指向高階思維 促進學(xué)習(xí)進階

科學(xué)思維是學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容，科學(xué)教師要注重對學(xué)生高階思維的培養(yǎng)，提升他們的學(xué)科核心素養(yǎng)。在教學(xué)實踐中，教師應(yīng)設(shè)計具有挑戰(zhàn)性的探究活動，引導(dǎo)學(xué)生積極參與科學(xué)探究實踐，經(jīng)歷綜合分析、邏輯推理、問題解決和創(chuàng)新思考等深層次的認知過程，從而促進學(xué)習(xí)進階。

四年級專項學(xué)習(xí)《像科學(xué)家那樣……》一課，重在引導(dǎo)學(xué)生圍繞“擺的快慢與什么因素有關(guān)”探究問題，經(jīng)歷“提出問題—作出假設(shè)—設(shè)計方案—搜集證據(jù)—處理信息—得出結(jié)論—分享交流”的探究過程，其中每一個環(huán)節(jié)都蘊含著對高階思維的培養(yǎng)。教師要通過巧設(shè)進階探究活動，有力地指向高階思維，促進學(xué)生的學(xué)習(xí)進階。

一、經(jīng)歷進階探究，培養(yǎng)學(xué)生思維的深刻性

《像科學(xué)家那樣……》精心設(shè)計了三個層次的進階探究活動，每一次深度探究，都能推動學(xué)生更深入地思考問題的核心，促使他們運用批判性思維探究問題的本質(zhì)，從而培養(yǎng)他們思維的深刻性。

1.初探擺動次數(shù)，發(fā)現(xiàn)問題

認知沖突是激發(fā)學(xué)生積極思維和主動學(xué)習(xí)的強大“引發(fā)器”。學(xué)生在認知上遇到矛盾或困惑時，會產(chǎn)生強烈的求知欲，積極尋求解決方案，從而促進思維的發(fā)展。學(xué)生了解擺的基本結(jié)構(gòu)后，分組制作擺，并測試擺30秒擺動的次數(shù)。通過對比匯總數(shù)據(jù)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)各小組的擺動次數(shù)并不相同，產(chǎn)生了初步的認知沖突，并提出了進階問題“為什么擺的擺動有快有慢”“擺的快慢與哪些因素有關(guān)”，這種對差異的關(guān)注體現(xiàn)出他們對背后原因的探索欲望。

2.再探擺動快慢，發(fā)現(xiàn)差異

為了學(xué)生深入探討提出的問題，教師應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)他們經(jīng)歷一個完整的科學(xué)探究過程，包括大膽猜想、設(shè)計方案、交流討論、分組實驗、數(shù)據(jù)收集和分析，最終得出結(jié)論。在分組實驗中，學(xué)生對擺的長短、擺角的大小、擺錘的輕重進行了對比探究。通過匯總?cè)喔餍〗M的實驗數(shù)據(jù)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)擺的快慢與擺長的長短有明顯關(guān)系，而與擺角的大小和擺錘的輕重關(guān)系較小。這一實驗結(jié)果中的差異引發(fā)了學(xué)生進一步思考：“擺的快慢到底與擺角的大小和擺錘的輕重有沒有關(guān)系？”此時，學(xué)生開始主動反思實驗方法和數(shù)據(jù)的可靠性，他們的思維向更深層次發(fā)展。

3.三探擺動次數(shù)，發(fā)現(xiàn)規(guī)律

對于“擺的快慢到底與擺角、擺錘有沒有關(guān)系”這個問題，教師與學(xué)生共同討論和分析可能的原因：一是實驗器材屬于簡易的；二是人為操作總會存在操作誤差。學(xué)生的好奇心促使他們希望得到更精準(zhǔn)的答案，想要深入探究這些變量之間的關(guān)系。為了消除簡易器材和人為操作誤差的影響，教師引入了光電門數(shù)據(jù)傳感器，通過自動測試、記錄顯示：不同擺角的擺30秒內(nèi)的擺動次數(shù)都是12次，不同輕重擺錘的擺30秒內(nèi)的擺動次數(shù)都是12次。精準(zhǔn)、真實的實驗數(shù)據(jù)，讓學(xué)生清楚地認識到擺的快慢與擺角大小、擺錘輕重之間沒有關(guān)系。

二、改進實驗器材，培養(yǎng)學(xué)生思維的創(chuàng)新性

改進實驗器材是激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維的重要途徑之一。通過改進實驗材料、設(shè)計有效的探究方案，引導(dǎo)學(xué)生在操作中深度思考問題，可以拓寬學(xué)生思維的深度和廣度，提升他們的解決問題能力。

1.針對問題，創(chuàng)新材料

在該課教材的“擺”實驗中，雖然所用器材簡易直觀，但仍然存在操作不便、重心不穩(wěn)、測量不準(zhǔn)等問題。為了克服這些困難，教師對實驗器材進行了三點改進：一是增加旋鈕調(diào)節(jié)功能，通過改變旋鈕高度來調(diào)節(jié)擺線長度，這種設(shè)計明顯提高了實驗的便捷性和有效性，使學(xué)生能夠更加靈活地調(diào)整擺繩長度；二是改變擺錘，由螺絲和螺母組合來替換鉤碼，學(xué)生可以通過增加或減少螺母的數(shù)量來改變擺錘的重量；三是將量角器直接嵌入到實驗器材中（如圖1），學(xué)生可以更快速、精準(zhǔn)地設(shè)置擺角，減少測量誤差，提升了實驗的效率和精確性。改進后的實驗材料具有探索性、實踐性、可操作性和安全性，有助于學(xué)生深入開展擺的實驗探究活動，在探究過程中不斷思考、嘗試和調(diào)整，從而激發(fā)他們的創(chuàng)新思維，增強解決實際問題的能力。

2.運用材料，引導(dǎo)思辨

在實驗探究過程中，假設(shè)的提出和方案的設(shè)計并不是憑空猜測的結(jié)果，而是基于科學(xué)思考的合理推斷。在觀察和比較實驗裝置的過程中，教師逐步引導(dǎo)學(xué)生提出假設(shè)，并通過討論不斷完善實驗方案。發(fā)展了他們的科學(xué)思維和創(chuàng)新能力。

教學(xué)片段

師：請同學(xué)們仔細觀察比較實驗裝置，你們覺得擺的快慢與什么因素有關(guān)？

生：我認為擺的快慢與擺角大小有關(guān)。

生：我認為擺的快慢與擺長長短有關(guān)。

生：我認為擺的快慢與擺錘輕重有關(guān)。

師：擺的快慢到底與擺長、擺角、擺錘有沒有關(guān)系呢？我們可以來一探究竟，如果研究“擺長”這個因素，你們準(zhǔn)備怎么研究呢？

生：我打算用兩個不同的擺來測試一下，一個擺線長，一個擺線短。

生：我可以通過旋鈕來調(diào)節(jié)不同擺長的擺來測試。

師：調(diào)節(jié)旋鈕改變擺長，操作簡單。對這位同學(xué)的實驗方案還有補充的嗎？

生：我認為兩個擺的擺錘要一樣重，這樣才會公平。

師：很有道理。這樣的實驗屬于對比實驗，需要改變的條件只有一個，其他條件要保持不變，還有哪些條件要保持不變？

生：擺角的大小要一樣。

師：仔細觀察器材，如果研究擺錘重量、擺角大小因素時，如何合理改變？

生：擺錘的重量可以通過改變旋轉(zhuǎn)螺母的個數(shù)來改變。

生：擺角的大小可以通過對準(zhǔn)量角器的不同度數(shù)來改變。

3.深入分析，完善方案

為了讓學(xué)生在動手實驗之前深入理解實驗?zāi)康暮筒僮骷毠?jié)，教師引導(dǎo)他們圍繞“還有什么要注意的”展開討論。通過這一環(huán)節(jié)，學(xué)生不僅能夠強化對器材使用方法、操作步驟合理性的理解，還能思考如何確保實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

教學(xué)片段

師：同學(xué)們，我們已經(jīng)有了實驗方案，那么在實際操作實驗過程中，還有哪些細節(jié)需要特別注意呢？

生：擺線自然下垂，要與量角器“0”刻度對齊。

生：螺母要旋在螺絲的中間，這樣擺錘會更穩(wěn)，不容易受外界干擾。

生：調(diào)節(jié)擺長時，旋鈕要擰緊，否則在實驗過程中擺長可能會發(fā)生變化。

生：當(dāng)我們松開擺錘時，手應(yīng)該自然松開，不能施加額外的力量。

生：小組成員要分工合作，及時記錄實驗數(shù)據(jù)。

生：實驗需要重復(fù)3次，取中間值，這樣的實驗數(shù)據(jù)會更準(zhǔn)確。

師：同學(xué)們說得都有道理！

改進后的實驗材料使學(xué)生能夠在自主調(diào)整和優(yōu)化的過程中，深入思考擺長、擺角、擺錘等因素之間的相互關(guān)系。通過提出假設(shè)、設(shè)計實驗方案和完善實驗細節(jié)，逐步提高問題解決能力。

三、尊重實驗數(shù)據(jù)，培養(yǎng)學(xué)生思維的活躍性

尊重實驗數(shù)據(jù)是激發(fā)學(xué)生積極思維的關(guān)鍵。無論實驗數(shù)據(jù)是否與預(yù)期相符，教師都要尊重他們的努力和成果，這樣能夠增強他們的自信心，激勵他們繼續(xù)探究和思考。

1.全面分析實驗數(shù)據(jù)

每個小組的實驗數(shù)據(jù)就像拼圖的碎片，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生全面分析這些數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)各組數(shù)據(jù)之間可能存在的關(guān)系，揭示背后的規(guī)律。在分析數(shù)據(jù)時，教師應(yīng)鼓勵學(xué)生表達觀點、分享見解，并通過討論促進思維的碰撞。

教學(xué)片段

師：請同學(xué)們仔細觀察大家的實驗數(shù)據(jù)，看看你有什么發(fā)現(xiàn)。

生：我從“擺長的研究”匯總表中的“平均值”發(fā)現(xiàn)：擺長較長擺動了11次，擺長適中擺動了17次，擺長較短擺動了25次。由此可以看出，擺長的長短會影響擺的快慢。

師：能具體說說怎么影響的嗎？

生：擺線越長，擺動越慢；擺線越短，擺動越快。

生：我發(fā)現(xiàn)擺的快慢與擺角的大小有關(guān)系：10°擺角平均擺動了12次，20°擺角平均擺動了13次，30°擺角平均擺動了14次。

生：我發(fā)現(xiàn)擺的快慢與擺角的大小雖然有關(guān)系，但差距不大。

生：我覺得關(guān)系很小。大家從各組數(shù)據(jù)來看，第2組、第3組、第7組15°、20°的擺角測試結(jié)果是一樣的，第5組、第6組10°、15°的擺角測試結(jié)果也是一樣的。從這些數(shù)據(jù)來看，沒有影響。

師：這位同學(xué)比較分析了不同小組的實驗數(shù)據(jù)，分析得很有道理！那么，擺的快慢與擺錘有關(guān)系嗎？

生：我認為沒有關(guān)系。從平均值來看，擺錘較輕和擺錘重量適中都是擺12次。

生：我認為有關(guān)系，因為擺錘重時，擺擺動的次數(shù)多了1次。

生：我認為這可能是測量時的誤差導(dǎo)致的。

師：我們可以將各小組實驗數(shù)據(jù)結(jié)合起來分析。

生：從各小組的實驗數(shù)據(jù)來看，有8個小組的測試數(shù)據(jù)相同，所以，我認為擺的快慢與擺錘的重量是沒有關(guān)系的。

該環(huán)節(jié)中，學(xué)生對匯總實驗數(shù)據(jù)進行分析、比較、推理，從多個維度去發(fā)現(xiàn)實驗規(guī)律，運用實驗搜集到的證據(jù)來證明自己的觀點。

2.深入探究誤差原因

當(dāng)不同小組的數(shù)據(jù)存在差異時，教師應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生深入探究引起這些差異的原因。這是一個復(fù)雜且富有挑戰(zhàn)性的過程，需要他們反思實驗方法、質(zhì)疑數(shù)據(jù)收集方式，甚至提出新的實驗改進方法。在此過程中，學(xué)生不僅學(xué)會反思和優(yōu)化實驗設(shè)計，還能夠運用創(chuàng)造性思維提出更合理的解決方案。

教學(xué)片段

師：同學(xué)們，從平均值來看，擺的快慢與擺角、擺錘有關(guān)系，但數(shù)據(jù)相差又不大。大家思考一下，可能是什么原因？

生：可能本身的差異就很小。

生：我覺得可能是操作不準(zhǔn)導(dǎo)致的誤差。

生：也可能是實驗器材造成了小的誤差。

師：為了讓實驗數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，避免人為誤差，今天我們借用傳感器來自動測試。（出示傳感器）這是光電門傳感器，擺在擺動的過程中，通過光電門會自動記錄次數(shù)。這是數(shù)據(jù)采集器，與電腦相連，采集到的數(shù)據(jù)會直接顯示。下面讓我們一起來見證數(shù)據(jù)。

（學(xué)生觀察數(shù)據(jù)。）

師：仔細觀察測試數(shù)據(jù)，你有什么想表達的？

生：我發(fā)現(xiàn)擺的快慢與擺角大小、擺錘輕重是沒有關(guān)系的。

生：我們要學(xué)會運用傳感器這樣先進的設(shè)備，測出更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。

該環(huán)節(jié)中，學(xué)生在深入探討數(shù)據(jù)差異的原因時，思維不斷進行碰撞，認為“人為數(shù)據(jù)誤差”是關(guān)鍵。教師借助光電門傳感器，突破了這一難點，提高了實驗數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性，使學(xué)生認識到數(shù)據(jù)的重要性。

（作者單位：江蘇省丹陽市華南實驗小學(xué)）