基于發(fā)展高階思維教學《電鈴的能量轉(zhuǎn)化》

科學課程標準強調(diào)，科學思維不僅是學生學習科學必備的關(guān)鍵技能，也是適應現(xiàn)代社會發(fā)展的核心思維方式，是科學課程核心素養(yǎng)的重要組成。在科學探究中，學生需要學習發(fā)現(xiàn)問題、提出假設、設計實驗、收集和分析數(shù)據(jù)、得出結(jié)論等，這些都需要學生具備一定的科學高階思維能力。高階思維的培養(yǎng)有助于提高學生的科學素養(yǎng)，為他們?nèi)蘸蟮膶W習和工作奠定堅實的基礎。現(xiàn)以《電鈴的能量轉(zhuǎn)化》一課為例，分析基于發(fā)展高階思維進行教學。

一、了解學生思維基礎

通過比較最近幾版科學課程標準我們會發(fā)現(xiàn)，與該課關(guān)聯(lián)的學習內(nèi)容及要求，2022年版課程標準的表述更準確，進階結(jié)構(gòu)更加清晰，側(cè)重于物質(zhì)科學方向，涉及物質(zhì)的運動與相互作用、能的轉(zhuǎn)化與能量守恒兩個學科核心概念，以及物質(zhì)與能量、結(jié)構(gòu)與功能兩個跨學科概念。

該課在教材中的位置不變，都在五年級下冊第二單元。但是在原教材中稱為“能量轉(zhuǎn)換”，而現(xiàn)教材中變?yōu)椤澳芰哭D(zhuǎn)化”。能的轉(zhuǎn)化是指各種形式的能之間可以相互轉(zhuǎn)化，不同物體之間的能量也可以傳遞；能可以從一種形式轉(zhuǎn)化成另一種形式，也可以從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體；能的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移都有方向。

縱觀教材，我們發(fā)現(xiàn)在知識上呈現(xiàn)了從事實性到解釋性、從具體到抽象的進階。3～4年級主要是對能量的個別認知，5～6年級主要是具體認識生活中常見的幾種能的形式，并且了解這些能的相互轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，7～9年級主要是更深入研究能量的守恒現(xiàn)象及其在生活中的應用。

該課以電鈴為載體，引導學生認識電磁鐵的基本性質(zhì)，體會電能與磁能、動能、聲能之間的轉(zhuǎn)化過程，主要科學實踐活動是探究電磁鐵的性質(zhì)。課堂教學中，教師引導學生觀察電鈴的結(jié)構(gòu)以及電鈴工作時發(fā)生的現(xiàn)象，并由此引出電磁鐵概念。學生利用漆包線、鐵釘、電池、開關(guān)等制作電磁鐵，通過制作過程了解電磁鐵的基本組成部分；分析能量轉(zhuǎn)化的過程，比較不同電磁鐵引出新問題。

該單元的重難點在于分析生活中的能量轉(zhuǎn)化，而要想知道生活中的能量轉(zhuǎn)化就要知道組成電器的結(jié)構(gòu)及其如何功能，這指向跨學科概念“結(jié)構(gòu)與功能”，同時要分析能量及其轉(zhuǎn)化，這指向跨學科概念“物質(zhì)與能量”。在之前的電燈的能量轉(zhuǎn)化學習中，學生觀察了電燈的結(jié)構(gòu)，分析了其能量轉(zhuǎn)化方式，這為該課觀察電鈴的結(jié)構(gòu)、分析電鈴的能量轉(zhuǎn)化方式做一個鋪墊。

由此，我們確立了如下教學目標：

了解電鈴的結(jié)構(gòu)，知道電鈴的工作原理是利用了電磁鐵的性質(zhì)；能簡單分析電鈴工作時的能量轉(zhuǎn)化情況；了解電磁鐵的基本結(jié)構(gòu)。

通過觀察、比較、分析，歸納電磁鐵的能量轉(zhuǎn)化情況。

能設計制作一個簡易電磁鐵，比較電磁鐵性質(zhì)，設計實驗探究電磁鐵性質(zhì)。

樂于參與和能量轉(zhuǎn)化有關(guān)的科學實踐活動；能基于證據(jù)和推理發(fā)表自己的觀點，實事求是，勇于修正與完善自己的觀點。

二、善于引用生活素材

生活素材對于科學學習非常重要。教師要善于創(chuàng)設真實且適合的情境，讓課堂上的知識與學生所處的真實世界產(chǎn)生聯(lián)系，引導他們使用高階思維解決問題。該課以“消防警鈴”為抓手，創(chuàng)設情境喚醒學生的前概念，激發(fā)其主觀能動性。通過這些接近生活的問題，能在很大程度上調(diào)動學生參與課堂的熱情，讓他們更愿意在課堂上互動，分享自己在生活中的見聞，用自己的經(jīng)驗解答問題，有效培養(yǎng)他們的獨創(chuàng)性思維能力和高階思維能力。

片段1：情境創(chuàng)設

師：每個月學校都會進行消防演習，目的就是當火災發(fā)生時我們能夠用正確的方法有序逃離現(xiàn)場。當火災發(fā)生時，消防員會怎么做，讓我們一起來看看。

（學生觀看視頻。）

師：看了這個視頻后，你有什么感受？

生：消防員出警的速度很快。

師：消防員是聽到了什么聲音，這么快出警的呢？

生：消防警鈴。

師：警鈴也就是電鈴，電鈴發(fā)聲時能量是怎樣轉(zhuǎn)化的呢？

生：我認為電鈴工作時是由電能轉(zhuǎn)化成聲能。

師：是不是大家說的這樣呢？今天這節(jié)課我們就來研究電鈴的能量轉(zhuǎn)化。

三、精心構(gòu)建問題串

基于高階思維能力培養(yǎng)的小學科學探究問題串分為并列式、遞進式、探究式及延展式四種。[1]簡單的并列式問題串可以讓學生運用低階思維方式，引發(fā)深層次的思考，提升高階思維能力。遞進式問題串讓學生在由淺入深、環(huán)環(huán)相扣的精細化科學問題情境下不斷建構(gòu)知識，提升高階思維能力。探究式問題串有助于培育學生演繹推理、模型建構(gòu)、批判思維、歸納與創(chuàng)造等高階思維能力，建構(gòu)科學概念。延展式問題串有助于培養(yǎng)學生的發(fā)散思維，極大地促進了他們的分析、評價、創(chuàng)造等高階思維能力向縱深方向發(fā)展。

教師在設計該課的問題串時應著重關(guān)注問題與問題之間的關(guān)聯(lián)度與坡度，將問題串靈活地應用于教學環(huán)節(jié)中，讓各個問題之間形成并列、遞進、因果與發(fā)散等邏輯關(guān)系，引導學生整體認知、突破難點、 激趣促學，培養(yǎng)其宏觀、全面與縝密的思維方式。該課問題串如圖1。

片段2：并列式問題串

師：你們說的這些能量是怎樣轉(zhuǎn)化的？

生：我認為電鈴里面有個鈴鐺，通電后鈴鐺就響了，產(chǎn)生了聲能。

生：我認為供電的部分能夠產(chǎn)生電能，電能通過一個可以轉(zhuǎn)動的部分轉(zhuǎn)化為動能，動能在空氣中振動產(chǎn)生聲能。

師：能量的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化與電鈴的哪些結(jié)構(gòu)有關(guān)系？觀察一下電鈴的結(jié)構(gòu)，并寫在記錄單上（如圖2）。

（學生分組觀察。）

師：電鈴是由哪幾部分組成的？誰來分享一下你的觀察結(jié)果？

生：我觀察到電鈴由電池盒、導線、小錘子、鈴鐺、線圈、彈簧片組成。

師：有沒有補充？線圈繞在哪里？

生：繞在鐵芯上。

師：科學上我們把由線圈和鐵芯組成的結(jié)構(gòu)叫作電磁鐵。

片段3：遞進式問題串

師：為什么你們的電鈴與老師的電鈴發(fā)出的聲音不同？

生：因為沒有通電，電磁鐵就沒有磁性，所以沒辦法吸引彈簧片。

師：請同學們看一看老師這里的電鈴，已經(jīng)通電了，為什么沒有清脆的鈴聲？

（播放視頻。）

生：因為小錘沒有敲擊到鈴碗。

師：你觀察得特別細致，聲能是怎么產(chǎn)生的？

生：小錘敲擊鈴碗產(chǎn)生聲能。

師：動能是怎么產(chǎn)生的？

生：小錘運動產(chǎn)生動能。

師：通電后，電鈴的聲音為什么發(fā)生了變化？有什么不同？小錘為什么會產(chǎn)生動能敲擊鈴碗呢？誰驅(qū)動小錘敲擊鈴碗？為什么？

生：是電磁鐵。因為電磁鐵連接著導線，通電后能吸引彈簧片，彈簧片帶動小錘去敲擊鈴碗。

師：電磁鐵通電后真的能吸引彈簧片嗎？怎么證明？

生：把電鈴通電后看看電磁鐵能不能吸引小錘。

生：我不認同他的想法，我覺得應該單獨制作一個電磁鐵，通電后吸引彈簧片試試，看電磁鐵有沒有磁性。

師：怎么制作一個電磁鐵？需要用到什么材料？

生：需要用到線圈和鐵釘，把線圈纏到鐵釘上。

師：線圈怎么纏繞在鐵釘上？有什么需要注意的嗎？

生：沿同一方向均勻纏繞。

師：怎么讓電磁鐵通電？需要用到什么材料？怎么做？

生：把電磁鐵和電池盒連接上。

師：漆包線上涂有一層絕緣漆，要想讓它能夠通電，我們還需要怎么做？

生：我覺得可以用砂紙將兩端打磨。

師：怎么能安全地控制電磁鐵的通電和斷電呢？需要用到什么？

生：開關(guān)。

師：下面就請同學們利用這些材料組裝一個電磁鐵，做好后試一試電磁鐵有沒有磁性。大家注意，組裝過程中開關(guān)應保持斷開的狀態(tài)。

片段4：探究式問題串

師：誰來分享一下你觀察到什么現(xiàn)象？

生：我發(fā)現(xiàn)電磁鐵通電后可以吸引彈簧片，斷電后不能吸引彈簧片。

師：這個實驗結(jié)果說明什么？

生：說明電磁鐵有磁性。電磁鐵在通電后電能轉(zhuǎn)化成磁能。

師：現(xiàn)在誰能再試著說一下電鈴工作時能量是怎樣轉(zhuǎn)化的？

生：電能轉(zhuǎn)化成磁能，再轉(zhuǎn)化成動能，最后轉(zhuǎn)化成聲能。

師：電磁鐵有南極北極嗎？

生：我認為電磁鐵和普通磁鐵一樣有南極和北極，因為電磁鐵也是磁鐵。

師：電磁鐵兩端的極性與什么有關(guān)？

生：可能和電池的正負極有關(guān)，可能和線圈纏繞方向有關(guān)。

片段5：延展式問題串

師：在剛才的實驗過程中，我錄了A、B兩個小組的實驗視頻，請同學們觀察一下，看看有什么新發(fā)現(xiàn)？

（播放視頻。）

生：我發(fā)現(xiàn)A組電磁鐵線圈纏繞的特別多，而B組線圈就繞了一小部分，可能它們磁性的強弱是不一樣的。

師：線圈的數(shù)量會影響電磁鐵磁性的強弱嗎？你們認同他的想法嗎？還有什么發(fā)現(xiàn)？請同學們課下嘗試研究自己感興趣的問題，下節(jié)課我們繼續(xù)研究。

四、設計動態(tài)板書

動態(tài)板書設計可以輔助學生高階思維的外顯，主要體現(xiàn)在以下方面。

現(xiàn)象描述。科學課上的觀察活動和實驗是培養(yǎng)學生高階思維的好機會。教師自制板貼“電鈴”模型，讓學生在模型上直觀地把想法表達出來。這個模型在教學中會隨著學生思維發(fā)展的不同階段呈現(xiàn)出不同的效果和功能，從而提升他們的高階思維能力。

過程模擬。動態(tài)板書可以模擬科學探究過程，讓學生經(jīng)歷“觀察—推測—驗證—解釋—再觀察”的思維過程，進而形成嚴謹?shù)膶嵶C意識。

問題引導。教師可以通過動態(tài)板書引導學生進行科學探究，讓他們帶著問題去觀察、分析和思考。

概念梳理。動態(tài)板書可以幫助學生梳理科學概念，形成知識網(wǎng)絡。該課中，教師利用動態(tài)板書展示了電鈴結(jié)構(gòu)和能量轉(zhuǎn)化的關(guān)系，幫助學生形成對電鈴的能量轉(zhuǎn)化的整體理解。

反思與總結(jié)。在課程結(jié)束時，教師引導學生利用動態(tài)板書進行反思和總結(jié)，如回顧該課的主要知識點、實驗過程和自己的思考等，這有助于他們高階思維的外顯。

動態(tài)板書設計要體現(xiàn)概括性、嚴謹性、動態(tài)性和藝術(shù)性，讓學生的科學思維進階過程具象化，促進思維外顯，為他們應用遷移所學方法奠定基礎。

五、構(gòu)建有效評價

構(gòu)建有效評價需要教師采用多種評價方式，有效地促進學生的高階思維提升。

形成性評價。該課中，教師讓學生預測電鈴在工作時能量是怎樣轉(zhuǎn)化的，并解釋自己的預測。這不僅是一個形成性評價，可以了解學生對電鈴結(jié)構(gòu)及作用的認知情況，也能引導他們進行更高層次的思考。

表現(xiàn)性評價。在“觀察電鈴的結(jié)構(gòu)”環(huán)節(jié)中，教師讓學生分小組進行觀察并記錄。通過記錄單，教師可以了解學生對電鈴結(jié)構(gòu)及作用的理解程度。這種評價方式不僅關(guān)注學生的知識掌握情況，還關(guān)注他們的實踐能力和觀察能力。

反思性評價。該課中，教師引導學生反思在學習過程中遇到的困難和解決方法。例如，對于“小錘為什么會產(chǎn)生動能敲擊鈴碗？誰驅(qū)動小錘敲擊鈴碗？為什么？”這樣的問題，教師作為教學活動的設計者和組織者，要為學生提供思維支架，引發(fā)學生思考；教師可以讓學生回顧自己的學習過程，思考問題的解決方法，從而培養(yǎng)他們的批判性思維和自我評價能力。

綜合性評價。該課中，教師讓學生制作一個簡易電鈴，并說明這個簡易電鈴在工作時能量的轉(zhuǎn)化情況。這個任務需要學生運用所學的能量知識，同時還需要他們發(fā)揮創(chuàng)造力和想象力。通過對作品的綜合性評價，教師可以了解學生對能量轉(zhuǎn)化的理解和掌握程度，同時能培養(yǎng)他們的綜合能力和高階思維。

六、設定拓展主題

設定拓展主題可以培養(yǎng)學生自主學習的能力和創(chuàng)新能力，更有助于培養(yǎng)他們的高階思維能力。課后，教師可以引發(fā)學生繼續(xù)思考：電磁鐵的磁性強弱能改變嗎？你準備怎樣研究這些問題？怎么設計一個既實用又可靠的消防警鈴？這可以激發(fā)學生的創(chuàng)新思維，鼓勵他們跳出常規(guī)，挖掘他們的潛力，進一步提升他們的探究能力和創(chuàng)新思維。在拓展的過程中，教師可以引導學生將所學的理論知識轉(zhuǎn)化為實踐能力。學生利用各種材料和工具，如小電珠、導線、電池盒、金屬片、木棍、熱膠槍等，制作他們心中理想的消防警鈴。

在后續(xù)的學習中，教師可適時引導學生思考如何有效地使用這些材料和工具，以及如何解決在制作過程中可能遇到的問題。這個過程不僅讓學生有機會應用他們在課程中學習的科學知識，而且可以提升他們的創(chuàng)新思維和解決問題的能力。這種參與拓展的學習方式促使學生從被動的知識接收者轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃拥膭?chuàng)新者，拓展了他們的高階思維空間。

[課題：人民教育出版社課程教材研究所“十四五”課題“小學科學跨學科學習及教材呈現(xiàn)研究”，批準號：KC2022-32]

（作者單位：劉玲、徐穎，北京市西城區(qū)志成小學；李瑩，北京市西城區(qū)教育研修學院）

參考文獻

[1]黃威.基于高階思維能力培養(yǎng)的小學科學探究問題串探析[J].教師教育論壇，2018（02）.