科學課教學對學生高階思維能力的培養

蔣建綱

隨著科技的發展，智能化時代的到來，高階思維能力已成為未來人才必備的核心能力。如今，科學思維能力已被列入《小學科學課程標準》（以下簡稱《課程標準》）六大能力培養之一。無論從理論視角還是從實踐視角，對人類思維進行解釋，其內涵都離不開“認知”。而高階思維，一般是指發生在較高認知層次上的心智活動或認知能力。小學科學學習中的“高階思維”，是指學生對新知識的構建、遷移，新項目的設計、優化，新問題的實踐和解決等認知過程及能力。當然，思維的發展需要一個從低階向高階的飛躍過程。在小學科學教學中，如何有效引導學生的思維發生“飛躍”呢？

一、任務挑戰，讓思維飛“躍”

高階思維，只有當學生積極主動深入學習活動中才有可能發生。創設學生喜愛的學習方式，是把學生思維引向高階的前提。《課程標準》指出：探究式學習是指在教師的指導、組織和支持下，讓學生主動參與、動手動腦、積極體驗，經歷科學探究的過程。所以，教師創設有意義的、開放的、充滿挑戰性的項目式學習，學生通過不斷實踐、質疑、反思，運用已有的知識與經驗，進行分析、推理、歸納、闡述、創造，讓思維在探究式學習過程中飛躍。

執教教科版六年級上冊《抵抗彎曲》一課，教師通常按照既定的流程有序地組織教學。“教師提出問題：抵抗彎曲與什么因素有關？學生做出假設：在跨度相同時，提出橫梁的寬度、厚度等因素會影響抗彎曲能力。然后，根據提出的假設設計實驗，實驗操作、收集分析數據，得出結果。”這樣的學習方式，只包含單一的學習內容和學習目標，學習的內容只有知識，學習的目標只為了驗證。顯然，學生的思維是被“牽”著行走在看似熱鬧的探究過程中，缺少“比較、概括、求解”的高階思維活動過程。如果，創設一個項目式的挑戰任務，引導學生在挑戰任務的過程中學習，思維的參與度會更具高階性。

科學知識構建是一個復雜的過程，特別是在科學探究過程中，學生要解決教師提出的一系列有層次的任務時，就要不斷啟動思維從環境收集信息、從大腦中抽取元認知，在探究過程中不停地進行“分析、假設、解釋”等高階思維活動，由此不斷激發高層次思維，更好地實現思維的躍遷，從而促進深入探究和有效構建概念。

二、高階情境，讓思維愉“躍”

高階的學習情境創設，是將教學中抽象、間接的科學概念及科學原理，還原到真實的情境中，呈現知識的真實面目，給學生提供認知的起始點，同時能讓學生發揮信息處理能力、問題解決能力、創新能力，而這些就是高階思維能力的體現和展示。如果說，在挑戰任務過程中，教師只是學習過程的旁觀者、促進者，學生自主經歷一個開放的、真實的挑戰任務的學習過程，那么挑戰過程中真實有趣的情境，則是學生思維愉“躍”的催化劑。

學習情境創設是實現有效教學的重要部分，只有在有價值的學習情境中，學生才會啟用“分析、評論、判斷、創造”等高階思維，在環境中將收集到的信息，在認知活動中實現“假設、規劃、設計、創作”的目標，進行科學概念和科學規律的個性化生成與建構。高階的學習情境要遵循緊扣學習內容、具有真實性、能有效引發思考的特點，讓學生引發共鳴、激活思維，在高階的學習情境中使思維愉“躍”縱深。例如，教科版五年級下冊《空氣的熱脹冷縮》一課，教材中設計的問題情境，直接以圖和文字提示的方式，引導學生下一步該怎么做。如果把問題情境換成這樣：

教師：出示三個圓底燒瓶，一個裝滿紅水，一個裝半瓶紅水，一個裝四分之一瓶紅水，將帶橡膠塞的玻璃管分別插到燒瓶底部。請學生猜測：把三個燒瓶同時放入一個盛滿熱水的大水槽中，可能會看到什么現象？

猜測結果：一部分學生認為，三個燒瓶連接的玻璃管內紅色液面不一樣高，紅色水越多的燒瓶連接的玻璃管內紅色液面更高，紅色水越少的燒瓶連接的玻璃管內紅色液面越低;一部分學生認為，三個燒瓶連接的玻璃管內紅色液面一樣高;少數幾個學生認為，紅色水越少的燒瓶連接的玻璃管內的紅色液面越高。

面對這樣的問題情境，學生出現不同的猜測，是基于他們前面學習水的熱脹冷縮的經驗刺激，引發猜測：水越多膨脹得越多。瓶內空氣的存在根本沒有進入學生的思考范圍。只有一小部分思維比較活躍、開放的同學，才把空氣納入猜測思考范圍。所以，他們猜測的實驗現象是：與裝滿紅水燒瓶連接的玻璃管內紅色液面最低，裝少量紅水燒瓶連接的玻璃管紅色液面迅速上升，噴出玻璃管。這與其他大多數同學猜測的結果形成了鮮明的對比，認知思維產生強烈的沖突，為后續進一步探究實驗的設計埋下伏筆，使學生的思維異常愉“躍”起來。學生在頻繁啟用“分析、創造、評價”等認知方式，深度完成自主、合作、探究、展示的學習過程中，分析性思維、邏輯性思維、創造性思維、綜合性思維等高階思維積極地運行，同時實現自主建構科學概念和科學規律的教學目標。

三、高階問題，讓思維跨“躍”

教育學家杜威認為，思維一定是由“難題和疑問”或“一些困惑混淆或懷疑”引發的。簡單的問題，更多關注的是科學知識的學習，而輕視思維動態的提升，學生只需要通過觀察、簡單猜想就能得到答案，達不到培養學生高階思維能力的目的。在探究過程中，“問題”的思維含量，很大程度上決定了學生認知思維跨“躍”的程度。

例如，教科版五年級下冊《熱是怎樣傳遞的》一課中，教材中設計的問題：“用酒精燈給金屬條一端加熱，金屬條一會兒就變得很熱，熱是怎樣傳遞的呢？”實驗裝置是：一根直鐵絲上用凡士林隔一定距離粘上一根火柴，在鐵絲的一端用酒精燈加熱，觀察火柴掉落的順序。很明顯，這個問題設計是簡單的、孤立的、封閉的、結構良好的，不能引發學生分析、判斷、創新等高階思維活動。學生僅憑生活中的經驗就能正確回答，不利于思維的進一步發散。如果材料形式更多元一點，問題更開放一點，就可以引發不同的思維效果。把一根直鐵絲改成更具發散性的形狀，提問：“熱在這些金屬物體上會怎樣傳遞呢？”這多元材料形式引導下的問題，無疑讓學生的思維聚焦后續實驗現象的多元化，聚焦核心概念：熱從物體溫度低的部分向溫度高的部分傳遞，而且可以多個方向同時傳遞，避免了“熱只能朝一個方向傳遞”的窄化認識，讓思維更具開放性和跳躍性。

“開放性、挑戰性、層次性”是高階思維能力培養的著力點。高階的問題，決定了學生思維技能的選擇和運用。因此，為促進學生高級思維能力的提升，研究的問題不能簡單設計成針對知識點的問題，而要設計成指向學科核心的基本概念、能揭示科學規律和科學原理的高階問題，通過推論、分析、歸納等思維活動，讓學生進入信息接收、判斷、鑒別的過程，實現科學概念、科學規律的生成與建構。

四、過程遞進，讓思維超“躍”

思維發展建立在一個個螺旋上升的學習活動過程中，學習活動又依賴于學習的載體，即某個科學概念的建構。有些概念建構過程，只需要通過一項任務驅動，就可以把思維引向躍遷，而有些概念建構，需要幾個任務，層層遞進地把思維引向高階。例如，執教教科版六年級下冊《小蘇打和白醋的變化》一課，就需要三個遞進式的學習任務，使學生的高階思維超“躍”。

小蘇打和白醋混合后會產生一種不知名氣體。是什么氣體呢？基于小學生對氧氣、二氧化碳、氮氣三種氣體特性的已有認知，引導學生根根據三種氣體的特性，設計三個層層遞進的探究實驗，根據實驗現象，逐步分析、判斷，得出小蘇打遇到白醋產生的是二氧化碳氣體這一結論。

學生的元認知不斷有目的、有層次地提供相關任務，引領學生逐漸走向深入的探究過程。三級任務設計如下：

第一級探究任務：根據表1提供的信息，設計實驗，探究可能是什么氣體。

給學生提供的每一張表格信息，都能引發學生一系列的思考：我要獲取什么信息？我要怎么做實驗，才能獲取我要的信息？如果獲取我要的信息，可以做出什么樣的判斷？這一系列“自我提問”，是在教師巧妙設計的信息表的刺激下產生的，不是教師“要我這樣做”，而是學生自己“我想這樣做”。這正是高階思維起“躍”所需要的過程。而在三個探究活動遞進過程中，隱含著學生分析綜合、邏輯判斷的思維過程，使探究過程產生活力。活躍的思維有效地喚醒了學生元認知，在交流討論中有效地表達自己的觀點、推測和想法，促進高階思維品質的發展，實現科學概念更細致、更深層次的構建。

總之，在小學科學教學中，培養學生問題求解、批判思維、創新思維等高階思維能力是時代發展的需求，是對課程改革的積極回應，是落實《小學科學課程標準》的必要行動。教師要有意識地將高級思維的發展融合在具體的教學活動中巧設任務、創設情境、優化問題、遞進過程，促進學生高階思維能力的發展，為學生終身高效學習打下堅實的基礎。