基于發展高階思維教學《電鈴的能量轉化》

科學課程標準強調，科學思維不僅是學生學習科學必備的關鍵技能，也是適應現代社會發展的核心思維方式，是科學課程核心素養的重要組成。在科學探究中，學生需要學習發現問題、提出假設、設計實驗、收集和分析數據、得出結論等，這些都需要學生具備一定的科學高階思維能力。高階思維的培養有助于提高學生的科學素養，為他們日后的學習和工作奠定堅實的基礎。現以《電鈴的能量轉化》一課為例，分析基于發展高階思維進行教學。

一、了解學生思維基礎

通過比較最近幾版科學課程標準我們會發現，與該課關聯的學習內容及要求，2022年版課程標準的表述更準確，進階結構更加清晰，側重于物質科學方向，涉及物質的運動與相互作用、能的轉化與能量守恒兩個學科核心概念，以及物質與能量、結構與功能兩個跨學科概念。

該課在教材中的位置不變，都在五年級下冊第二單元。但是在原教材中稱為“能量轉換”，而現教材中變為“能量轉化”。能的轉化是指各種形式的能之間可以相互轉化，不同物體之間的能量也可以傳遞；能可以從一種形式轉化成另一種形式，也可以從一個物體轉移到另一個物體；能的轉化和轉移都有方向。

縱觀教材，我們發現在知識上呈現了從事實性到解釋性、從具體到抽象的進階。3～4年級主要是對能量的個別認知，5～6年級主要是具體認識生活中常見的幾種能的形式，并且了解這些能的相互轉化現象，7～9年級主要是更深入研究能量的守恒現象及其在生活中的應用。

該課以電鈴為載體，引導學生認識電磁鐵的基本性質，體會電能與磁能、動能、聲能之間的轉化過程，主要科學實踐活動是探究電磁鐵的性質。課堂教學中，教師引導學生觀察電鈴的結構以及電鈴工作時發生的現象，并由此引出電磁鐵概念。學生利用漆包線、鐵釘、電池、開關等制作電磁鐵，通過制作過程了解電磁鐵的基本組成部分；分析能量轉化的過程，比較不同電磁鐵引出新問題。

該單元的重難點在于分析生活中的能量轉化，而要想知道生活中的能量轉化就要知道組成電器的結構及其如何功能，這指向跨學科概念“結構與功能”，同時要分析能量及其轉化，這指向跨學科概念“物質與能量”。在之前的電燈的能量轉化學習中，學生觀察了電燈的結構，分析了其能量轉化方式，這為該課觀察電鈴的結構、分析電鈴的能量轉化方式做一個鋪墊。

由此，我們確立了如下教學目標：

了解電鈴的結構，知道電鈴的工作原理是利用了電磁鐵的性質；能簡單分析電鈴工作時的能量轉化情況；了解電磁鐵的基本結構。

通過觀察、比較、分析，歸納電磁鐵的能量轉化情況。

能設計制作一個簡易電磁鐵，比較電磁鐵性質，設計實驗探究電磁鐵性質。

樂于參與和能量轉化有關的科學實踐活動；能基于證據和推理發表自己的觀點，實事求是，勇于修正與完善自己的觀點。

二、善于引用生活素材

生活素材對于科學學習非常重要。教師要善于創設真實且適合的情境，讓課堂上的知識與學生所處的真實世界產生聯系，引導他們使用高階思維解決問題。該課以“消防警鈴”為抓手，創設情境喚醒學生的前概念，激發其主觀能動性。通過這些接近生活的問題，能在很大程度上調動學生參與課堂的熱情，讓他們更愿意在課堂上互動，分享自己在生活中的見聞，用自己的經驗解答問題，有效培養他們的獨創性思維能力和高階思維能力。

片段1：情境創設

師：每個月學校都會進行消防演習，目的就是當火災發生時我們能夠用正確的方法有序逃離現場。當火災發生時，消防員會怎么做，讓我們一起來看看。

（學生觀看視頻。）

師：看了這個視頻后，你有什么感受？

生：消防員出警的速度很快。

師：消防員是聽到了什么聲音，這么快出警的呢？

生：消防警鈴。

師：警鈴也就是電鈴，電鈴發聲時能量是怎樣轉化的呢？

生：我認為電鈴工作時是由電能轉化成聲能。

師：是不是大家說的這樣呢？今天這節課我們就來研究電鈴的能量轉化。

三、精心構建問題串

基于高階思維能力培養的小學科學探究問題串分為并列式、遞進式、探究式及延展式四種。[1]簡單的并列式問題串可以讓學生運用低階思維方式，引發深層次的思考，提升高階思維能力。遞進式問題串讓學生在由淺入深、環環相扣的精細化科學問題情境下不斷建構知識，提升高階思維能力。探究式問題串有助于培育學生演繹推理、模型建構、批判思維、歸納與創造等高階思維能力，建構科學概念。延展式問題串有助于培養學生的發散思維，極大地促進了他們的分析、評價、創造等高階思維能力向縱深方向發展。

教師在設計該課的問題串時應著重關注問題與問題之間的關聯度與坡度，將問題串靈活地應用于教學環節中，讓各個問題之間形成并列、遞進、因果與發散等邏輯關系，引導學生整體認知、突破難點、 激趣促學，培養其宏觀、全面與縝密的思維方式。該課問題串如圖1。

片段2：并列式問題串

師：你們說的這些能量是怎樣轉化的？

生：我認為電鈴里面有個鈴鐺，通電后鈴鐺就響了，產生了聲能。

生：我認為供電的部分能夠產生電能，電能通過一個可以轉動的部分轉化為動能，動能在空氣中振動產生聲能。

師：能量的產生和轉化與電鈴的哪些結構有關系？觀察一下電鈴的結構，并寫在記錄單上（如圖2）。

（學生分組觀察。）

師：電鈴是由哪幾部分組成的？誰來分享一下你的觀察結果？

生：我觀察到電鈴由電池盒、導線、小錘子、鈴鐺、線圈、彈簧片組成。

師：有沒有補充？線圈繞在哪里？

生：繞在鐵芯上。

師：科學上我們把由線圈和鐵芯組成的結構叫作電磁鐵。

片段3：遞進式問題串

師：為什么你們的電鈴與老師的電鈴發出的聲音不同？

生：因為沒有通電，電磁鐵就沒有磁性，所以沒辦法吸引彈簧片。

師：請同學們看一看老師這里的電鈴，已經通電了，為什么沒有清脆的鈴聲？

（播放視頻。）

生：因為小錘沒有敲擊到鈴碗。

師：你觀察得特別細致，聲能是怎么產生的？

生：小錘敲擊鈴碗產生聲能。

師：動能是怎么產生的？

生：小錘運動產生動能。

師：通電后，電鈴的聲音為什么發生了變化？有什么不同？小錘為什么會產生動能敲擊鈴碗呢？誰驅動小錘敲擊鈴碗？為什么？

生：是電磁鐵。因為電磁鐵連接著導線，通電后能吸引彈簧片，彈簧片帶動小錘去敲擊鈴碗。

師：電磁鐵通電后真的能吸引彈簧片嗎？怎么證明？

生：把電鈴通電后看看電磁鐵能不能吸引小錘。

生：我不認同他的想法，我覺得應該單獨制作一個電磁鐵，通電后吸引彈簧片試試，看電磁鐵有沒有磁性。

師：怎么制作一個電磁鐵？需要用到什么材料？

生：需要用到線圈和鐵釘，把線圈纏到鐵釘上。

師：線圈怎么纏繞在鐵釘上？有什么需要注意的嗎？

生：沿同一方向均勻纏繞。

師：怎么讓電磁鐵通電？需要用到什么材料？怎么做？

生：把電磁鐵和電池盒連接上。

師：漆包線上涂有一層絕緣漆，要想讓它能夠通電，我們還需要怎么做？

生：我覺得可以用砂紙將兩端打磨。

師：怎么能安全地控制電磁鐵的通電和斷電呢？需要用到什么？

生：開關。

師：下面就請同學們利用這些材料組裝一個電磁鐵，做好后試一試電磁鐵有沒有磁性。大家注意，組裝過程中開關應保持斷開的狀態。

片段4：探究式問題串

師：誰來分享一下你觀察到什么現象？

生：我發現電磁鐵通電后可以吸引彈簧片，斷電后不能吸引彈簧片。

師：這個實驗結果說明什么？

生：說明電磁鐵有磁性。電磁鐵在通電后電能轉化成磁能。

師：現在誰能再試著說一下電鈴工作時能量是怎樣轉化的？

生：電能轉化成磁能，再轉化成動能，最后轉化成聲能。

師：電磁鐵有南極北極嗎？

生：我認為電磁鐵和普通磁鐵一樣有南極和北極，因為電磁鐵也是磁鐵。

師：電磁鐵兩端的極性與什么有關？

生：可能和電池的正負極有關，可能和線圈纏繞方向有關。

片段5：延展式問題串

師：在剛才的實驗過程中，我錄了A、B兩個小組的實驗視頻，請同學們觀察一下，看看有什么新發現？

（播放視頻。）

生：我發現A組電磁鐵線圈纏繞的特別多，而B組線圈就繞了一小部分，可能它們磁性的強弱是不一樣的。

師：線圈的數量會影響電磁鐵磁性的強弱嗎？你們認同他的想法嗎？還有什么發現？請同學們課下嘗試研究自己感興趣的問題，下節課我們繼續研究。

四、設計動態板書

動態板書設計可以輔助學生高階思維的外顯，主要體現在以下方面。

現象描述。科學課上的觀察活動和實驗是培養學生高階思維的好機會。教師自制板貼“電鈴”模型，讓學生在模型上直觀地把想法表達出來。這個模型在教學中會隨著學生思維發展的不同階段呈現出不同的效果和功能，從而提升他們的高階思維能力。

過程模擬。動態板書可以模擬科學探究過程，讓學生經歷“觀察—推測—驗證—解釋—再觀察”的思維過程，進而形成嚴謹的實證意識。

問題引導。教師可以通過動態板書引導學生進行科學探究，讓他們帶著問題去觀察、分析和思考。

概念梳理。動態板書可以幫助學生梳理科學概念，形成知識網絡。該課中，教師利用動態板書展示了電鈴結構和能量轉化的關系，幫助學生形成對電鈴的能量轉化的整體理解。

反思與總結。在課程結束時，教師引導學生利用動態板書進行反思和總結，如回顧該課的主要知識點、實驗過程和自己的思考等，這有助于他們高階思維的外顯。

動態板書設計要體現概括性、嚴謹性、動態性和藝術性，讓學生的科學思維進階過程具象化，促進思維外顯，為他們應用遷移所學方法奠定基礎。

五、構建有效評價

構建有效評價需要教師采用多種評價方式，有效地促進學生的高階思維提升。

形成性評價。該課中，教師讓學生預測電鈴在工作時能量是怎樣轉化的，并解釋自己的預測。這不僅是一個形成性評價，可以了解學生對電鈴結構及作用的認知情況，也能引導他們進行更高層次的思考。

表現性評價。在“觀察電鈴的結構”環節中，教師讓學生分小組進行觀察并記錄。通過記錄單，教師可以了解學生對電鈴結構及作用的理解程度。這種評價方式不僅關注學生的知識掌握情況，還關注他們的實踐能力和觀察能力。

反思性評價。該課中，教師引導學生反思在學習過程中遇到的困難和解決方法。例如，對于“小錘為什么會產生動能敲擊鈴碗？誰驅動小錘敲擊鈴碗？為什么？”這樣的問題，教師作為教學活動的設計者和組織者，要為學生提供思維支架，引發學生思考；教師可以讓學生回顧自己的學習過程，思考問題的解決方法，從而培養他們的批判性思維和自我評價能力。

綜合性評價。該課中，教師讓學生制作一個簡易電鈴，并說明這個簡易電鈴在工作時能量的轉化情況。這個任務需要學生運用所學的能量知識，同時還需要他們發揮創造力和想象力。通過對作品的綜合性評價，教師可以了解學生對能量轉化的理解和掌握程度，同時能培養他們的綜合能力和高階思維。

六、設定拓展主題

設定拓展主題可以培養學生自主學習的能力和創新能力，更有助于培養他們的高階思維能力。課后，教師可以引發學生繼續思考：電磁鐵的磁性強弱能改變嗎？你準備怎樣研究這些問題？怎么設計一個既實用又可靠的消防警鈴？這可以激發學生的創新思維，鼓勵他們跳出常規，挖掘他們的潛力，進一步提升他們的探究能力和創新思維。在拓展的過程中，教師可以引導學生將所學的理論知識轉化為實踐能力。學生利用各種材料和工具，如小電珠、導線、電池盒、金屬片、木棍、熱膠槍等，制作他們心中理想的消防警鈴。

在后續的學習中，教師可適時引導學生思考如何有效地使用這些材料和工具，以及如何解決在制作過程中可能遇到的問題。這個過程不僅讓學生有機會應用他們在課程中學習的科學知識，而且可以提升他們的創新思維和解決問題的能力。這種參與拓展的學習方式促使學生從被動的知識接收者轉變為主動的創新者，拓展了他們的高階思維空間。

[課題：人民教育出版社課程教材研究所“十四五”課題“小學科學跨學科學習及教材呈現研究”，批準號：KC2022-32]

（作者單位：劉玲、徐穎，北京市西城區志成小學；李瑩，北京市西城區教育研修學院）

參考文獻

[1]黃威.基于高階思維能力培養的小學科學探究問題串探析[J].教師教育論壇，2018（02）.