【实验教学】小学科学 | KI理论视角下小学科学实验教学模式研究——以“水结冰了”一课为例

【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。

【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“主张一证据一推理”(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“主张一证据一推理”(CER)框架开展实验教学。

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。

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。

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。

“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。

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。

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。

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