指向科學思維發展的實踐活動設計

科學課程標準指出，科學思維是落實核心素養的核心和關鍵，探究實踐是科學學習的主要方式，是培養學生科學思維能力的主要途徑。科學思維只有在需要思維的學科實踐活動中才能自主發生，我結合三次試教《制作鐘擺》這一課，嘗試在教學中注重學生科學思維的發展，培養他們的科學思維能力。

《制作鐘擺》是五年級“計量時間”單元的第6課，與前面的兩節課組合成擺的研究，屬于一個連續的研究版塊。通過前幾節課的學習，學生已經知道單擺具有等時性，也清楚擺的擺動快慢與擺繩長短有關：擺繩越長，擺動越慢；擺繩越短，擺動越快。在本課的研究中，學生用調節擺繩長度的方法來調節擺的快慢，最終制作一個1分鐘擺動60次的擺，也就是機械擺鐘的鐘擺。

一般情況下，本節課的教學重點會落在調試擺線長短的活動中，操作多于思考。為了加強學生的思考空間，促進動腦與動手結合，提升學生的思維發展，我對本課進行了多次改進。

一、挑戰性任務，為思考確定難度

經過對教材和學生的分析，我制訂了本課的教學目標：根據已知擺繩長度與擺動快慢間的關系，熟練應用“擺繩越長擺動越慢，擺繩越短擺動越快”這一規律，制訂調試方案并根據測得擺動快慢變化的數據，自主調試完成1分鐘擺60次的擺；在實踐探究中，學習細心觀察、準確測量、有據推理、嚴謹求證，能對新問題的研究保持積極的探究欲望。基于此，我確定了本課的挑戰任務——15分鐘制作一個1分鐘擺動60次的擺。

該挑戰任務是基于對學生的知識經驗、認知水平進行綜合評估，確立的符合學生最近發展區并能讓他們自主解決的任務。要在15分鐘完成挑戰任務，就意味著學生必須放棄1厘米1厘米改變擺繩長度的機械操作的想法，而是要運用已知的規律，思考怎樣才能在最短時間內、用更少的調試次數準確地完成任務。同時，這一任務還體現了分層的特點：“準確”是普適性要求，“高效”則是對學有余力的學生提出的更高要求，在“跳一跳可以摘到桃子”的刺激下，讓學生自主思考，學以致用，解決問題。

二、鋪墊性的數據，為思考提供素材

在第一次試教時，我只是回顧了擺繩在長、中、短情況下擺動快慢的變化規律，并沒有相應的具體數據，然后引導學生思考“如何制作1分鐘擺動60次的擺”，他們比較茫然。教師如果不引導學生明確方案，會導致他們的思維無法得到有效發展。

怎樣才能讓學生有理有據地設計方案，在自主思考實踐中，有效調整擺繩長度完成1分鐘擺動60次的擺呢？我對出示任務前的教學環節進行調整，在回顧“擺繩越長，擺動越慢；擺繩越短，擺動越快”這一規律之外，還提供了一組相應的數據（見表1），通過展示不同擺繩長度和30秒擺動次數的具體數據，幫助學生將“長、短，快、慢”概念性的描述與具體數據相對應，并基于此引導他們推測自己組的擺1分鐘擺動的次數。

師：同學們看看自己小組這個擺的擺繩長度，預測它1分鐘大概會擺動幾次？

生：我們組擺繩長32厘米，我估計大概會擺動52次。

師：這樣預測的理由是什么？

生：因為上面表格里擺繩長36厘米的擺，30秒大概擺動25次，我覺得我們組的擺應該比這個多。

（有了這個預測，教師順勢提出測試數據的任務。）

師：這樣的預測到底對不對呢？請同學們測量出自己小組的擺1分鐘的擺動次數，總共3分鐘，可以重復測試，選擇最準確的數據，寫到匯總表里（見表2）。

兩組鋪墊性的數據，不僅將描述性的規律轉換成具體數據，與本節課要學習的內容建立聯系，而且學生通過估計、測量各組原始的擺動次數，匯總形成一張統計表。學生觀察統計表發現規律，思考1分鐘擺動60次的擺，擺繩長短大概處在哪個區間，為后續解決問題作鋪墊。

三、思考性記錄單，幫助開展實證研究

對高年段學生來說，這節課如果先動手操作再反思改進，對他們的思維要求不高，容易導致他們形成思維惰性、不動腦就動手的習慣。因此，我們提供方案設計單、指導錦囊（如圖1、圖2）和活動記錄單，給學生搭建完成挑戰任務的支架，幫助他們邊合作、邊實驗、邊記錄、邊思考。

方案設計單中“擺的現狀及分析”，主要是引導學生對擺原有擺動次數的分析，確定擺動快慢的現狀，各組可以基于現狀分析交流確定調試方案，待初步方案明確領取記錄單后才能動手實驗。“指導錦囊”供有需要的小組學習和使用。在確定方案的過程中，學生不僅討論怎么調的方法，還會思考為什么要這樣調試，長此以往，就可以培養他們養成先思考方法再動手實踐的習慣。

本次教學的記錄單與教材中也有不同（見表3），它不僅僅呈現每次調試的結果，還包含了怎么想和怎么做的調試過程。記錄單的“次數”一欄與任務要求“用最短的時間、更少的次數”相呼應；“改進方法”一欄主要是引導學生每次調試都是基于擺的現狀，主動運用影響擺動快慢因素的規律分析下一步調試的方法；“擺繩長度”“擺動次數”“是否達成目標”和“分析”這四欄主要指向的是調試結果，這也是下一次調試方法選擇的重要依據。通過這四欄信息的記錄與分析，學生很清楚地知道每次調試后與任務要求“1分鐘擺動60次”之間還有多少差距，幫助他們反思調試的方法是否合理，思考改進調試策略。

有的小組因為擺的原始擺繩長30厘米、1分鐘擺動50次，狀態偏慢，所以第一次就將擺繩長從30厘米縮短至25厘米，然后慢慢調試。有的小組分析比較班級匯總表和自己小組的原始數據發現，有一個小組擺繩長16厘米擺動67次，自己小組擺繩長30厘米擺動51次，所以判斷1分鐘擺動60次的擺繩長度范圍應該在16～30厘米之間，因此確定第一次先試20厘米，然后根據調試結果調整，最后通過兩次調試就完成了任務（如圖3）。

有的小組發現第一次調到25厘米，擺動偏慢，就將擺繩長度縮短至15厘米，發現擺動偏快了，又把擺繩長度增長為17厘米，結果還是偏快，所以就多增加一點長度，把擺繩調到22厘米，最終成功（如圖4）。有的小組第一次增長了4厘米，發現跟目標比較接近了，有意識地縮小下一次繩長調整的長度，慢慢接近成功的結果。

學生不斷運用已知規律，靈活思考改變調試方法，在解決問題的過程中對標具有探究精神、合作精神的實踐者慢慢成長。

四、基于證據的研討，提升思維的準確性

沒有研討或者把得出簡單結論作為研討的探究活動，是無法真正促進學生思維發展、提升核心素養的，充分的互動研討是學生思維火花綻放的重要保障。學生只有積極思考交流，對中介材料進行加工、改造、創造，有理有據地表達，有質疑、有辯論、有辨析，才能最終實現思維深度發展。

本節課設計了兩個研討問題：我們是怎樣完成任務的？1分鐘擺動60次的擺，擺繩長短有什么特點？其中“怎樣完成任務”這一問題，是為了更好地反饋幫助教師“掌握”學生思維的發展，同時開闊他們的思路，促進他們創新思維和方法上的迭代。課堂上，不同小組解決問題的方法各不相同，有的小組在完成制作1分鐘擺動60次的擺之后，仍重復驗證（如圖5-a）；有的小組在完成任務后改變長度進行反證，最大程度追求結果的準確性；有的小組為了追求高效，調試每10秒鐘擺動的次數（如圖5-b），也有測20秒和30秒的，并在此基礎上繼續重復測試60秒擺動幾次。學生能如此自主地進行驗證性測量，不僅僅體現了思維的嚴謹性，也體現了實事求是的科學態度。

有了上述的探究過程，關于“1分鐘擺動60次的擺，擺繩長短有什么特點”這一問題，每個小組都有了自己的答案。課的最后，我沒有明確到具體的數值，而是引導學生基于各組的實驗結果數據進行思辨，最終將答案確定在21～24厘米這一區間。公開研究所得的數據，以證據為基礎，開展交流研討，可以鼓勵學生客觀準確地表述結果，幫助他們建立“科學知識是可以隨著新證據的增加不斷被完善和深入，甚至會變化”的科學觀念，進而提升他們思維的準確性。