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本文共5110字，仔细阅读需13分钟编辑/肖静 王璐 统筹/孙习涵本文为思维智汇第768篇原创文章周五
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※ 如何设计教学让思维显性化？
培养具有科学素养的公民，是科学教育的重要目标。义务教育新课程标准指出，科学核心素养包含四个维度即科学观念、科学思维、探究实践、态度责任，其中科学思维又是核心素养的关键。
科学思维是指从科学的视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式，主要包括模型建构、推理论证、创新思维等。这些都是物理学科在探索自然和建构理论体系过程中运用的典型思维方式，也是学生学习和运用物理知识和方法的过程中必备的思维能力。
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在物理常态教学中很容易进行知识的教授，而忽略了让学生经历科学思维的过程。为了改变这一现状，笔者尝试开展科学思维的显性化教学，利用“寻找证据支持、借助模型建构 、遵循推理论证、巧用解释支架、设计定量探究”等策略提升推理论证能力，形成理性思维、证据意识实事求是的科学态度。
如何整体设计让科学思维显性化
教育不是事实性知识的累积，也不是教师将思维传递给学生的过程，而是学生个人的思维过程。同时帮助学生形成结构化的知识，有助于理解知识之间的逻辑关系。笔者对“大气压强”内容进行梳理，建构教学内容框架，如图1所示。
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▲图1 “大气压强”教学内容框架图本节内容主要解决三个问题：
①大气压存在吗？②大气压有多大？
③气压受哪些因素影响？
第一个问题解决需要寻找证据支持借助模型建构解释现象，第二个问题解决需要定量的实验测量，第三个问题解决需要设计实验探究，通过获取证据分析推理论证得到结论。
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学习科学的价值之一就在于能运用科学知识解释自然现象，解决实际问题。最终理解“物质是运动的并相互作用的，科学知识有赖于证据的”等核心概念，形成科学观念。
1寻找证据支持 激发创新思维
科学中的“证据”通常是指科学收集的数据，是自然界中的现象或实验室条件下的数据以及前人研究的结果，这里现象和数据都可以称作信息，其中被用来推理论证的依据的信息我们称之为证据。
问题1：大气对浸在其中的物体，会产生压力吗？有哪些证据支持？
学生设计并展示实验方案，如图2、3、4所示。
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▲图2覆杯图片
▲图3瓶吞蛋图片
▲图4吸盘实验1：覆杯实验。在杯中装满水，杯口放上硬纸片，然后倒立，观察水不会流出。解释：以塑料片作为分析对象，一侧是水的压力，另一侧是大气的压力，所以塑料片不会掉落。实验2：瓶吞蛋实验。加热瓶内空气，将鸡蛋放在瓶口，观察到鸡蛋慢慢钻进瓶中。解释：由于杯内气体受热膨胀溢出，冷却后气压减小，在大气压的作用下鸡蛋被压进瓶中。实验3：吸盘实验。利用一个可以密封的塑料盒，一侧不作处理，一侧开若干小孔。一侧吸盘能吸住另一侧吸不住。解释：没有开孔这一侧，吸盘内的气体被排出，气压减小，在大气压的作用下压住了吸盘。在开孔这一侧，吸盘内的气体无法排出，吸盘内外气压接近，所以无法压住。归纳本质：大气可以“压住”某物体的本质是在该物体两侧产生气压差。图片
学生利用身边的物品设计出能证明大气压存在的实验，激发了学生的创意思维。创新思维体现在：从不同角度分析、思考问题， 提出新颖而有价值的观点和解决问题的方法。
问题2：覆杯实验中的卡片不会掉落，有没有可能是水吸住了塑料片，而不是大气压住的？如何证明？
学生寻找证据：
①将覆杯实验放入真空罩中，将杯子悬挂起来，如图5，然后抽气，观察塑料片是否下落；②用矿泉水瓶做覆杯实验，然后将瓶盖旋开，如图6，塑料片下落；
③倒扣在水中的塑料杯装满水，在杯底扎个洞，如图7，水下降至与外界液面相平。
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▲图5抽气法图片
▲图3通气法图片
▲图4通气法证据①是采用将一侧大气排出的思路，证据②和③是采用将一侧与大气相通的思路。这提供了一种欲证明某事物作用的思路即去除该事物或加强该事物再观察其效果。
学生能利用反证法的思路来设计实验进一步证明大气压的存在，使思维更加严谨。排除了其他因素的干扰，使结论更加可靠。这也是科学常用的思维方式，不仅需要证明支持的假设成立，也需要反驳其他假设存在的可能。
2借助模型建构 促进思维可视
模型建构体现在：以经验事实为基础，对客观事物进行抽象和概括，进而建构模型；运用模型分析、解释现象和数据，描述系统的结构、关系及变化过程。
问题1：吸管吸饮料是吸上来的还是大气“压”上来的？
用注射器代替口腔的抽气作用，模拟吸饮料，观察发现液柱上升。
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提供分析支架：画出情境图——用疏密不同的点表示气体的疏密——用物理量符号P标注不同区域的气压——比较不同区域的气压大小——判断在气压差的作用下液面发生变化。
师生分析：利用模型和支架分析，如图8所示。
解释：由于口腔的作用导致气体减少，吸管的气压P减小，液面上方的大气压P0大于吸管内的气压，所以液体在大气压的作用下沿着吸管上升。
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▲图8模型建构图片
▲图9密封吸水在利用模型来分析和表示现象发生的原因和过程，让思维可视化，学生理解起来就容易多了。模型是一种工具，有利于学生利用工具解决问题。
问题2：如果将容器密封，还能吸上来吗？
学生合作利用注满水的烧瓶，密封，拉动注射器活塞欲“吸出”液体，如图9所示。实验显示不能成功吸出液体，说明没有大气压的作用即没无法形成气压差。
问题3：利用大气压这一原理在生产中有什么应用价值呢？
如果想检查实验室收集气体的排水装置，左边导管为进气口，右边导管为出水口，如图10所示。如何检查这套装置的气密性是否良好？
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▲图10气体收集装置图片
▲图11气密性检查在集气瓶中装入一定量的水，左边进气口处接上注射器，右边用止水夹夹住，形成密封的系统。推动注射器往集气瓶中打气或抽气，观察现象，如图11所示。当打气时玻璃管中形成稳定的水柱表示气密性良好。同样用模型建构的方法可以解释这一现象和原理。
3遵循推理论证 识别因果关系
推理论证体现在：基于证据与逻辑，运用分析与综合、比较与分类、归纳与演绎等思维方法，建立证据与解释之间的关 系并提出合理见解。
现象一：高山上米饭煮不熟，因此在高山上需要携带高压锅。
提出问题：是什么原因导致米饭煮不熟？
教师提示：外界环境是高山上，结果是米饭煮不熟，这两者之间存在怎样的关联？
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学生分析：饭煮不熟——米饭温度低——水的沸点低------高山气压低——高山海拔高（气体稀薄）。可以由两头往中间推，海拔高大气稀薄是气压低的主要原因，而饭煮不熟是水温度低，沸点低。在沸点和气压之间存在关联。
建立假设：气压越低，沸点越低。
学生实验，收集证据，如图12所示。
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▲图12沸点与气压
加热烧瓶中的水至沸腾，用注射器给沸腾水注入空气，水停止沸腾。正在沸腾的水，撤去酒精灯，停止沸腾，用注射器抽气，发现水又重新沸腾。或者用冷水冷却烧瓶，也能发现同样的现象。
学生分析：改变了水上方的气压是原因，引起的结果是水的沸点改变，温度改变。所以得到结论是气压越低，水的沸点越低。因此可解释高海拔地区饭煮不熟的原因。
现象二：窗外有风吹过，窗帘却向外飘出。
提出问题：窗帘发生运动的原因是什么？
学生分析：窗帘向外飘出——窗外气压低于室内气压——窗外气体流速大。
建立假设：气体流速越大，气压越低。
学生实验，收集证据，如图13、14、15所示。
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▲图13乒乓球悬停图片
▲图14吸管喷水
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▲图15机翼模型从实验中观察到乒乓球悬停在空中；水顺着吸管往上爬且喷出；飞机机翼模型上升。共同的因素都是气体流速发生变化，引起气压发生改变，在气压差的作用下发生运动。
现象三：自行车在烈日下暴晒，车胎容易发生爆炸。压缩一段封闭在注射器内的空气，发现越压缩越费劲。
提出问题：一定质量的气体产生的压强与哪些因素有关？
建立假设：一定质量的气体，温度越高，压强越大。一定质量的气体，体积越小，压强越大。
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为验证假设1，方案设计如下：
①取一根长约为1米一端封闭的玻璃管，在室温(20℃)下用水封闭一端空气柱，将玻璃管竖直固定，并在玻璃管上标出水下表面的位置。
②将空气柱浸入50℃的水中，待水银柱不在上升后，往玻璃管内注入水，直到水柱下表面到达标记处为止。如图16所示。实验表明：一定质量的气体，温度越高，压强越大。
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▲图16空气升温让学生经历从现象出发，提出问题，建立假设，设计实验，获取证据，得出结论等探究过程。三个现象的背后都有共同的原因是气压的改变，但引起气压改变的原因又各不相同，通过分析推理，让学生进一步理解现象与背后的原因，明确其中的因果关系。
4巧用解释支架 培养科学表达
科学解释是指基于经验事实，运用科学知识和科学推理解释实验中或生活中的科学现象。设计科学解释的评价量表（见表1）。
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▲表1 科学解释的评价量表引导学生学习PTDR解释框架和评价量表。PTDR框架即指“现象-理论-资料-推理”，如图17所示。资料是通过对现象的分析获取的事实信息，科学知识包括概念、规律、理论等，然后利用资料和科学知识进行推理。
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▲图17 PTDR解释框架生活现象：向水杯中倒入半杯开水，盖上杯盖拧紧，冷却一段时间，发现杯盖拧不开了。请结合气压知识解释上述现象。
引导学生解释，并利用评价量表进行自我评价。师生交流改进后的解释，如图18所示。
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▲图18 生活现象解释科学解释是运用科学知识的常见形式，它不是科学理论和科学资料的随意堆砌，而是符合逻辑关系的推理过程。借助PTDR解释框架作为显性化脚手架支持，有利于科学解释能力的提升。
5设计定量探究 理解科学本质
覆杯实验说明大气可以托起一定量的水，那么最多可以托起多少高的水柱呢？查阅资料告诉我们历史上有人做过这个实验，大气可以托起10米多高的水柱。科学家托里拆利用水银来做实验，大气能托起了760毫米的水银柱，所以人们通常把这个值称为标准大气压，通过公式计算可知标准大气压为1.01*105帕。
在实验室条件下我们可以设计出粗略测量大气压的方法。
任务一：利用吸盘、玻璃板、弹簧测力计等工具粗测大气压。
设计方案：用蘸水的吸盘放在光滑的玻璃板上，用力挤压吸盘，排尽吸盘内的空气。用弹簧测力计钩着挂钩缓慢向上拉，直到吸盘脱离玻璃板面。记录此时弹簧测力计的示数为F，即为大气对吸盘的压力，如图19所示。
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▲图19洗盘测量法
任务二：利用注射器、橡皮帽、弹簧测力计等工具粗测大气压。
设计方案：读出注射器的容积V，量出注射器有刻度部分的长度L，利用S=V/L计算出注射器活塞的面积。
把注射器的活塞推至低端，排尽注射器中的空气，然后用橡皮帽封住注射器的小孔。用细线拴住注射器活塞的颈部，细绳一端与弹簧测力计相连，沿水平方向慢慢拉动注射器外筒，当注射器活塞开始滑动时记录下弹簧测力计的示数F，如图20所示。
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▲图20注射器测量法让学生像科学家一样开展科学实践，更好地发展对科学的理解。科学的发展从定性研究到定量研究，定量化是科学的一大特点，因此测量方法和测量技术也成为科学的一部分，技术和科学的发展相互促进。
科学思维显性化的教学思考
研究表明运用科学思维解决问题是认知性教学结果，故科学思维应该被显性化地教。教师自身需要对科学思维有深刻的理解才能指导具体的教学行为。在教学目标设计时应将科学思维内容作为显性教学目标，正如本节内容的问题解决分别运用了模型建构、推理论证、因果分析、定量探究等科学思维方法。
显性化教学还体现在教学话语中，引导学生注重知识的产生方式，科学知识的形成非常地（但不是全然地）依赖观察、实验证据、合理的论证以及怀疑的态度。
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科学课程标准指出科学探究是科学家们用以研究自然并基于此种研究获得的证据提出种种解释的多种不同途径。也是学生们用以获取知识、领悟科学观念、学习和掌握方法而进行的各种活动。
所以课堂上要让学生像科学家一样思考和实践，组织学生从提出问题，建立假设，设计方案，收集证据，分析论证，得出结论，表达交流，丰富了学生的学习体验，在探究过程中掌握科学技能，培养科学思维，理解科学本质。
科学教育是对自然现象与过程成因的解释，彼此检视、批判和反思的过程。我们相信通过科学思维的显性化教学提升学生的证据意识、推理论证能力以及对科学本质的认识，从而提升师生的科学素养。
作者 | 杭州市文海实验学校 颜石珍编辑 | 肖静统筹 | 孙习涵图片
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