核心素养下科学思维进阶课堂的构建

在科学课堂中重视科学思维的培养，可以避免科学探究流于形式，有利于深度学习的发生，以及学生核心素养的发展。思维的激发和培养依赖于课堂活动，有效的科学课堂应该让学生通过一系列活动实现思维的进阶。现以六年级《电动机与现代工业》一课的重点内容“制作简易电动机”为例，阐述如何以思维进阶为目标设计实践活动，以达成培养学生高阶思维的目的。

一、学情分析及教学思路

本课的学科核心概念是技术、工程与社会，课程标准要求，知道发明的常用方法，知道发明会用到一定的科学原理，并且知道技术对提高生产效率或工作效率的影响。学业要求中明确要求，能尝试应用所学科学原理设计并制作简单的装置，能进行模拟演示并简要解释如何提高效率。生活中有许多学生熟知的电器均需要用到电动机带动运转，然而他们对于电动机的内部结构和工作原理十分陌生。直接制作简易电动机，对学生而言有较高的难度，因此我设计了思维进阶活动，依据课程标准要求以及学情确定了本课的教学目标（见表1）。

在本课的教学中，仅通过制作简单的电动机，学生的思维止步于对电动机结构的认识，于培养他们的科学思维能力有限。因此，我们在制作简易电动机的活动中引导学生对电动机的原理进行初步探索，进而实现对学生高阶思维的培养。

关于电动机，学生分别在二年级和四年级的科学课程中学习了磁铁的基本性质和简单电路的知识，由于他们对电动机的科学原理了解较少，因此在引导他们分析电动机的工作原理的过程中，无需将原理分析得过深，学生知道通电线圈具有磁性就够了。对于电动机原理的初步认识可以帮助学生深层次理解电动机提高工作效率的原因，并为六年级《电磁铁》一课的学习奠定基础，原理分析的过程则可以提升他们的推理论证能力。

本课整体思路是：首先让学生通过连接电路体验电动机如何运作，然后将电动机拆解，了解电动机的结构，建构电动机抽象模型，最后引导学生动手制作一个简易电动机，帮助他们理解电动机的工作原理。我们通过设计进阶式学习内容，让学生由浅入深地开展探究活动，逐步提高思维品质。

二、科学思维进阶课堂构建

思维的进阶需要依靠课堂活动的进阶来实现。“制作简易电动机”科学思维进阶课堂的构建路径如图1所示。

模型建构体现在以经验事实为基础，对客观事物进行抽象和概括。思维的起点就是学生的原有经验，教师需要将他们的经验与所学的知识联系起来，让他们通过探究的方式对电动机进行分析，抽象概括出其模型。这一活动难度较大，学生要从不同的角度分析、思考问题，提出有价值的解决问题的方法，并重复实践问题解决方案，从而发展创新思维。

课堂的最后一个阶段，学生基于前面的证据，推理论证电动机的工作原理。这可以促进学生在课堂中不断总结和反思，发展科学思维。

三、科学思维进阶课堂教学

1.经验建立：体验电动机功能

制作简易电动机是本节课的重点，由于缺乏有关电动机的知识和经验，学生难以直接实践，需要对电动机的结构有较深入的认识。思维进阶的第一个活动是学生体验电动机在生活中的应用，获得的直接经验成为思维课堂的起点。学生亲身体验对比手动搅蒜机和电动搅蒜机动力的不同之处，以及两者工作效率的差异。在此活动中，教师通过问题一步步引导学生认识电动机的功能和动力来源，让他们从活动体验过渡到对电动机的认识。紧接着组织学生开展组装简易电风扇活动，让他们带着问题参与实践活动。教师引导学生从外部猜测电动机的轴是如何转动起来的，有学生认为电动机转动是因为内部有齿轮在带动轴运动，为了验证自己的猜想，有的小组迫不及待地想要将电动机拆开看看里面到底有什么。

教学片段

（1）对比手动搅蒜机和电动搅蒜机的不同点

师：今天老师带来了两个厨房常用的工具，你们知道这是什么吗？

生：搅蒜机。

师：请一位同学上来体验一下，其他同学观察这两个搅蒜机有什么不同？

生：一个是手动的，一个是电动的。

师：电动搅蒜机的动力来源于什么？

生：电池。

师：电如何转化成搅蒜机转动的动力？

生：里面有小马达。

（思维发展：学生通过对比手动和电动搅蒜机，认识电动机在生活中的应用，初步建构电动机概念。）

（2）组装简易电风扇

（第一步：组装电池盒，将导线与电动机两侧的金属片连接并观察。第二步：断电，将风扇叶片安装在电动机的转动轴上，通电并观察。）

师：电动机运作的过程中，你有什么发现？

生：通电之后，电动机中间的轴转动起来。

师：为什么电动机通电之后中间的轴会转动起来？其内部结构是怎样的？

生：里面可能有齿轮带动轴运动。

（思维发展：学生通过电动机体验活动，增进了对电动机的认识，他们从外部猜测电动机的轴是如何转动起来，开始对电动机转动原理进行推理。）

2.模型建构：认识电动机结构

基于上一活动中学生对电动机的初步体验，我们引导学生对电动机进行深度探索。学生拆解电动机，观察其内部结构是否与自己的猜想一致。他们带着强烈的好奇心拆开电动机（如图2），发现里面并没有齿轮，此时学生产生了极大的认知冲突，并开始对电动机的结构进行分析、思考：为什么电动机中间的轴会转动？与里面的什么材料有关？

在教师的引导下，学生逐步认识并简化电动机的结构，概括出电动机模型（如图3）。电动机由转子和定子组成，转子上缠绕着铜线，会转动，定子上固定着磁铁，此部分固定不动。此时，学生对电动机的结构已有了初步认知，知道电动机的重要组成部分，但还无法解释电动机中间的轴在通电之后能够快速运动的原因。因此，下一个活动试图引导学生通过动手制作简易电动机，将电动机的抽象模型转化为模型，探究电动机的工作原理。

教学片段

师：同学们已经猜测了电动机的内部结构，现在请大家将电动机拆开，看看电动机内部的结构与猜测是否一致。活动要求：①观察它是由哪几个部分组成的，各部分有什么部件？②拆的时候要记住各部分是怎么连接的，需装配还原。

（学生将电动机拆开观察。）

师：电动机可以拆分为几个部分？

生：可以拆成3个部分。

师：电动机的每个部分分别有什么？

生：电动机最外面是一个金属外壳，内部有两块弯曲的磁铁粘在上面。电动机尾部有一个塑料盖，并且有金属刷连接外侧金属片。电动机的中间部分是一个缠绕着铜线的轴。

师：我们可以根据这3个部分的特点给它们命名吗？电动机最外面是一个金属外壳，里面有弯曲的磁铁，可以命名为什么？

生：外壳。

师：电动机尾部的塑料盖可以命名为什么？

生：后盖。

师：电动机中间转动的部分可以命名为什么？

生：转子。

师：通过对电动机各个部分运行状态的分析，我们可以看出电动机分成转动部分和不动部分。它们分别称为什么呢？

生：转动的部分是转子，不动的部分则是定子。

师：电动机可拆分为外壳、转子和后盖3个部分，外壳是固定不动的，称为定子，中间的转动部分称为转子，因此，可以说电动机由转子、定子和其他附件组成。

（思维发展：学生对实物进行分析，建构电动机的抽象模型。）

3.创新思维：制作简易电动机

尽管学生前面对于电动机的结构有了较为深入的观察，但是在将抽象模型转化为实物模型的过程中依然存在着较大的难度。教师需要引导学生根据前面观察到的电动机结构和建构的抽象模型，思考制作简易电动机需要什么材料，各部分材料分别起到什么作用。明确了所需材料及其功能之后，学生才具备了制作简易电动机的基本知识。基于学生的认知水平，为降低操作难度，教师可以录制操作视频，为他们提供学习支架。学生在动手制作电动机的过程中会出现各种各样的问题，教师需要适时提供指导。活动时间截止后仍会存在一些小组的线圈无法转动起来，教师可以要求学生停下来总结成功的经验和分析失败的原因。有了这些经验后，学生再次尝试制作简易电动机，第二次制作时成功率就大大提高了。在这个活动过程中，学生操作的目标聚焦在如何让线圈转动起来，他们从不同的角度分析、思考线圈不转的原因，并调整解决方案，不断尝试直至成功完成简易电动机的制作（如图4）。

教学片段

师：我们已经了解电动机的基本结构，同学们想不想自己制作一个简易电动机呢？根据刚才观察的电动机结构，我们需要准备什么材料？

生：线圈、磁铁、电池、导线、固定线圈的东西等。

师：老师提前准备好了一些材料（出示：漆包线、强磁铁、干电池盒、海绵板、小木条、Y形支架等）。请同学们思考这些材料分别属于转子部分，还是定子部分？

生：漆包线属于转子，强磁铁属于定子。

师：它们分别起到什么作用？

生：漆包线做成转子转动，强磁铁具有磁性，干电池盒提供电能，海绵板、小木条、Y形支架可以固定转子。

（教师出示制作步骤：①将漆包线绕成直径约为2厘米的圆形线圈，大约20匝。②将电线接头和Y形支架一起固定在小木条圆孔内，再插入海绵板。③在圆形线圈线头的一端用小刀刮掉全部绝缘漆，另一端刮掉半周绝缘漆。④把线圈放在支架上，线圈下端放一块强磁铁。连通电路，调整磁铁的位置，观察线圈是否转动。之后，学生开始制作简易电动机，教师巡视指导。）

师：有些小组的电动机在组员的共同努力下很快就运转起来了，还有好多小组的线圈没有转动起来，请成功的小组总结一下经验。

生：我们小组发现，只有当磁铁离线圈比较近时线圈才能动起来。

生：我们小组一开始将线圈两端的漆全部都刮掉了，结果线圈怎么都不转。我们在老师的指导下发现了这个问题，于是重新处理了线圈，才成功了。

生：我们小组通过排查故障发现是因为没有闭合电池开关，所以线圈没有转动。

生：我们小组的线圈一开始转动得很慢，更换新电池后线圈的转速明显变快了。

（根据成功小组的经验分享，教师引导失败的小组分析失败的原因。略。）

师：根据这些同学的发言，线圈没有转动起来可能是以下原因造成的：①油漆故障。刮漆的部位不对，没有相对等刮漆，在同一边刮漆或刮漆不彻底等。②支架故障。支架太高，导致强磁铁的磁性强度不够等。如果是这种故障，可更换更强磁铁，或调低支架，让转子靠近强磁体，但要防止线圈被磁铁阻碍旋转。③电池故障。没电或电量不足等。④导线故障。请同学们针对前面总结的失败原因再次尝试。

（思维发展：制作简易电动机是将抽象模型转化为实物模型，学生在制作简易电动机的过程中不断分析、总结失败的原因，并重复尝试，发展了思维。为培养学生的创新思维，教师布置课后实践作业——制作电风扇，学生根据课堂中学到的科学原理，创新实践，深化认识技术改变人类生活。图5为学生课后制作的电风扇作品。）

4.推理论证：分析电动机工作原理

本课中，科学思维进阶的最后一步是回应最初提出的问题：为什么电动机的转子会转动？学生成功制作简易电动机后，通过推理论证，初步认识电动机的工作原理。

教学片段

师：为什么通电之后，线圈会转动起来？

（小组讨论。）

师：通电线圈转动与什么有关？

生：应该与磁铁有关，磁铁靠近线圈时线圈会转动，二者距离较远时就停止转动了。

师：这与磁铁的什么性质有关呢？

生：磁性。

师：磁铁可以吸引哪些物质？

生：可以吸引铁以及另外几种金属。

师：你们将断电的线圈和磁铁放在一起后，线圈会被吸引吗？

生：不会吸引，说明漆包线不是能被磁铁吸引的物质。

师：那为何通电线圈与磁铁之间存在相互作用的力？

生：一定是线圈通电后产生了磁性。

师：通电后的线圈就相当于一块磁铁，通电线圈与磁铁相互作用使得电动机转动起来。这个简易电动机在运作过程中，能量是如何转化的？

生：电能转化为动能。

（思维发展：学生能基于简易电动机的结构和材料，推理论证电动机转动原理。）

结语

在思维进阶的课堂中，学生通过观察、体验、实践与反思，逐步建构科学概念和思维能力。在思维进阶系列活动中，学生从对电动机功能的浅表认识，到对电动机模型的建构再到对科学原理的解释，思维伴随着活动的深入不断发展。

（作者单位：徐玲，福建省厦门实验中学；李彬，福建省厦门第一中学）