基于“证据-推理”建构科学观念的路径与策略

摘    要：“证据-推理”是协作与会话最主要的表征与载体，以其为工具，可以全面提升学生的沟通素养与合作素养，引导学生形成科学观念。教师需要分析科学观念的内涵，明确经验知识、科学知识、核心概念、科学观念的进阶关系。具体教学中，教师可引导学生感知现象以提出观念，协作会话以论证观念，进行实验以印证观念，分析评价以应用观念，并注重选择史料情境以发掘证据宝库，营造协作会话以提供事实证据，借助多重证据以促进意义建构，从而充分唤起学生的证据意识，提升学生的科学学科素养。

关键词：证据-推理；科学观念；观念建构

科学观念是在理解科学概念、规律、原理的基础上形成的对客观事物的总体认识，其形成不可能一蹴而就，而是需要一个建构的过程。这就意味着要以学生的原有认知和知识经验为起点，通过有序递进的教学结构，充分引导学生小组合作，使其在获取事实与证据的基础上，运用合理的推理论证达成意义建构，进而形成科学观念。但当前仍有不少教师将科学观念等同于科学知识，热衷于知识传授，这使得课堂与核心素养培育相去甚远。下面，笔者先探讨科学观念的内涵，再以浙教版义务教育教科书《科学》九年级上册第4章第3节《体内物质的运输》中的内容“心脏和血管”教学为例，对基于“证据-推理”建构科学观念的路径与策略进行探究。

一、科学观念的内涵

《义务教育科学课程标准（2022年版）》指出科学观念具有概括性、总结性和综合性，其二级指标包括：科学、技术与工程领域的具体观念；对科学本质的认识；对人与自然关系的认识；对科学、技术、社会、环境之间关系的认识；在解释自然现象、解决实际问题中的应用等。在理解和表达科学观念时，有些教师容易将经验知识、科学知识、核心概念、科学观念混淆，导致理解不到位或表达不当。实际上，它们之间存在较为明显的进阶关系，具体如图1所示。

以生命科学为例，其涉及的科学观念有细胞观、生物分类观、结构与功能观、系统与模型观等。在“心脏和血管”教学中，若不能将学生的科学观念提升到“结构与功能相适应”这一高度，那么学生所习得的知识就会散落一地不成体系，更谈不上迁移应用了。但观念不能来自教师的直接灌输，而是要来自学生内心的生长和认同，因此需要教师巧妙地引导学生去建构。

二、基于“证据-推理”建构科学观念的路径

建构主义学习理论认为学习环境有四大要素（或属性），分别是：情境、协作、会话、意义建构 ［1］。其中，“协作”“会话”与“5C核心素养”有着相同的课堂学习价值取向，即注重真实的学习和学生团体合作，而“证据-推理”则是协作与会话最主要的表征与载体。以“证据-推理”作为工具，可以全面提升学生的沟通素养与合作素养，使讨论得出的结果充分内化并达到意义建构的高度，进而形成科学观念。

科学观念的内在属性不但决定了它的特质，也体现了它在科学和科学教育中的实际价值［2］。基于“证据-推理”建构科学观念，既有利于科学观念的形成，也能立足不同类型的推理论证培养学生的科学思维，如在求证的实践中提升学生的探究综合能力，在实验事实中引导学生领悟科学家精神的态度责任等。

在“心脏和血管”教学中，学生需要发展的科学观念有“结构与功能相适应观”“实验观”“生物进化观”等。笔者设计了4个教学环节，结合相应的学习情境，通过问题驱动学生展开思辨，进而建构科学观念。基于“证据-推理”建构科学观念的路径如图2所示。

（一）感知现象，提出观念

这节课以静脉注射这一生活情境引入，提出问题：“为什么药物通过静脉注射就能到达伤口处呢？”由于对血液循环有一定的认知基础，因此学生会进而思考“究竟是怎样的结构会产生如此的功能”，这就使得学生从对血液循环这一功能的认识转向对循环系统这一结构的学习，从而为“结构与功能相适应”这一科学观念的建构奠定基础。

（二）协作会话，论证观念

这一环节，学生的主体任务是阅读并思考讨论，即围绕“盖伦的奇思妙想”及“哈维的实验和推论”展开协作与会话。

盖伦在对动物心脏进行仔细观察的基础上提出了“潮汐运动说”，主要观点有：（1）推测左右腔体间有小孔，血液可以互相流通；（2）肝脏将食物转化为血液，被心脏送到全身后又被吸收；（3）血液在人体内像潮汐一样涨落运动。

学生需要思考讨论的问题是：（1）你认同盖伦的观点吗？（2）你对盖伦的研究方法能提什么建议或意见？（3）哈维有哪些证据与盖伦的观点相矛盾？（4）科学家得出这些结论还有哪些证据？（5）基于已有的证据，你可以做怎样的推理？

在此过程中，笔者反复启迪学生不断进行“证据-推理”过程，并对心脏的结构作出相应的假设。

（三）进行实验，印证观念

严谨的证据推理过程能够帮助学生建立起血液循环是从静脉到心脏再到动脉的认识过程。但哈维预测应该还有一种连通最小动脉与最小静脉的血管，这就需要通过实验进行更直观的验证。

因此这一环节，学生的任务是开展“猪心注水实验”和“观察金鱼的尾鳍实验”。学生通过实验验证了“在心脏外和心脏内，血液都是单向流动的”，以及毛细血管的真实存在。这就回应了学生之前思考的问题“究竟是怎样的结构会产生如此的功能”。在反复经历了“从结构到功能”和“从功能到结构”的“证据-推理”之后，“结构与功能相适应”这一科学观念也逐渐深入学生的心中。

（四）分析评价，应用观念

为了使学生对“结构与功能相适应”这一科学观念能有进阶的认识，教师可以播放“脊椎动物心腔的演化史”视频，让学生结合“结构与功能相适应”的科学观念，推测它们分别是哪种脊椎动物的心脏，并说明理由。这既是对这节课相关知识的迁移和应用，也是对学生科学观念水平的再次评价。

三、基于“证据-推理”建构科学观念的策略

科学观念的正确建构离不开获取证据和推理论证的过程，在科学课程的学习中，证据是任何科学问题和主张在推断时必须引用的事实数据。学生的证据主要来源于生活经验中的各种事实、实验中产生的数据和现象、实地考察和调查的结果，也包括科学史上科学家的理论和观点等。“证据-推理”实际上就是将科学知识与观念建立关联，当然需要审辩式思维等参加。基于“证据-推理”建构科学观念可采用如下策略。

（一）选择史料情境，发掘证据宝库

情境是学生与客观环境之间互动的结果，具有交互性，适切的情境能促使学习共同体发生协作与交流。诚然，若能在课堂学习中引入真实情境，将以解决问题为导向、以整体项目实施为内容的方案等作为抽象性证据，则更有利于进行科学论证，发展学生的科学观念水平，但遗憾的是教材中这节内容严重缺失这样的学习情境，而这也是其学习难度增加的原因之一。

为弥补这一短板，笔者将目光投向科学史，把心脏的结构当作学生研究的“黑箱子”，带领学生阅读科学史中典型科学家的研究历程（如图3所示）。总体来说，这一教学过程是让学生通过阅读提出科学问题，自主寻找证据并组成证据链，然后依托证据进行科学推理，进而实现科学观念的进阶。

（二）营造协作会话，提供事实证据

课堂上的协作与会话既可以发生在学习小组内部，也可以发生在学习小组与学习小组之间，还可以发生在教师与学习小组之间。在这堂课中，学生在通过小组合作获取事实证据时，主要进行了三个实践：一是猪心的观察和解剖实验；二是探索静脉中血液的流动方向；三是在显微镜下观察小金鱼尾鳍内的血液流动。

如对问题“如何设计实验探究血液在心脏内部的流动？都有哪些证据？”，学生经过讨论后，认为证据主要集中在以下两个方面。

一是来自哈维的发现与推理的结果。学生认为，心脏左右腔体间不相通，而哈维的计算结果也证伪了盖伦的“潮汐运动说”，从而推理得出人体内血液是重复使用的这一事实。

二是以设计实验方案的形式提供证据。学生提出可以往猪心的4根血管里分别注水，观察并记录现象，从而获取心脏内血液是单向流动还是双向流动的证据。

学生通过实验获取证据，得出心脏内部的血液是从心房到心室单向流动的，并推理得出在心房和心室中间必定有一个结构是与这个功能相适应的。随着对猪心的进一步解剖，学生观察到了房室瓣的存在，建构了房室瓣的模型，发现其功能类似于厨房中的油烟阀。如此循环，经历从假设到证据再到推理形成新的假设的过程，学生递进式完成了多次“证据-推理”。

（三）借助多重证据，促进意义建构

科学观念的意义建构，是一个在特定的学习情境下，借助多重证据、反复推理论证，并基于协作与会话逐步内化的过程。如图2所示，这堂课总共进行了5次“证据-推理”过程，引导学生分别建构了“实验观”“结构与功能相适应观”“生物进化观”等科学观念。需要指出的是，图2中的“证据1”虽然被证伪，但恰恰能使学生理解实验的不可替代性和追求实事求是的朴素唯物观。

综上，基于证据进行逻辑推理的科学思维方式，能引导学生分析、思考生命现象背后的科学本质，并尝试运用证据作出合理的解释，从而充分唤起学生的证据意识，提升学生的科学素养。这也提示教师在研读教材时，需要拥有更宽阔的视野。只有这样，教师才能不拘泥于教材，更科学地设计教学，引领学生建构科学观念，提升核心素养。这也是当代科学教师综合素养的一部分，需要全体科学教师的共同努力。

参考文献：

［1］何克抗.建构主义：革新传统教学的理论基础：上［J］.电化教育研究，1997（3）：3-9.

［2］吴俊明，吴敏.为什么要关注科学观念：关于科学观念和科学观念教育的思考之一［J］.化学教学，2014（4）：3-6，13.