基于思維型教學理論的科學高階思維教學過程設計

首新 胡衛平

科學高階思維是科學核心素養的關鍵成分，以培養學生核心素養為目的的教育改革正席卷全球，各個國際教育組織、各個國家和地區幾乎都出臺了核心素養框架，而思維是其中必不可少的成分。如美國《21世紀技能框架》中的“學習與創新技能領域”的4Cs結構中包含的批判性思維和問題解決能力（CriticalThinkingandProblemSolving）、創造性和創新能力（CreativityandInnovation）體現了對思維的重視[1]。科學高階思維也是科學教育的重要目標，以科學探究的形式培養高階思維已得到科學教育研究者、決策者的重視，高階思維已融合進不同的教學模式、教育理念、教學方法、教學流程之中，以培養學生在不同情境下的問題解決能力、批判性分析能力和創新能力等。

本文基于思維型教學理論，通過構建科學高階思維結構模型，建立為高階思維而教的科學教學過程，并對其教學過程進行案例展示。

科學高階思維的結構模型

高階思維的核心是創造性思維和批判性思維[2]，基于高階思維與科學知識、科學探究之間的關系，構建科學學科高階思維結構模型如圖1所示。

其中，X軸是科學課程內容，包括物質科學、生命科學、地球與空間科學、技術與工程4大領域;Z軸是科學思維表現，包括問題提出、方案設計、證據搜集、信息解釋、物體應用、產品改進、反思評價7個要素;Y軸是高階思維核心結構，包括創造性思維和批判性思維。科學學科高階思維結構模型是一個系統的有機整體，3個維度要素之間既相對獨立又相互聯系。X-Y平面解釋了科學課程內容與高階思維的關系，啟示我們在利用科學課程內容培養高階思維時，總體原則是讓學生經歷創造性思維到批判性思維的變化。Y-Z平面解釋了思維表現各要素（主要是科學探究過程）中如何融入高階思維，啟示科學探究教學中可融入從創造性思維到批判性思維的過程，由此形成漸進的學習環，利用科學探究過程發展學生的高階思維能力。X-Z平面解釋了科學課程內容與思維表現的整合，在科學課程中主要表現為科學探究過程。科學探究與課程內容的整合是21世紀以來科學課堂教學提倡的重要方式，在此不再贅述。

因此，要有效地培養學生的科學高階思維，應將創造性思維、批判性思維有機地嵌入科學課程內容中，在科學探究的每個階段都要關注思維從創造性過程到批判性過程的變化[3]。另外，該模型還關注STEM跨學科領域中的科學高階思維，在工程設計領域，如物體創造性應用、產品改進過程中，也應融入從創造性思維到批判性思維的高層次認知過程。可見，該模型為科學學科高階思維的培養提供了切實可行的指導。

為高階思維而教的小學科學教學環節

思維型教學理論強調學習中的動機激發、認知沖突、自主建構、自我監控、反思與遷移等過程。基于思維型科學探究教學過程[4]，構建了“為高階思維而教的合作探究教學”過程，二者的關系如圖2所示。

根據思維型教學理論，結合科學高階思維的教學目標，為高階思維而教的合作探究教學環節設計可歸納如下（如圖3）。

第一，創設情境，提出問題。依據學生的生活經驗和已有知識基礎創設最接近真實情況的情境，以此調動學生后續的探究熱情，激發積極思維的傾向[5]。在學生圍繞某一教學主題提出不同的問題之后，應引導學生對問題進行價值判斷（如可行性、科學性、操作性），評價問題的質量，最終聚焦關鍵問題。

第二，設計方案，選擇方案。即設計可行性的解決方案（實驗設計、調查方案、觀察過程等），并從中優選最佳方案。方案的設計經歷了感性認識到理性認識的發展，學生充分發揮想象力、形象思維和創造力，共同參與設計，共享信息，充分討論，相互啟發，對問題進行充分交流和深入研討（亦即社會建構過程），這一過程中回憶、表象變換、比較、分析、概括、假設、計劃等認知過程充分發揮作用，形成了多種可行性方案。隨后，通過聚焦重點、價值判斷、觀點表達等批判性思維的參與，以小組討論的形式引發認知沖突，協調他人觀點，采用正確推理的方式最終確定最佳方案。

第三，合作探究，達成一致。即依據普遍認可的方案，進行實驗、調查、觀察等。合作探究是思維互動的過程，在此過程中學生需要調動多種認知加工策略進行數據分析、現象解釋、結果預測，并與小組成員交流辯論。每個成員都在進行創造性設計，用不同的方法尋找證據，借助各種手段觀察現象，將數據以一種更加明了的方式展現出來，然后小組成員共同研討，最終形成合理的、共同認可的結果，檢驗問題解決的程度、結論對假設的支撐情況及結果的規范性等。

第四，交流評價，總結反思。小組內通過交流達成一致之后，形成了共同的觀點。然后與其他小組的結果或觀點進行交流，充分發表自己的觀點。根據其他小組的反饋意見和不同的解釋，對其他不同觀點或結果進行反思，提出進一步改進策略。

第五，靈活遷移，聚焦運用。逐漸將某種穩定的能力或價值觀從類似情境遷移至新情境中，依據真實案例，引導學生如實進行問題解決，深化對知識的理解，進而促進學生形成穩定的高階思維特質。

進一步而言，依據科學學科的內容特征，為高階思維而教的科學教學過程包括科學概念教學、科學探究教學和科學問題解決教學。在科學概念教學中，其教學目標是通過概念理解、概念分析、概念評價與完善的程序，讓創造性思維、批判性思維參與學習概念的形成、發展、完善、應用等過程，發展學生的科學高階思維能力。在科學探究教學中，其教學目標是通過實驗、觀察、調查等方式獲取證據，讓學生在發現問題、作出假設、分析數據和信息、得出結論、遷移應用的過程中進行思維創造、批判性的分析，最終發展高階思維能力。在科學問題解決教學中，其教學目標是基于工程設計的過程，讓學生進行產品設計、產品優化，培養學生問題解決過程中的創新能力和批判性思維能力。3種教學過程雖有所不同，但都基本按照上述教學環節力求在合作探究過程中發展學生的科學高階思維，讓學生經歷創造性思維到批判性思維的發展。從橫向看，每個教學環節都期望學生經歷創造性思維和批判性思維過程，如“創設情境，提出問題”環節，期望學生根據情境提出多種研究問題，然后聚焦最合適的研究問題。從縱向看，從教學伊始到結束，發生了從創造性思維到批判性思維的變化，到了后期如“交流評價，總結反思”階段，批判性思維為主的認知過程占據主導，縱向的教學環節也遵循創造性思維到批判性思維的變化。

單元案例

為高階思維而教的科學教學過程期望與科學教科書中的教學內容結合起來，也就是說在不改變原有教學進度的前提下融入為高階思維而教的教學過程。下面以湘教版小學《科學》5年級上冊第2單元“簡單機械”為例，展示如何基于原有科學教學內容融入科學概念、科學探究、科學問題解決3種教學過程，培養學生的科學高階思維。

第1課“生活的好幫手”是讓學生了解各種工具，適合采用科學概念教學模式，其教學環節及要素設計如下。

●創設情境，引出概念

情境：觀看視頻，如何解決生活中的這些難題？

沖突：尋找生活中的好幫手

●合作探究，構建概念

概念精細化：我找到的生活好幫手：螺絲刀，它能

概括：人們為了提高工作效率，減少體力支配，不斷在制造和改進工具

●概念理解，交流反思

理解：工具在哪些情況下適用，如螺絲刀可以擰開所有螺絲嗎？

由此理解工具的局限性和多樣性反思：交流、討論工具對我們生活的影響

●概念遷移，解決問題

遷移：尋找更多的生活好幫手，想一想它們有相同的科學原理嗎？

第2課“他能撬動地球嗎”是讓學生學習杠桿原理，適合采用科學探究教學模式，其教學環節及要素設計如下。

●創設情境，提出問題

情境：科學史導入，阿基米德撬動地球的觀點

問題：杠桿是如何工作的？其中有什么原理？

●猜想假設，設計實驗

假設：杠桿支點的位置影響撬動效果，什么因素決定了杠桿是否省力？

設計：尋找杠桿的秘密（支點、動力點、阻力點）

●合作探究，尋找證據

合作：在1根標有刻度的直尺上的不同位置放置鉤碼，利用實驗記錄表理解平衡時鉤碼數量與刻度之間的關系

證據：平衡時兩邊鉤碼數量與刻度值的乘積相等

●解釋結果，交流反思

解釋：當動力點到支點的距離大于支點到助力點的距離時，杠桿省力

反思：觀察生活中的杠桿原理的應用，了解人體的杠桿結構

第3課“輪軸”是讓學生學習輪軸省力的原理，適合采用科學探究教學模式，其教學環節及要素設計如下。

創設情境，提出問題

情境：討論、猜想取下自來水開關上的“圓盤”時，如何能輕松擰開開關

問題：輪軸具有什么作用？

●猜想假設，設計實驗

假設：輪軸可以省力

設計：設計一個簡易輪軸，測量其拉動物體時是否省力了

●合作探究，尋找證據

合作：小組進行實驗，做幾個大小不同的輪軸試一試省力效果

證據：通過比較實驗數據，發現輪軸可以省力，并尋找生活中運用輪軸的事例

●解釋結果，交流反思

解釋：制作古時候人們從深井中提水的裝置——轆轤，并用輪軸原理進行解釋

反思：觀察生活中輪軸的應用，如門把手、擰子、扳手等

第4課“滑輪兄弟”是讓學生理解定滑輪、動滑輪的特性，適合科學探究教學模式，其教學環節及要素設計如下。

●創設情境，提出問題

情境：觀看視頻《起重機的威力》

問題：起重機、旗桿上的滑輪有什么作用？

●猜想假設，設計實驗

假設：通過觀察定滑輪和動滑輪是怎樣工作的，猜想它們的作用

設計：設計有1個定滑輪或1個動滑輪的裝置，測一測力的變化

●合作探究，尋找證據

合作：小組進行實驗，觀察重物運動的方向、拉力方向、重物重力的大小、拉力大小是否有變化

證據：從數據分析中獲取“定滑輪改變方向，動滑輪可以省力”的證據

●解釋結果，交流反思

解釋：比較和分析實驗數據，把結論與猜想或假設進行比較

反思：制作滑輪組，了解滑輪組在生活中的應用

第5課“在斜坡上”是讓學生認識斜面可

以省力，以及如何使用斜面更省力，適合采用科學探究教學模式，其教學環節及要素設計如下。

●創設情境，提出問題

情境：觀看視頻，古埃及人用斜面將巨大的石頭搬向高處，建造金字塔

問題：讓學生討論斜面有何作用，為什么要使用斜面

●猜想假設，設計實驗

假設：學生提出自己的假設，斜面可以/不可以省力

設計：設計一個實驗，用測力計拉著一個物體緩慢地沿著斜面上升，觀察測力計示數的變化

●合作探究，尋找證據

合作：小組進行實驗，多做幾次實驗，將測得的數據記錄下來，以便分析

證據：讓學生比較直接提起物體，和沿斜面拉動物體時使用力的大小，得出實驗結果

●解釋結果，交流反思

解釋：依據數據讓學生理解斜面可以省力，并提出進一步實驗，什么樣的斜面才能更省力

反思：想一想斜面高度、斜面長度與斜

面省力程度有何關系，并列舉生活中斜

面的應用，如盤山公路、立交橋、螺絲

第6課“有趣的傳動”是讓學生在了解傳動類型的基礎上學習簡單機械間的組合，適合采用科學問題解決教學模式，其教學環節及要素設計如下。

●創設情境，明確問題

情境：生活中的玩具——電動玩具四驅車內部的齒輪連接裝置

問題：小馬達產生的動力通過什么傳遞到玩具小車車輪

●分析問題，原型設計

策略：設計大、中、小3個齒輪，且齒輪的齒能咬合在一起

原型：搜集磁力或者按照磁力圖案用紙板剪幾個大、中、小齒輪，在其中一個齒輪上畫1根線表示指針。

●實施計劃，構建模型

實施：用大頭針將3個大小不同的齒輪組裝在一起，固定在泡沫板上。

模型：轉動齒輪，了解裝置的性能，確保轉動1個齒輪時，其他2個齒輪也開始轉動測試優化，討論反思

測試：以1個齒輪為參考標準，轉動1個齒輪，觀察其他2個齒輪的轉動方向和轉動圈數，并記錄下來。

反思：分析齒輪大小與轉動圈數之間的關系，以及齒輪之間的轉動方向的關系。

●實踐應用，改進完善

應用：尋找生活中各種各樣的傳動方式，將我們設計的模型與生活中的齒輪裝置進行比較，理解齒輪傳動的作用。

高階思維的培養必須與科學探究教學結合起來，使思維的培養沉浸在課程內容學習過程中。高階思維的培養是一個系統工程，除了建立有針對性的教學模式實施教學，還要注意課堂氛圍的引導，若教師一味只是照搬教學模式和教學程序，沒有理解合作探究過程中的師生行為，不注重逐漸開放學生的思維，課堂就會顯得太過于操作化，學生沒有學習的主體感。因此，教師要不斷提高自我專業素質，理解合作探究、高階思維學習的教學理念，結合自己的教學經驗進行高階思維教學，這才是實施高階思維教學最基本的保證。