浅议指向高阶思维的小学科学实验教学
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作者:吕卉
【摘要】实验是小学科学重要的教学内容和教学形式。基于将培养学生的高阶思维作为实验教学的重要目标，文章从高阶思维的内涵、高阶思维的特质、实验教学对培养高阶思维的作用以及在实验教学中培养高阶思维的策略四方面展开论述，以期提高学生的思维能力。
【关键词】高阶思维；创造性思维；小学科学实验
作者简介：吕卉（1987―），女，江苏省常州市武进区湟里中心小学。
小学科学是一门以培养学生科学素养为宗旨的基础型课程，实验是小学科学重要的教学内容，也是小学科学教学重要的组织形式。引导学生开展以分析、评价和创造为主的高阶思维活动，对于促进学生实现深度学习和形成科学素养具有十分重要的作用。
一、高阶思维的内涵
心理学家本杰明・布鲁姆将思维过程从认知角度细分为６个教学目标，即记忆、理解、应用、分析、评价和创造，其中记忆、理解、应用是低阶思维，是较低层次的认知水平，主要用于学习事实性知识或完成简单任务的能力；分析、评价和创造为高阶思维，是发生在较高认知水平层次上的心智活动或认知能力［1］。高阶思维的核心是创造性思维和批判性思维。
当前，随着科技的进步和社会的发展，低阶思维能力越来越不能适应当代社会，因此，注重高阶思维能力的培养是当前教育发展的必然趋势。
二、小学生高阶思维的特质
根据著名儿童心理学家皮亚杰所划分的感知运算阶段、前运算阶段、具体运算阶段、形式运算阶段四个儿童认知发展阶段论，小学生（7―12岁）处于具体运算阶段。这个时期，学生的心理操作以抽象概念为主，思维具有一定的弹性，此时学生已经有了思维的完整性和逻辑性。也就是说这一时期的学生已初步具备高阶思维特质，虽然抽象逻辑思维能力还有所欠缺，但他们已经具有表象逻辑思维。
三、小学科学实验教学对培养学生高阶思维的作用
小学科学是一门以实验为基础的自然学科，实验是开展科学探究最主要的方法。《义务教育小学科学课程标准》（以下简称《课程标准》）指出，科学探究是获取科学知识的主要途径，是通过多种方法寻找证据，运用创造性思维和逻辑思维推理和解决问题，并通过评价和交流等方式达成共识的过程［2］。
分析、评价、创造等高阶思维能力是进行科学探究的主要能力。收集证据、处理信息、得出结论需要分析思维；表达与交流、反思与评价需要评价思维；提出问题、设计实验方案、制作模型需要创造性思维。因此，在科学实验探究中经常开展高阶思维的活动，不断地积累和运用高阶思维品质，提升思维的灵敏性和深刻性，才能让科学探究真正发生，达到培养学生科学素养的终极目标。
四、小学科学实验教学培养学生高阶思维的策略
（一）确立指向高阶思维的实验教学目标
目标是教学的灵魂，教学目标既是教学的出发点，也是教学的归宿，同时又是教学评价的依据。只有明确地将培养学生的高阶思维作为实验教学的目标，才有可能设计出支持高阶思维发展的实验活动并予以落实。在设计实验活动之前，教师应深入解读教学内容，分析学生的认知特点，运用各种实验资源制订具体的指向高阶思维的教学目标。
《课程标准》中提出的课程目标包括科学知识目标、科学探究目标、科学态度目标和科学、技术、社会与环境目标。实验教学目标不仅关注知识的掌握、技能的提升、态度的形成，更加注重培养发现问题、解决问题的能力，以及批判性和创造性思维能力。与常规的实验教学目标相比，指向高阶思维的实验活动目标增加了思维目标，常用的行为动词有设计、假设、辨别、发现关系等。
例如，K教版小学科学四年级下册“水遇冷以后”一课研究水蒸气遇冷以后的变化，常规的活动目标这样描述：通过观察与描述，知道水遇冷以后形态会发生变化。而指向高阶思维的活动目标可以这样描述：会选择合适的材料，模拟露水的形成，具有分析和设计实验的能力；根据实验现象，分析露水形成的过程，知道水蒸气遇冷形态会发生变化。
（二）聚焦思维，优化实验活动设计
培养高阶思维需要有高阶学习活动的支持，只有将高阶思维的发展落实到具体的学习活动中，才能有效促进学生思维能力和探究能力的提升。因此，在实验教学中，教师应积极开发对学生具有挑战意义的、开放的、富含高阶思维特征的实验活动，引发学生不断突破原有的思维定式，搭建新的认知图式，由此逐步发展学生的高阶思维能力。
下面笔者以苏教版小学科学四年级下册第一单元“冷和热”为例，具体阐述提升学生高阶思维的实验教学设计。
1.创设问题情境，激活思维
实验探究活动的起点是提出问题，因此创设真实的情境、提出问题是设计实验探究活动的首要任务。
例如，“水遇冷以后”一课，以生活中常见的露水为课堂导入，让学生说说什么时候见过露水，那时的气温在一天之中是高还是低，根据露水形成的时间和温度你能猜猜露水形成的原因吗？用生活中常见的现象导入教学，激发学生的兴趣，通过递进的问题串，激活学生的思维。
2.重视猜想与假设，发展思维
在科学研究中，当科学家发现用已有知识无法解释的现象时，会根据自己掌握的资料和经验对问题或现象做出预判，即提出科学假设或猜测［3］。做出假设也是科学探究活动的重要环节之一，需要综合运用分析、类比、归纳、想象等思维方法，因此教师在设计探究活动时也应该重视学生的猜想与假设，在实验活动中，利用追问和质疑的方式引导学生做出假设，并说出自己的依据。
例如，“冷热与温度”一课的研究问题为热水在变亮的过程中，水温是匀速下降，还是先快后慢地下降，或是其他？请同学们说说自己的假设。有的学生认为先快后慢，有的学生认为先慢后快，还有的认为没有规律。面对学生的不同回答，教师会询问：“你为什么这样想？”有的学生说：“水温比较高，热量散发快。”还有的学生说：“水温和环境温度相差大，下降快，后面水温降低，与环境温差小，下降就慢。”通过教师的追问和质疑，学生调动已有的知识经验进行分析，做出自己的假设，在这个过程中，学生的逻辑思维和批判性思维得到发展。
3.制订实验方案，提升思维
实验方案设计是学生具有一定的相关知识和习得一定的操作经验的基础上，根据思维程序来完成的心智活动，是最能体现一个人思维能力的一项活动［4］。实验设计是探究活动的组成部分，是实验证据搜集和问题解释等活动的前提条件。为了让学生能充分有效地进行实验设计，并落实设计内容，教师可以从问题情境的创设、提供假设的依据、搭建活动的“脚手架”等方面入手，提升学生实验设计的能力。
例如，“热胀冷缩”一课研究空气受热和遇冷时，体积会有什么变化。在已知液体有热胀冷缩的性质之后，学生心里也有疑惑，其他物体有没有热胀冷缩的性质呢？教师可顺势提出研究问题：“气体，如最常见的空气，有没有热胀冷缩的性质呢？”学生猜想有。教师继续引导：“你能用实验来验证自己的想法吗？联系刚刚液体热胀冷缩的实验，想一想我们可以用哪些材料来验证呢？”教师给予学生充分思考的时间，学生在生活中接触过气球和皮球，因此部分学生就会想到利用气球，将其套在瓶口放入热水中。教师可继续提问：“这个想法是否可行？”以此引发学生思考并讨论实验的可行性。
另外，教师也可以在验证性实验中融入综合性、探索性内容，为学生搭建好“脚手架”，逐步引导学生设计实验方案。
例如，“水遇冷以后”研究水蒸气遇冷以后的变化，在充分讨论了露水形成的原因后，教师抛出问题：“你能制造露水吗？”问题刚提出时，学生可能想不到方法，这个时候教师要给他们一个“脚手架”，问：“要想制造露水，先要制造什么？”学生马上就能想到先要制造水蒸气，此时教师继续问：“水蒸气怎么制造呢？制造了水蒸气后还需要什么呢？”在教师一步一步的引领下，学生设计出了实验装置和实验步骤。
4.收集和分析数据，深化思维
实验数据的收集与分析往往是最容易被忽视的环节，但其实运用好数据的收集和分析能培养学生的实证意识，这也是克服目前科学教学中普遍存在的“重过程，轻结论”问题的有效途径。科学实验活动中，教师要引导学生主动收集数据，学会整理数据，关注每个数据，培养分析概括能力，能基于数据发现现象，更要能基于证据提出批判性的问题，使学生养成实事求是、严谨细致、基于证据的批判性思维。
例如，“水受热以后”一课研究水沸腾前后温度和水位的变化。在实验前，教师问：“你们知道一般情况下，水沸腾的温度是多少摄氏度吗？”学生回答：“100℃。”在实验过程中，学生用酒精灯加热烧杯中的水，每隔一分钟测量一次水的温度，直到水沸腾4分钟后，停止加热。教师指导学生实事求是地记录数据，并画出温度变化的曲线图，再提问：“实验时你是如何知道水已经沸腾了？”学生答：“水翻滚了，冒大量气泡时就沸腾了。”教师又问，水沸腾时的温度是多少。根据学生的测量，当水沸腾时，温度计示数只有95℃。这时教师提问：“你们有疑问吗？刚刚说水沸腾时的温度是100℃，为什么测量出来是95℃呢？是我们测量错了吗？”此后，教师通过对比高原地区和高压锅水的沸点，帮助学生理解水沸腾时的温度还和当时的气压有关。
通过教师适时的引导，学生主动分析数据，发现问题数据并尝试解释，运用数据来解决问题，培养了对数据的敏感性，提高了分析思维能力和科学素养。
5.关注表达和评价，活跃思维
表达与交流也是科学探究的过程，清晰、准确、公正地表达与交流是任何活动所必需的，也是一切科学工作的基础，同样也是小学科学探究活动的重要h节。在表达与交流过后，教师要对学生进行及时评价，同时鼓励学生之间互相评价，促进学生思维的不断深入。在课堂上，教师要鼓励学生大胆地说出自己的实验结论，并鼓励他们对同学的回答进行质疑和评价，以此培养学生的归纳能力和批判性、发散性思维。
例如，“冷热与温度”一课，学生做完热水降温实验后，得到了一组数据，此时教师问：“根据数据，你能说一说热水降温是什么规律吗？”学生回答：“是先快后慢的规律。”教师继续问：“我怎么没有看出来呢？同学们看出来了吗？你是怎么看出来的呢？”学生回答，还需要看每两分钟水下降的温度，这时教师再问：“你们同意他的观点吗？你们还有什么好的办法吗？”学生继续评价并补充。
教师的正面激励和学生的相互评价共同作用，让学生在课堂上敢于表达，善于表达，从而使思维能力在思辨中得到发展和提升。
（三）开发多样化的实验教学组织形式
为发展学生的高阶思维，教师还需开发多种实验教学组织形式，利用学校、社区、家庭等资源，开发延伸实验作为课后探究活动，让学生以小组合作的方式展开探究，甚至可以开展一些长期的课外探究活动，以弥补课堂教学的不足，拓展学生思维的广度。
例如，在学生学习了如何制造露水，如何制造冰之后，教师可以设计制造霜的实验活动，鼓励学生利用家庭生活中常见的材料，充分利用课后、兴趣小组等时间完成实验探究，并且可以鼓励学生将水的三态变化制作成漫画、思维导图等形式在班内交流分享。
总之，在小学科学实验教学中培养学生的高阶思维有非常重要的价值和研究意义。在实验教学中，教师首先要转变思想，开展思维培养教学，不断探索和运用各种教学策略来组织活动，真正发展学生的思维能力和科学素养。
【参考文献】
［1］陈懋.基于学生高阶思维培养的初中物理实验教学［J］.物理教师，2021，42（09）：56-58.
［2］中华人民共和国教育部.义务教育小学科学课程标准［M］.北京：北京师范大学出版社，2017.
［3］柴西勤.小学科学课上发展学生“猜想与假设”能力的思考［J］.课程・教材・教法，2019，39（07）：127-131.
［4］王爱生.实验是发展思维之伴［J］.中小学实验与装备，2019，29（03）：31-34.
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