著眼培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維教學(xué)《影子的秘密》

科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)指出，創(chuàng)新思維體現(xiàn)在從不同角度分析、思考問(wèn)題，提出新穎而有價(jià)值的觀點(diǎn)和解決問(wèn)題的方法。創(chuàng)新思維不是憑空產(chǎn)生的，而是學(xué)生在課堂中一系列邏輯問(wèn)題鏈的任務(wù)驅(qū)動(dòng)與深入思考中慢慢形成的，這要求教師充分挖掘科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)與教材中的素材，創(chuàng)設(shè)合理的教學(xué)過(guò)程，從而循序漸進(jìn)、由淺入深地在課堂中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

《影子的秘密》一課主要涉及探究影子成因與影響影子變化的因素的相關(guān)知識(shí)。學(xué)生在美術(shù)課和英語(yǔ)課中接觸過(guò)影子，玩過(guò)手影游戲，也學(xué)習(xí)過(guò)影子的變化規(guī)律，對(duì)影子的形成和變化過(guò)程有初步的認(rèn)識(shí)。在深入挖掘教材、科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)并分析學(xué)情后，本課教學(xué)圍繞“影子的變化包括形狀、大小和長(zhǎng)短的變化，影響影子變化的因素包括光源角度、距離、物體的擺放方式”展開，以影子畫為創(chuàng)新思維點(diǎn)，從有趣的影子畫出發(fā)，借助開放的任務(wù)情境，推動(dòng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)影子產(chǎn)生和變化的秘密，幫助他們獲取知識(shí)的同時(shí)，進(jìn)行創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)與制作。

一、創(chuàng)設(shè)情境，聚焦設(shè)計(jì)需求

合理的任務(wù)情境，能激發(fā)學(xué)生主動(dòng)求知的興趣，引導(dǎo)他們進(jìn)入深度思考的狀態(tài)，將他們的注意力快速聚焦到待研究的問(wèn)題上。教師帶領(lǐng)學(xué)生欣賞神奇的影子畫，引導(dǎo)他們關(guān)注想象力和影子相結(jié)合可以用于藝術(shù)創(chuàng)作，在觀察中制造認(rèn)知沖突——影子畫是怎樣形成的，從而進(jìn)一步分析制作影子畫的條件，也就是思考并挖掘設(shè)計(jì)需求，為創(chuàng)作影子畫奠定基礎(chǔ)。

教學(xué)片段一

（教師出示橘子變成創(chuàng)意影子畫的魔術(shù)。）

師：橘子是怎么變成“孩子”的？

生：光照在橘子上，被橘子擋住，在紙上形成了影子，畫上一些細(xì)節(jié)就變成了“孩子”。

師：沒(méi)錯(cuò)，這也就是影子形成的過(guò)程，光在傳播過(guò)程中遇到了物體，被擋住了，最終在屏上形成了影子，當(dāng)我們?cè)偌尤胍恍┫胂罅Γ统闪擞白赢嫛＝裉煳覀円瞾?lái)制作影子畫，制作影子畫都需要什么呢？

生：需要光、物體和紙。

師：需要什么光呢？能不能具體說(shuō)說(shuō)。

生：可以借助太陽(yáng)或者手電筒、燈光等。

師：像你們所說(shuō)的太陽(yáng)、手電筒、燈等會(huì)發(fā)光的物體，我們稱之為光源。剛剛你們提到了物體，這個(gè)物體是做什么用的？

生：把光擋住形成影子。

師：也就是充當(dāng)了阻擋物的作用。紙的作用呢？

生：可以讓我們看到影子，還可以用來(lái)畫畫。

師：除了紙，在生活中我們還能在哪里看見(jiàn)影子？

生：地上、桌子上。

師：像紙、地面、墻壁、桌面等可以接收影子的載體，我們稱之為投影面，也就是屏。所以，我們能觀察到影子至少需要哪些條件？

生：光源、阻擋物、投影面。

師：沒(méi)錯(cuò)，這就是影子產(chǎn)生需要的因素，也是我們制作影子畫的必要條件。

教學(xué)片段中，教師充分利用由淺入深、層層遞進(jìn)的問(wèn)題鏈，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)事物的直觀印象進(jìn)行歸納，使他們發(fā)現(xiàn)影子的成因并描述影子的形成過(guò)程。同時(shí)，以設(shè)計(jì)思維為主線，學(xué)生在制作影子畫的任務(wù)驅(qū)動(dòng)中，圍繞需求思考制作影子畫的材料，歸納總結(jié)影子產(chǎn)生的必要條件。學(xué)生從不同的角度思考問(wèn)題，將所需材料聯(lián)系生活實(shí)際，自主發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生影子的條件缺一不可，將創(chuàng)新思維具象化。

二、圍繞設(shè)計(jì)，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案

設(shè)計(jì)思維的特點(diǎn)是可以對(duì)作品（產(chǎn)品）進(jìn)行不斷更新迭代，讓學(xué)生在探究過(guò)程中時(shí)刻保持警醒，不斷質(zhì)疑問(wèn)題、假設(shè)及其價(jià)值。當(dāng)他們遇到不明確或未知的問(wèn)題時(shí)，教師可以通過(guò)重新構(gòu)建問(wèn)題、在頭腦風(fēng)暴中創(chuàng)建多種想法等提供強(qiáng)有力的支撐。為了更好地在設(shè)計(jì)思維的框架下培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，教師將教材中的探究實(shí)驗(yàn)“產(chǎn)生影子、讓影子發(fā)生變化、手影游戲”進(jìn)行拆分重組：探索環(huán)節(jié)一，用同一物體畫相同的畫，探究影子變化規(guī)律；探索環(huán)節(jié)二，用同一物體畫不同的畫，探究影響影子變化的因素；應(yīng)用環(huán)節(jié)，用不同物體畫不同的畫，應(yīng)用影子的變化。

教材中的實(shí)驗(yàn)?zāi)軒椭鷮W(xué)生利用所給物體造出影子、探究影子會(huì)發(fā)生變化。但在實(shí)際教學(xué)中，學(xué)生在通過(guò)造影子不能自主發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生影子的必要條件、不易梳理影子的形成過(guò)程、不能明確知道影子的變化具體包含哪些方面（大小、長(zhǎng)短等）和影響影子變化的因素。為了更好地幫助學(xué)生突破思維局限，從不同角度分析、思考問(wèn)題，提高創(chuàng)新思維能力，本節(jié)課對(duì)實(shí)驗(yàn)材料與過(guò)程進(jìn)行了一些改進(jìn)。原實(shí)驗(yàn)是將遮擋物放在桌子上，學(xué)生把光源舉在上方使影子發(fā)生變化，但實(shí)際上產(chǎn)生影子的三個(gè)必要材料之間的接觸會(huì)給影子的變化帶來(lái)干擾。這種接觸導(dǎo)致遮擋物的位置、形狀或大小發(fā)生微小的變化，使得影子變化的結(jié)果不能完全歸于單一因素的改變。例如，在改變光源角度的同時(shí)，由于遮擋物和屏（桌面）是接觸的，會(huì)干擾學(xué)生的認(rèn)識(shí)（正方形的遮擋物影子會(huì)變成梯形），因此他們難以斷定影子是長(zhǎng)短還是形狀發(fā)生了變化，難以分析影響影子的變化因素，無(wú)法將變化因素和影子具體變化一一對(duì)應(yīng)起來(lái)。又如，在只改變物體擺放方式時(shí)，學(xué)生由于需要手持手電筒，手會(huì)人為地抖動(dòng)，無(wú)法保證每一次的光源角度是一樣的或者光源與遮擋物的距離是一樣的。

為了減少實(shí)驗(yàn)誤差、避免干擾，準(zhǔn)確地找到每一個(gè)因素對(duì)影子變化的影響，教師對(duì)教材中的材料進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的材料有手電筒、手電筒支架、展示架、紙板屏、積木數(shù)字2、帶刻度的圓形底板、積木等（如圖1）。

優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)讓光源、遮擋物、屏處于平行放置的狀態(tài)（如圖2），減少了三種因素之間接觸產(chǎn)生的干擾；用展示架或手電筒支架等來(lái)固定遮擋物和光源，以確保它們的位置相對(duì)穩(wěn)定；配備了帶刻度的圓形底板，確保每次實(shí)驗(yàn)只改變其中一種因素，而不引起其他因素變化，從而使學(xué)生更清晰、便捷、準(zhǔn)確地探究影子的變化。例如，在探究光源角度對(duì)影子變化影響的實(shí)驗(yàn)中，只需要將固定在手電筒支架上的光源沿著圓形底板移動(dòng)即可改變光源角度，由于圓形的形狀特點(diǎn)，光源與放在圓心位置遮擋物之間的距離是不會(huì)改變的，保證了單一因素的改變。同理，在探究光源、遮擋物與屏之間的距離對(duì)影子變化影響的實(shí)驗(yàn)中，只需在刻度線上移動(dòng)帶有遮擋物的展示架即可。

三、基于方案，開展探究活動(dòng)

1.用同一物體畫相同的畫，探究影子變化規(guī)律

在探究影子的變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生先發(fā)揮想象力思考積木數(shù)字2像什么，再利用材料創(chuàng)作數(shù)字2的影子畫，他們能主動(dòng)尋找適合的方法將設(shè)計(jì)創(chuàng)意變成影子畫。在真實(shí)的設(shè)計(jì)任務(wù)情境下，學(xué)生對(duì)影子的變化產(chǎn)生了認(rèn)知沖突——明明實(shí)驗(yàn)材料相同，為什么畫出來(lái)的圖形卻不同？由此，他們形成新的問(wèn)題，并自主尋找解決策略。

教學(xué)片段二

師：老師準(zhǔn)備了積木數(shù)字2、手電筒和白紙，這三個(gè)物體在創(chuàng)作中發(fā)揮了什么作用？

生：手電筒代表著光源、積木數(shù)字2代表著遮擋物、白紙代表著投影面。

師：你們覺(jué)得積木數(shù)字2像什么？

生：天鵝。

師：請(qǐng)你們用它“畫”一幅天鵝的影子畫。

（將學(xué)生天鵝的影子畫投屏。）

師：這些影子都一樣嗎？影子有什么不同？

生：圖1和圖2中“天鵝”的長(zhǎng)短不一樣。

師：還有其他發(fā)現(xiàn)嗎？

生：圖2和圖4中“天鵝”的方向不一樣，一個(gè)頭部在左邊，一個(gè)頭部在右邊，但他們的手電筒都在左邊，因此我認(rèn)為這兩個(gè)組擺放積木數(shù)字2的方式不同。

師：你們不僅找到了影子的不同之處，還嘗試分析了不同的原因。

（學(xué)生繼續(xù)尋找天鵝影子畫的不同，當(dāng)學(xué)生說(shuō)得不準(zhǔn)確時(shí)，教師追問(wèn)：哪里不一樣？學(xué)生通過(guò)對(duì)比，陸續(xù)找到影子的形狀、大小、長(zhǎng)短、方向不同。）

2.用同一物體畫不同的畫，探究影響影子變化的因素

學(xué)生猜測(cè)使影子發(fā)生變化的因素，思考利用積木數(shù)字2還能創(chuàng)作出什么影子畫，并驗(yàn)證自己的想法，創(chuàng)造性地形成解決問(wèn)題的思路與方案。在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生探究并歸納影響影子變化的因素，創(chuàng)造更多富有想象力的影子畫。在交流過(guò)程中，學(xué)生初步認(rèn)識(shí)控制變量法，開展歸納推理，產(chǎn)生創(chuàng)造性思維，最后實(shí)現(xiàn)思維進(jìn)階。

教學(xué)片段三

師：明明實(shí)驗(yàn)材料都一樣，為什么出現(xiàn)的影子卻不同呢？你認(rèn)為是什么影響了影子的變化？

（學(xué)生根據(jù)上一環(huán)節(jié)中天鵝影子畫的不同分析，猜測(cè)影響影子變化的原因。）

生：光源的角度、物體擺放的方式、光源和物體之間的距離。

師：我們來(lái)驗(yàn)證一下你們的想法。還是這個(gè)積木數(shù)字2，利用剛剛猜測(cè)的因素使它的影子發(fā)生變化，看一看還能創(chuàng)作出什么影子畫。

（學(xué)生自主創(chuàng)作影子畫。）

師：哪一組能結(jié)合新創(chuàng)作出的影子畫說(shuō)說(shuō)影響影子變化的因素是什么？

生：我們組通過(guò)改變擺放方式，創(chuàng)作出了數(shù)字5。

生：我們組創(chuàng)作出了“煙斗”。

師：數(shù)字5是怎么變成“煙斗”的？

生：我們通過(guò)改變光源的角度和距離。

師：還有哪一個(gè)組想展示你們的創(chuàng)作。

生：我們組制造出了數(shù)字1。

師：數(shù)字1跟數(shù)字2的形狀完全不一樣，他們組怎么做到的？

生：他們改變了擺放方式。這說(shuō)明了物體的擺放方式影響影子的變化。

師：如果不改變物體的擺放方式，還有什么方法使數(shù)字2變成數(shù)字1？

生：改變光源的角度，照射在豎著的面上。

師：通過(guò)剛才的交流，誰(shuí)能說(shuō)說(shuō)影響影子變化的因素有哪些？

生：光源的角度、物體擺放的方式、光源和物體之間的距離。

師：如果我們保證物體的擺放方式和距離不變，只改變光源的角度，看到的影子會(huì)是什么樣呢？你來(lái)演示一下。

（學(xué)生演示的同時(shí)，教師引導(dǎo)大家發(fā)現(xiàn)影子的新變化：這是什么？）

師：在實(shí)驗(yàn)時(shí)，只改變一個(gè)量，我們會(huì)更清晰地感受到它對(duì)影子變化的影響。這就是實(shí)驗(yàn)中為什么常常用控制變量法進(jìn)行研究，課下你們可以再試試其他兩個(gè)因素。

在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生能夠用自己的語(yǔ)言描述影子畫的形成，他們通過(guò)深入討論，精準(zhǔn)說(shuō)出影子產(chǎn)生的條件，創(chuàng)新地進(jìn)行科學(xué)知識(shí)的意義建構(gòu)。同時(shí)，在教師的幫助下，學(xué)生把創(chuàng)作影子畫需要的條件轉(zhuǎn)化為認(rèn)識(shí)影子產(chǎn)生所需的條件，將影子的形成從現(xiàn)象抽象為模型。

四、應(yīng)用遷移，回歸生活

本節(jié)課的主題是“創(chuàng)作影子畫”，融合了藝術(shù)設(shè)計(jì)。學(xué)生從基礎(chǔ)創(chuàng)作到復(fù)雜的藝術(shù)創(chuàng)作，圍繞不同的設(shè)計(jì)任務(wù)，進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，不斷思考、不斷分析，最終以作品形式呈現(xiàn)。

教學(xué)片段四

師：藝術(shù)家利用這些秘密和想象力創(chuàng)作了許多影子創(chuàng)意畫，我們一起來(lái)欣賞一下。你們能發(fā)揮自己的想象力創(chuàng)作影子畫嗎？老師為你們準(zhǔn)備了一些積木，在創(chuàng)作之前先討論想創(chuàng)作什么？打算怎么創(chuàng)作？

（學(xué)生分小組自主創(chuàng)作影子畫。）

師：集體的力量真大，你們創(chuàng)作出了很多有創(chuàng)意的影子畫。請(qǐng)這組同學(xué)上來(lái)介紹你們的影子創(chuàng)意畫。

生：我們的影子創(chuàng)意畫是一個(gè)火箭。我們按照火箭的樣子進(jìn)行積木搭建，但是實(shí)際投影出來(lái)的影子和搭建樣子不一樣。于是我們對(duì)積木的擺放方式進(jìn)行了調(diào)整，最后在紙上繪制出了火箭的影子畫。

師：這個(gè)小組在創(chuàng)作中不斷地進(jìn)行調(diào)整，有效地應(yīng)用所學(xué)知識(shí)。你們發(fā)現(xiàn)這幅作品有什么問(wèn)題？

生：他們組的這個(gè)火箭太長(zhǎng)了，影子已經(jīng)到畫紙外面了。

師：有什么好的辦法幫助他們改進(jìn)嗎？

生：可以調(diào)整光源的角度使影子變短，或者改變光源與物體之間的距離讓影子變小。

從用同一物體創(chuàng)作同一個(gè)影子畫，到用同一物體創(chuàng)作不同的影子畫，再到用不同物體創(chuàng)作不同的影子畫，一步一步使學(xué)生思維進(jìn)階，他們?cè)谒伎肌⒎治鐾评淼倪^(guò)程中，提出新穎、有價(jià)值的觀點(diǎn)并形成相關(guān)核心概念的科學(xué)觀念。整個(gè)教學(xué)過(guò)程環(huán)環(huán)相扣，均指向?qū)W(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。在應(yīng)用遷移環(huán)節(jié)中，學(xué)生一開始的想法是搭與影子相同的物體來(lái)投射形成影子，后來(lái)發(fā)現(xiàn)與影子不同的物體也能形成想要的影子，這是學(xué)生思維的又一次進(jìn)階。

教學(xué)片段五

師：除了你們，大自然也是藝術(shù)創(chuàng)作的高手，這些都是影子帶給我們的空間藝術(shù)美。（出示頤和園十七孔橋冬季金光穿洞的攝影作品）頤和園的十七孔橋在冬至的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)金光穿洞的現(xiàn)象，你能運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析為什么嗎？

生：地球是圍繞太陽(yáng)進(jìn)行公轉(zhuǎn)的，太陽(yáng)的光照角度也在發(fā)生變化，夏天和冬天的光照射角度是不一樣的。在剛剛的實(shí)驗(yàn)中，我們也得知了光源角度不同看到的影子不同，調(diào)整光源角度，光就可以穿過(guò)橋洞。所以，在不同的季節(jié)看到的十七孔橋景色也不同。

師：在冬至那天，太陽(yáng)直射在南回歸線上，光源角度與橋趨于垂直，因此光穿過(guò)橋洞形成了神奇的景色。如果你站在橋的另一邊看就不是這個(gè)畫面了，這也是攝影學(xué)的神奇之處。

從自己創(chuàng)新設(shè)計(jì)影子畫到欣賞自然界中的影子畫，學(xué)生感受到大自然與影子相結(jié)合的藝術(shù)魅力。通過(guò)對(duì)十七孔橋金光穿洞的分析，學(xué)生嘗試將所學(xué)知識(shí)反向推理，深入了解影子的奧秘，提升了在真實(shí)情境中將不同學(xué)科的知識(shí)整合以解決問(wèn)題的能力。

五、教學(xué)反思

1.深入備課，挖掘教學(xué)中的創(chuàng)新點(diǎn)

教學(xué)分析是教師對(duì)課程標(biāo)準(zhǔn)、教材、學(xué)情的深入了解。教師做好教學(xué)分析，結(jié)合學(xué)情確定教學(xué)的起點(diǎn)與目標(biāo)，可以提高對(duì)實(shí)際課堂教學(xué)的把握，增強(qiáng)課堂教學(xué)的自覺(jué)性、預(yù)見(jiàn)性，減少隨意性、盲目性，更有效、更有針對(duì)性地提高學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

在科學(xué)思維中，設(shè)計(jì)思維和創(chuàng)新思維有許多共同點(diǎn)，它們之間相互促進(jìn)、相互借鑒。設(shè)計(jì)思維涉及不同學(xué)科和領(lǐng)域的知識(shí)與技能，強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科融合和對(duì)細(xì)節(jié)的關(guān)注。設(shè)計(jì)思維將創(chuàng)新思維具象化，讓學(xué)生體驗(yàn)并發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，在探究中尋找設(shè)計(jì)需求，通過(guò)設(shè)計(jì)過(guò)程和實(shí)踐驗(yàn)證將創(chuàng)新思維轉(zhuǎn)化為切實(shí)可行的解決方案，運(yùn)用創(chuàng)意和整合能力來(lái)解決問(wèn)題。

2.改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，發(fā)展創(chuàng)新思維

實(shí)驗(yàn)在科學(xué)課堂中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，它能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓他們創(chuàng)造性地思考問(wèn)題。從知識(shí)的層面看，學(xué)生通過(guò)實(shí)踐主動(dòng)去探索新知識(shí)，會(huì)掌握得更牢固。從能力的層面看，實(shí)驗(yàn)教學(xué)能培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)觀察記錄、整理記錄資料等方面的能力。從思維的層面看，提出問(wèn)題是實(shí)驗(yàn)操作的基礎(chǔ)，猜想假設(shè)是深入思考的重要環(huán)節(jié)，制訂方案是有序思考的體現(xiàn)，反思交流是探究成果的體現(xiàn)，這些都有利于學(xué)生創(chuàng)新思維的形成。因此，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)是非常重要的。

3.貼近生活，重視跨學(xué)科教學(xué)

學(xué)以致用，意味著學(xué)生用不同學(xué)科和領(lǐng)域的知識(shí)、思維方式創(chuàng)造性地解決同一個(gè)問(wèn)題。跨學(xué)科教學(xué)重視培養(yǎng)學(xué)生在真實(shí)情境中的綜合應(yīng)用能力，能夠給他們帶來(lái)全新的視角和解決方案，還能加強(qiáng)他們與生活、社會(huì)的聯(lián)系。

（作者單位：張?chǎng)危本┦醒嗌较蜿?yáng)小學(xué)；趙文君，北京市燕山教研中心）

參考文獻(xiàn)

[1]杜文彬，劉登琿.美國(guó)整合式STEM教育的發(fā)展歷程與實(shí)施策略[J].全球教育展望，2019（10）.

[2]蘭本達(dá)，等.小學(xué)科學(xué)教育的“探究—研討”教學(xué)法[M].北京：人民教育出版社，2017.

[3]史加祥.新課程標(biāo)準(zhǔn)背景下科學(xué)思維與探究實(shí)踐的多元理解[J].江蘇教育研究，2023（02）.