造桥墩”等“小学科学+工程”融合课中，从最初明确目标、调查了解，到创新设计、迭代作品、作品介绍，每个环节不仅丰富学科课程的内涵，也时刻体现着综合育人的价值，在培养学生创新、实践和问题解决能力上有了最直接的支撑点和落脚点，为综合育人的实现提供了更加有效的途径。

2.3 “小学科学+技术”

小学科学与技术有着密切的联系，首先“小学科学+技术”是时代的需求、社会的需求^［4］。我们生活在一个越来越离不开科学与技术的世界，科学与技术已成为推动当今人类发展的核心力量，科学与技术渗透到了人类生活的各个方面。其次，“小学科学+技术”是教育的需求，VR、AI、MR等虚拟现实技术的应用，各种传感器、交互性软件、创新型实验设备赋能科学课，可让学生沉浸式探究、多元化体验科学，激发学生的好奇心，同时感受科技带来的影响。科学与技术研究在很多方面均有着千丝万缕的联系（图2）。“小学科学+技术”既增加了学生的学习兴趣，又在优化教育资源的同时提高了教学质量。

3 做思共生建模，形成思维的驱动点

小学科学实验教学是以具身化实践特质的科学活动为支架，以心智思维为内隐线索，建立思维的驱动点，促进学生的深度学习。

3.1 画一画，思维具象化

儿童的思维更多的是通过表象感受、直观行为积累的具象思维向抽象逻辑思维慢慢过渡。学生通过画一画的方式将看不见的思维展现出来。随着生活经验的增加，学生会通过深度加工新知识和思想，完善原有的想法，主动构建知识体系。

例如，在学习“空气占据空间吗”这节课时，在活动二“听话的乒乓球”这一环节，教师出示材料：去底的塑料瓶、乒乓球、一水槽水。教师引导学生做前先思：拧上瓶盖的塑料瓶把乒乓球向下竖直扣到水里，乒乓球会怎么样呢？学生大胆猜想乒乓球会被压到水中或漂上来。师生操作，学生观察现象，并画一画乒乓球的位置。我们用 表示空气，用 表示水，画出塑料瓶没入水中的状态。通过绘图（图3）有助于学生理解看不见的空气所占据的空间，分析乒乓球在水面下的原因：因为杯子里面的空间被空气占据着，空气跑不出来，水就进不去，所以乒乓球下降到整个水面下方。再进阶提问：你能想个办法让乒乓球上浮吗？学生有的想到拧开瓶盖，有的想到在瓶子上扎洞，有的想到往瓶中吹气……这里的思维是发散的、有创意的、有章可循的。

因为空气无色无形，所以学生理解“空气占据空间”这一概念比较抽象，通过绘制空气流动简图，将瓶内空气与水面的动态关系可视化，帮助学生将抽象思维转化为具象认知，从而突破“空气占据空间”的教学难点。

3.2 做一做，过程技能显性化

具身化实践是一项以儿童亲历实践为主的科学活动，考虑学生的年龄特征，教师要从学生操作水平的能力出发，在操作技能方面进行合理的引领与有效的示范，降低实验难度，增强实验效果。教师在实验教学中引导学生以思导做，以做促思，注意细节，在动脑又动手间将学生的注意力汇聚到科学研究的内涵上。

例如，在学习“摆”这节课时，在测“15秒摆的摆动次数”这一环节，看似很简单的计时与数数，学生在实践中操作两个任务不是那么容易。经过反复设计，不仅选择用一个计时器，还强调计时的诀窍，为实验数据的真实有效做好准备，比如“预备—放”和“预备—开始”这样的细节，让学生在思考其合理性中进一步明确实验的科学性。在数摆的次数时，如果教师不有意追问“怎样算一次？”“从什么时候数起比较合适？”这样两个问题引发学生思考的话，学生就很容易出现以下两种错误：一是摆的次数会数成去和回各算一次，二是刚放手就算一次，导致总数会多算一次。学生在与教师的对话研讨中思维的视野逐渐放宽，教师的思维言传身教给学生，让学生具有缜密的思维。

3.3 说一说，思维碰撞丰富化

思维碰撞的丰富化是深化科学探究的关键机制。学生因个体认知差异与观察视角的不同，在分享交流中能够重构对探究过程的全面认知，实现知识的协同建构。这种做与思的互动激活了儿童对事实、证据与逻辑的双重敏感性：一方面推动其对自身科学观点的清晰性与证据充分性的反思；另一方面激发其对同伴论证逻辑的批判质疑。在此过程中，科学探究从“做”的实践层面向“思”的认知层面跃迁，而同伴互动则成为思维进阶的核心杠杆——通过观点交锋催生认知冲突，通过证据辩驳完善推理链条，最终形成螺旋上升的思维迭代体系（图4）。

例如，在学习“探索宇宙”这节课时教师出示万户飞天的故事，让学生谈谈自己的看法，很多同学从出题者角度考虑，给出看似正确的标准答案：万户的这一行为令人敬佩，像个超级英雄。这时“小杠精”们就不服了：“老师，我觉得万户这行为很鲁莽，他不顾自己的安全，随着火箭的升空，自己也摔死了！”“老师，我觉得万户自己坐上去前，可以计算一下或者找个替代品来试验一下。”学生的想法能理论联系实际，比古人考虑得更全面，但当时万户的行为已很超前，也给后来的人们一个警醒，让我们在做之前先三思。同时万户的这一行为也鼓舞更多后人探索宇宙的秘密。

基于具身认知下的“小学科学+”核心路径表现为：锚定真实情境的跨学科主题，通过阶梯式问题链，驱动学生调用科学、工程、数学等多学科知识协同具身化解决问题^［5］。学生像科学家或工程师一样观察、猜想、实验、记录、建立科学模型、分析解释迁移、迭代，培养学生团队合作能力、高阶思维与应用能力，具有综合育人价值。具身认知下的“小学科学+”教学新样态是整合启发式、探究式、互动式、体验式和项目式的教学，促使科学知识在自然场域、生活场域、文化场域中实现意义重构，最终达成“身体体验—学科知识—核心素养”的三维统整。

在新课标提出后，教师要积极寻求不同的方式和方法来培养学生的核心素养，尤其是对科学思维和科学探究能力的培养。为此，教师需要更新教学理念，逐步改善高中生物学实验教学条件，并积极运用多种教学方法。只有这样，才能真正让生物学实验教学发挥育人作用，让学生深刻感受生物学实验的魅力，从而达到培养学生核心素养的目标。

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] 顾长明.“做科学”的内涵、理论基础及价值取向［J］.江苏教育（小学教学版），2021（03）：6-11.

[3] 徐敬标.小学科学教学渗透科学史教育的研究［J］.教学与管理，2010（08）：40-42.

[4] 刘大椿.科学技术哲学概论［Ｍ］.北京：中国人民大学出版社，2011.

[5] 普煜.基于具身认知的课堂教学意蕴与改进路径研究［J］．教育参考，2016（03）：35-39． （上接第16页）

[6] 通过将后续的虚拟实验操作作为检测手段，既有助于巩固学生对实验内容的掌握，又能提高实验教学效率。这种“先实后虚”的实验教学方式，能够有效提升实验开展的效率，并培养学生的探究能力。

[7] 纯虚拟，提高实验的可开展性。

[8] 部分超出学生实验操作能力范围、实验设备较为昂贵、实验周期过长、实验步骤过于复杂的实验适合用纯虚拟的方式开展教学。尽管这样会削弱学生的参与感，但对于因现实条件而无法进行的实验，它可以用新颖的方式进行，增强学生对于现代科技的感受，也可以避免教师使用纯讲授的方式开展实验教学。

[9] 以“探究酵母菌细胞呼吸方式”实验为例，该实验周期较长，实验装置安装较为复杂，在实验过程中易出现意外情况，导致实验现象不明显或失败。虚拟实验室的应用可有效解决上述问题，使学生在有限的课堂教学时间内理解并掌握实验现象与实验数据。然而，在具备实验条件的教学环境下，仍应积极开展真实实验教学，并依据实际条件灵活选择教学方式。

[10] 结语

基金资助

江苏省教学科学“十四五”规划课题“基于具身认知下‘小学科学+’教学研究”(JS/2023/ZX0305-02891)

连云港市中小学教学研究课题第十五重点课题“基于具身认知下的跨学科实验教学研究”(2023LYGJKl5-ZD88)