指向高阶思维 促进学习进阶

科学思维是学生科学核心素养的重要内容，科学教师要注重对学生高阶思维的培养，提升他们的学科核心素养。在教学实践中，教师应设计具有挑战性的探究活动，引导学生积极参与科学探究实践，经历综合分析、逻辑推理、问题解决和创新思考等深层次的认知过程，从而促进学习进阶。

四年级专项学习《像科学家那样……》一课，重在引导学生围绕“摆的快慢与什么因素有关”探究问题，经历“提出问题—作出假设—设计方案—搜集证据—处理信息—得出结论—分享交流”的探究过程，其中每一个环节都蕴含着对高阶思维的培养。教师要通过巧设进阶探究活动，有力地指向高阶思维，促进学生的学习进阶。

一、经历进阶探究，培养学生思维的深刻性

《像科学家那样……》精心设计了三个层次的进阶探究活动，每一次深度探究，都能推动学生更深入地思考问题的核心，促使他们运用批判性思维探究问题的本质，从而培养他们思维的深刻性。

1.初探摆动次数，发现问题

认知冲突是激发学生积极思维和主动学习的强大“引发器”。学生在认知上遇到矛盾或困惑时，会产生强烈的求知欲，积极寻求解决方案，从而促进思维的发展。学生了解摆的基本结构后，分组制作摆，并测试摆30秒摆动的次数。通过对比汇总数据，学生发现各小组的摆动次数并不相同，产生了初步的认知冲突，并提出了进阶问题“为什么摆的摆动有快有慢”“摆的快慢与哪些因素有关”，这种对差异的关注体现出他们对背后原因的探索欲望。

2.再探摆动快慢，发现差异

为了学生深入探讨提出的问题，教师应当引导他们经历一个完整的科学探究过程，包括大胆猜想、设计方案、交流讨论、分组实验、数据收集和分析，最终得出结论。在分组实验中，学生对摆的长短、摆角的大小、摆锤的轻重进行了对比探究。通过汇总全班各小组的实验数据，学生发现摆的快慢与摆长的长短有明显关系，而与摆角的大小和摆锤的轻重关系较小。这一实验结果中的差异引发了学生进一步思考：“摆的快慢到底与摆角的大小和摆锤的轻重有没有关系？”此时，学生开始主动反思实验方法和数据的可靠性，他们的思维向更深层次发展。

3.三探摆动次数，发现规律

对于“摆的快慢到底与摆角、摆锤有没有关系”这个问题，教师与学生共同讨论和分析可能的原因：一是实验器材属于简易的；二是人为操作总会存在操作误差。学生的好奇心促使他们希望得到更精准的答案，想要深入探究这些变量之间的关系。为了消除简易器材和人为操作误差的影响，教师引入了光电门数据传感器，通过自动测试、记录显示：不同摆角的摆30秒内的摆动次数都是12次，不同轻重摆锤的摆30秒内的摆动次数都是12次。精准、真实的实验数据，让学生清楚地认识到摆的快慢与摆角大小、摆锤轻重之间没有关系。

二、改进实验器材，培养学生思维的创新性

改进实验器材是激发学生创新思维的重要途径之一。通过改进实验材料、设计有效的探究方案，引导学生在操作中深度思考问题，可以拓宽学生思维的深度和广度，提升他们的解决问题能力。

1.针对问题，创新材料

在该课教材的“摆”实验中，虽然所用器材简易直观，但仍然存在操作不便、重心不稳、测量不准等问题。为了克服这些困难，教师对实验器材进行了三点改进：一是增加旋钮调节功能，通过改变旋钮高度来调节摆线长度，这种设计明显提高了实验的便捷性和有效性，使学生能够更加灵活地调整摆绳长度；二是改变摆锤，由螺丝和螺母组合来替换钩码，学生可以通过增加或减少螺母的数量来改变摆锤的重量；三是将量角器直接嵌入到实验器材中（如图1），学生可以更快速、精准地设置摆角，减少测量误差，提升了实验的效率和精确性。改进后的实验材料具有探索性、实践性、可操作性和安全性，有助于学生深入开展摆的实验探究活动，在探究过程中不断思考、尝试和调整，从而激发他们的创新思维，增强解决实际问题的能力。

2.运用材料，引导思辨

在实验探究过程中，假设的提出和方案的设计并不是凭空猜测的结果，而是基于科学思考的合理推断。在观察和比较实验装置的过程中，教师逐步引导学生提出假设，并通过讨论不断完善实验方案。发展了他们的科学思维和创新能力。

教学片段

师：请同学们仔细观察比较实验装置，你们觉得摆的快慢与什么因素有关？

生：我认为摆的快慢与摆角大小有关。

生：我认为摆的快慢与摆长长短有关。

生：我认为摆的快慢与摆锤轻重有关。

师：摆的快慢到底与摆长、摆角、摆锤有没有关系呢？我们可以来一探究竟，如果研究“摆长”这个因素，你们准备怎么研究呢？

生：我打算用两个不同的摆来测试一下，一个摆线长，一个摆线短。

生：我可以通过旋钮来调节不同摆长的摆来测试。

师：调节旋钮改变摆长，操作简单。对这位同学的实验方案还有补充的吗？

生：我认为两个摆的摆锤要一样重，这样才会公平。

师：很有道理。这样的实验属于对比实验，需要改变的条件只有一个，其他条件要保持不变，还有哪些条件要保持不变？

生：摆角的大小要一样。

师：仔细观察器材，如果研究摆锤重量、摆角大小因素时，如何合理改变？

生：摆锤的重量可以通过改变旋转螺母的个数来改变。

生：摆角的大小可以通过对准量角器的不同度数来改变。

3.深入分析，完善方案

为了让学生在动手实验之前深入理解实验目的和操作细节，教师引导他们围绕“还有什么要注意的”展开讨论。通过这一环节，学生不仅能够强化对器材使用方法、操作步骤合理性的理解，还能思考如何确保实验数据的准确性。

教学片段

师：同学们，我们已经有了实验方案，那么在实际操作实验过程中，还有哪些细节需要特别注意呢？

生：摆线自然下垂，要与量角器“0”刻度对齐。

生：螺母要旋在螺丝的中间，这样摆锤会更稳，不容易受外界干扰。

生：调节摆长时，旋钮要拧紧，否则在实验过程中摆长可能会发生变化。

生：当我们松开摆锤时，手应该自然松开，不能施加额外的力量。

生：小组成员要分工合作，及时记录实验数据。

生：实验需要重复3次，取中间值，这样的实验数据会更准确。

师：同学们说得都有道理！

改进后的实验材料使学生能够在自主调整和优化的过程中，深入思考摆长、摆角、摆锤等因素之间的相互关系。通过提出假设、设计实验方案和完善实验细节，逐步提高问题解决能力。

三、尊重实验数据，培养学生思维的活跃性

尊重实验数据是激发学生积极思维的关键。无论实验数据是否与预期相符，教师都要尊重他们的努力和成果，这样能够增强他们的自信心，激励他们继续探究和思考。

1.全面分析实验数据

每个小组的实验数据就像拼图的碎片，教师应引导学生全面分析这些数据，发现各组数据之间可能存在的关系，揭示背后的规律。在分析数据时，教师应鼓励学生表达观点、分享见解，并通过讨论促进思维的碰撞。

教学片段

师：请同学们仔细观察大家的实验数据，看看你有什么发现。

生：我从“摆长的研究”汇总表中的“平均值”发现：摆长较长摆动了11次，摆长适中摆动了17次，摆长较短摆动了25次。由此可以看出，摆长的长短会影响摆的快慢。

师：能具体说说怎么影响的吗？

生：摆线越长，摆动越慢；摆线越短，摆动越快。

生：我发现摆的快慢与摆角的大小有关系：10°摆角平均摆动了12次，20°摆角平均摆动了13次，30°摆角平均摆动了14次。

生：我发现摆的快慢与摆角的大小虽然有关系，但差距不大。

生：我觉得关系很小。大家从各组数据来看，第2组、第3组、第7组15°、20°的摆角测试结果是一样的，第5组、第6组10°、15°的摆角测试结果也是一样的。从这些数据来看，没有影响。

师：这位同学比较分析了不同小组的实验数据，分析得很有道理！那么，摆的快慢与摆锤有关系吗？

生：我认为没有关系。从平均值来看，摆锤较轻和摆锤重量适中都是摆12次。

生：我认为有关系，因为摆锤重时，摆摆动的次数多了1次。

生：我认为这可能是测量时的误差导致的。

师：我们可以将各小组实验数据结合起来分析。

生：从各小组的实验数据来看，有8个小组的测试数据相同，所以，我认为摆的快慢与摆锤的重量是没有关系的。

该环节中，学生对汇总实验数据进行分析、比较、推理，从多个维度去发现实验规律，运用实验搜集到的证据来证明自己的观点。

2.深入探究误差原因

当不同小组的数据存在差异时，教师应当引导学生深入探究引起这些差异的原因。这是一个复杂且富有挑战性的过程，需要他们反思实验方法、质疑数据收集方式，甚至提出新的实验改进方法。在此过程中，学生不仅学会反思和优化实验设计，还能够运用创造性思维提出更合理的解决方案。

教学片段

师：同学们，从平均值来看，摆的快慢与摆角、摆锤有关系，但数据相差又不大。大家思考一下，可能是什么原因？

生：可能本身的差异就很小。

生：我觉得可能是操作不准导致的误差。

生：也可能是实验器材造成了小的误差。

师：为了让实验数据精准，避免人为误差，今天我们借用传感器来自动测试。（出示传感器）这是光电门传感器，摆在摆动的过程中，通过光电门会自动记录次数。这是数据采集器，与电脑相连，采集到的数据会直接显示。下面让我们一起来见证数据。

（学生观察数据。）

师：仔细观察测试数据，你有什么想表达的？

生：我发现摆的快慢与摆角大小、摆锤轻重是没有关系的。

生：我们要学会运用传感器这样先进的设备，测出更精准的数据。

该环节中，学生在深入探讨数据差异的原因时，思维不断进行碰撞，认为“人为数据误差”是关键。教师借助光电门传感器，突破了这一难点，提高了实验数据的精准性，使学生认识到数据的重要性。

（作者单位：江苏省丹阳市华南实验小学）