核心素養下科學思維進階課堂的構建

在科學課堂中重視科學思維的培養，可以避免科學探究流于形式，有利于深度學習的發生，以及學生核心素養的發展。思維的激發和培養依賴于課堂活動，有效的科學課堂應該讓學生通過一系列活動實現思維的進階。現以六年級《電動機與現代工業》一課的重點內容“制作簡易電動機”為例，闡述如何以思維進階為目標設計實踐活動，以達成培養學生高階思維的目的。

一、學情分析及教學思路

本課的學科核心概念是技術、工程與社會，課程標準要求，知道發明的常用方法，知道發明會用到一定的科學原理，并且知道技術對提高生產效率或工作效率的影響。學業要求中明確要求，能嘗試應用所學科學原理設計并制作簡單的裝置，能進行模擬演示并簡要解釋如何提高效率。生活中有許多學生熟知的電器均需要用到電動機帶動運轉，然而他們對于電動機的內部結構和工作原理十分陌生。直接制作簡易電動機，對學生而言有較高的難度，因此我設計了思維進階活動，依據課程標準要求以及學情確定了本課的教學目標（見表1）。

在本課的教學中，僅通過制作簡單的電動機，學生的思維止步于對電動機結構的認識，于培養他們的科學思維能力有限。因此，我們在制作簡易電動機的活動中引導學生對電動機的原理進行初步探索，進而實現對學生高階思維的培養。

關于電動機，學生分別在二年級和四年級的科學課程中學習了磁鐵的基本性質和簡單電路的知識，由于他們對電動機的科學原理了解較少，因此在引導他們分析電動機的工作原理的過程中，無需將原理分析得過深，學生知道通電線圈具有磁性就夠了。對于電動機原理的初步認識可以幫助學生深層次理解電動機提高工作效率的原因，并為六年級《電磁鐵》一課的學習奠定基礎，原理分析的過程則可以提升他們的推理論證能力。

本課整體思路是：首先讓學生通過連接電路體驗電動機如何運作，然后將電動機拆解，了解電動機的結構，建構電動機抽象模型，最后引導學生動手制作一個簡易電動機，幫助他們理解電動機的工作原理。我們通過設計進階式學習內容，讓學生由淺入深地開展探究活動，逐步提高思維品質。

二、科學思維進階課堂構建

思維的進階需要依靠課堂活動的進階來實現。“制作簡易電動機”科學思維進階課堂的構建路徑如圖1所示。

模型建構體現在以經驗事實為基礎，對客觀事物進行抽象和概括。思維的起點就是學生的原有經驗，教師需要將他們的經驗與所學的知識聯系起來，讓他們通過探究的方式對電動機進行分析，抽象概括出其模型。這一活動難度較大，學生要從不同的角度分析、思考問題，提出有價值的解決問題的方法，并重復實踐問題解決方案，從而發展創新思維。

課堂的最后一個階段，學生基于前面的證據，推理論證電動機的工作原理。這可以促進學生在課堂中不斷總結和反思，發展科學思維。

三、科學思維進階課堂教學

1.經驗建立：體驗電動機功能

制作簡易電動機是本節課的重點，由于缺乏有關電動機的知識和經驗，學生難以直接實踐，需要對電動機的結構有較深入的認識。思維進階的第一個活動是學生體驗電動機在生活中的應用，獲得的直接經驗成為思維課堂的起點。學生親身體驗對比手動攪蒜機和電動攪蒜機動力的不同之處，以及兩者工作效率的差異。在此活動中，教師通過問題一步步引導學生認識電動機的功能和動力來源，讓他們從活動體驗過渡到對電動機的認識。緊接著組織學生開展組裝簡易電風扇活動，讓他們帶著問題參與實踐活動。教師引導學生從外部猜測電動機的軸是如何轉動起來的，有學生認為電動機轉動是因為內部有齒輪在帶動軸運動，為了驗證自己的猜想，有的小組迫不及待地想要將電動機拆開看看里面到底有什么。

教學片段

（1）對比手動攪蒜機和電動攪蒜機的不同點

師：今天老師帶來了兩個廚房常用的工具，你們知道這是什么嗎？

生：攪蒜機。

師：請一位同學上來體驗一下，其他同學觀察這兩個攪蒜機有什么不同？

生：一個是手動的，一個是電動的。

師：電動攪蒜機的動力來源于什么？

生：電池。

師：電如何轉化成攪蒜機轉動的動力？

生：里面有小馬達。

（思維發展：學生通過對比手動和電動攪蒜機，認識電動機在生活中的應用，初步建構電動機概念。）

（2）組裝簡易電風扇

（第一步：組裝電池盒，將導線與電動機兩側的金屬片連接并觀察。第二步：斷電，將風扇葉片安裝在電動機的轉動軸上，通電并觀察。）

師：電動機運作的過程中，你有什么發現？

生：通電之后，電動機中間的軸轉動起來。

師：為什么電動機通電之后中間的軸會轉動起來？其內部結構是怎樣的？

生：里面可能有齒輪帶動軸運動。

（思維發展：學生通過電動機體驗活動，增進了對電動機的認識，他們從外部猜測電動機的軸是如何轉動起來，開始對電動機轉動原理進行推理。）

2.模型建構：認識電動機結構

基于上一活動中學生對電動機的初步體驗，我們引導學生對電動機進行深度探索。學生拆解電動機，觀察其內部結構是否與自己的猜想一致。他們帶著強烈的好奇心拆開電動機（如圖2），發現里面并沒有齒輪，此時學生產生了極大的認知沖突，并開始對電動機的結構進行分析、思考：為什么電動機中間的軸會轉動？與里面的什么材料有關？

在教師的引導下，學生逐步認識并簡化電動機的結構，概括出電動機模型（如圖3）。電動機由轉子和定子組成，轉子上纏繞著銅線，會轉動，定子上固定著磁鐵，此部分固定不動。此時，學生對電動機的結構已有了初步認知，知道電動機的重要組成部分，但還無法解釋電動機中間的軸在通電之后能夠快速運動的原因。因此，下一個活動試圖引導學生通過動手制作簡易電動機，將電動機的抽象模型轉化為模型，探究電動機的工作原理。

教學片段

師：同學們已經猜測了電動機的內部結構，現在請大家將電動機拆開，看看電動機內部的結構與猜測是否一致。活動要求：①觀察它是由哪幾個部分組成的，各部分有什么部件？②拆的時候要記住各部分是怎么連接的，需裝配還原。

（學生將電動機拆開觀察。）

師：電動機可以拆分為幾個部分？

生：可以拆成3個部分。

師：電動機的每個部分分別有什么？

生：電動機最外面是一個金屬外殼，內部有兩塊彎曲的磁鐵粘在上面。電動機尾部有一個塑料蓋，并且有金屬刷連接外側金屬片。電動機的中間部分是一個纏繞著銅線的軸。

師：我們可以根據這3個部分的特點給它們命名嗎？電動機最外面是一個金屬外殼，里面有彎曲的磁鐵，可以命名為什么？

生：外殼。

師：電動機尾部的塑料蓋可以命名為什么？

生：后蓋。

師：電動機中間轉動的部分可以命名為什么？

生：轉子。

師：通過對電動機各個部分運行狀態的分析，我們可以看出電動機分成轉動部分和不動部分。它們分別稱為什么呢？

生：轉動的部分是轉子，不動的部分則是定子。

師：電動機可拆分為外殼、轉子和后蓋3個部分，外殼是固定不動的，稱為定子，中間的轉動部分稱為轉子，因此，可以說電動機由轉子、定子和其他附件組成。

（思維發展：學生對實物進行分析，建構電動機的抽象模型。）

3.創新思維：制作簡易電動機

盡管學生前面對于電動機的結構有了較為深入的觀察，但是在將抽象模型轉化為實物模型的過程中依然存在著較大的難度。教師需要引導學生根據前面觀察到的電動機結構和建構的抽象模型，思考制作簡易電動機需要什么材料，各部分材料分別起到什么作用。明確了所需材料及其功能之后，學生才具備了制作簡易電動機的基本知識。基于學生的認知水平，為降低操作難度，教師可以錄制操作視頻，為他們提供學習支架。學生在動手制作電動機的過程中會出現各種各樣的問題，教師需要適時提供指導。活動時間截止后仍會存在一些小組的線圈無法轉動起來，教師可以要求學生停下來總結成功的經驗和分析失敗的原因。有了這些經驗后，學生再次嘗試制作簡易電動機，第二次制作時成功率就大大提高了。在這個活動過程中，學生操作的目標聚焦在如何讓線圈轉動起來，他們從不同的角度分析、思考線圈不轉的原因，并調整解決方案，不斷嘗試直至成功完成簡易電動機的制作（如圖4）。

教學片段

師：我們已經了解電動機的基本結構，同學們想不想自己制作一個簡易電動機呢？根據剛才觀察的電動機結構，我們需要準備什么材料？

生：線圈、磁鐵、電池、導線、固定線圈的東西等。

師：老師提前準備好了一些材料（出示：漆包線、強磁鐵、干電池盒、海綿板、小木條、Y形支架等）。請同學們思考這些材料分別屬于轉子部分，還是定子部分？

生：漆包線屬于轉子，強磁鐵屬于定子。

師：它們分別起到什么作用？

生：漆包線做成轉子轉動，強磁鐵具有磁性，干電池盒提供電能，海綿板、小木條、Y形支架可以固定轉子。

（教師出示制作步驟：①將漆包線繞成直徑約為2厘米的圓形線圈，大約20匝。②將電線接頭和Y形支架一起固定在小木條圓孔內，再插入海綿板。③在圓形線圈線頭的一端用小刀刮掉全部絕緣漆，另一端刮掉半周絕緣漆。④把線圈放在支架上，線圈下端放一塊強磁鐵。連通電路，調整磁鐵的位置，觀察線圈是否轉動。之后，學生開始制作簡易電動機，教師巡視指導。）

師：有些小組的電動機在組員的共同努力下很快就運轉起來了，還有好多小組的線圈沒有轉動起來，請成功的小組總結一下經驗。

生：我們小組發現，只有當磁鐵離線圈比較近時線圈才能動起來。

生：我們小組一開始將線圈兩端的漆全部都刮掉了，結果線圈怎么都不轉。我們在老師的指導下發現了這個問題，于是重新處理了線圈，才成功了。

生：我們小組通過排查故障發現是因為沒有閉合電池開關，所以線圈沒有轉動。

生：我們小組的線圈一開始轉動得很慢，更換新電池后線圈的轉速明顯變快了。

（根據成功小組的經驗分享，教師引導失敗的小組分析失敗的原因。略。）

師：根據這些同學的發言，線圈沒有轉動起來可能是以下原因造成的：①油漆故障。刮漆的部位不對，沒有相對等刮漆，在同一邊刮漆或刮漆不徹底等。②支架故障。支架太高，導致強磁鐵的磁性強度不夠等。如果是這種故障，可更換更強磁鐵，或調低支架，讓轉子靠近強磁體，但要防止線圈被磁鐵阻礙旋轉。③電池故障。沒電或電量不足等。④導線故障。請同學們針對前面總結的失敗原因再次嘗試。

（思維發展：制作簡易電動機是將抽象模型轉化為實物模型，學生在制作簡易電動機的過程中不斷分析、總結失敗的原因，并重復嘗試，發展了思維。為培養學生的創新思維，教師布置課后實踐作業——制作電風扇，學生根據課堂中學到的科學原理，創新實踐，深化認識技術改變人類生活。圖5為學生課后制作的電風扇作品。）

4.推理論證：分析電動機工作原理

本課中，科學思維進階的最后一步是回應最初提出的問題：為什么電動機的轉子會轉動？學生成功制作簡易電動機后，通過推理論證，初步認識電動機的工作原理。

教學片段

師：為什么通電之后，線圈會轉動起來？

（小組討論。）

師：通電線圈轉動與什么有關？

生：應該與磁鐵有關，磁鐵靠近線圈時線圈會轉動，二者距離較遠時就停止轉動了。

師：這與磁鐵的什么性質有關呢？

生：磁性。

師：磁鐵可以吸引哪些物質？

生：可以吸引鐵以及另外幾種金屬。

師：你們將斷電的線圈和磁鐵放在一起后，線圈會被吸引嗎？

生：不會吸引，說明漆包線不是能被磁鐵吸引的物質。

師：那為何通電線圈與磁鐵之間存在相互作用的力？

生：一定是線圈通電后產生了磁性。

師：通電后的線圈就相當于一塊磁鐵，通電線圈與磁鐵相互作用使得電動機轉動起來。這個簡易電動機在運作過程中，能量是如何轉化的？

生：電能轉化為動能。

（思維發展：學生能基于簡易電動機的結構和材料，推理論證電動機轉動原理。）

結語

在思維進階的課堂中，學生通過觀察、體驗、實踐與反思，逐步建構科學概念和思維能力。在思維進階系列活動中，學生從對電動機功能的淺表認識，到對電動機模型的建構再到對科學原理的解釋，思維伴隨著活動的深入不斷發展。

（作者單位：徐玲，福建省廈門實驗中學；李彬，福建省廈門第一中學）