指向科学思维发展的实践活动设计

科学课程标准指出，科学思维是落实核心素养的核心和关键，探究实践是科学学习的主要方式，是培养学生科学思维能力的主要途径。科学思维只有在需要思维的学科实践活动中才能自主发生，我结合三次试教《制作钟摆》这一课，尝试在教学中注重学生科学思维的发展，培养他们的科学思维能力。

《制作钟摆》是五年级“计量时间”单元的第6课，与前面的两节课组合成摆的研究，属于一个连续的研究版块。通过前几节课的学习，学生已经知道单摆具有等时性，也清楚摆的摆动快慢与摆绳长短有关：摆绳越长，摆动越慢；摆绳越短，摆动越快。在本课的研究中，学生用调节摆绳长度的方法来调节摆的快慢，最终制作一个1分钟摆动60次的摆，也就是机械摆钟的钟摆。

一般情况下，本节课的教学重点会落在调试摆线长短的活动中，操作多于思考。为了加强学生的思考空间，促进动脑与动手结合，提升学生的思维发展，我对本课进行了多次改进。

一、挑战性任务，为思考确定难度

经过对教材和学生的分析，我制订了本课的教学目标：根据已知摆绳长度与摆动快慢间的关系，熟练应用“摆绳越长摆动越慢，摆绳越短摆动越快”这一规律，制订调试方案并根据测得摆动快慢变化的数据，自主调试完成1分钟摆60次的摆；在实践探究中，学习细心观察、准确测量、有据推理、严谨求证，能对新问题的研究保持积极的探究欲望。基于此，我确定了本课的挑战任务——15分钟制作一个1分钟摆动60次的摆。

该挑战任务是基于对学生的知识经验、认知水平进行综合评估，确立的符合学生最近发展区并能让他们自主解决的任务。要在15分钟完成挑战任务，就意味着学生必须放弃1厘米1厘米改变摆绳长度的机械操作的想法，而是要运用已知的规律，思考怎样才能在最短时间内、用更少的调试次数准确地完成任务。同时，这一任务还体现了分层的特点：“准确”是普适性要求，“高效”则是对学有余力的学生提出的更高要求，在“跳一跳可以摘到桃子”的刺激下，让学生自主思考，学以致用，解决问题。

二、铺垫性的数据，为思考提供素材

在第一次试教时，我只是回顾了摆绳在长、中、短情况下摆动快慢的变化规律，并没有相应的具体数据，然后引导学生思考“如何制作1分钟摆动60次的摆”，他们比较茫然。教师如果不引导学生明确方案，会导致他们的思维无法得到有效发展。

怎样才能让学生有理有据地设计方案，在自主思考实践中，有效调整摆绳长度完成1分钟摆动60次的摆呢？我对出示任务前的教学环节进行调整，在回顾“摆绳越长，摆动越慢；摆绳越短，摆动越快”这一规律之外，还提供了一组相应的数据（见表1），通过展示不同摆绳长度和30秒摆动次数的具体数据，帮助学生将“长、短，快、慢”概念性的描述与具体数据相对应，并基于此引导他们推测自己组的摆1分钟摆动的次数。

师：同学们看看自己小组这个摆的摆绳长度，预测它1分钟大概会摆动几次？

生：我们组摆绳长32厘米，我估计大概会摆动52次。

师：这样预测的理由是什么？

生：因为上面表格里摆绳长36厘米的摆，30秒大概摆动25次，我觉得我们组的摆应该比这个多。

（有了这个预测，教师顺势提出测试数据的任务。）

师：这样的预测到底对不对呢？请同学们测量出自己小组的摆1分钟的摆动次数，总共3分钟，可以重复测试，选择最准确的数据，写到汇总表里（见表2）。

两组铺垫性的数据，不仅将描述性的规律转换成具体数据，与本节课要学习的内容建立联系，而且学生通过估计、测量各组原始的摆动次数，汇总形成一张统计表。学生观察统计表发现规律，思考1分钟摆动60次的摆，摆绳长短大概处在哪个区间，为后续解决问题作铺垫。

三、思考性记录单，帮助开展实证研究

对高年段学生来说，这节课如果先动手操作再反思改进，对他们的思维要求不高，容易导致他们形成思维惰性、不动脑就动手的习惯。因此，我们提供方案设计单、指导锦囊（如图1、图2）和活动记录单，给学生搭建完成挑战任务的支架，帮助他们边合作、边实验、边记录、边思考。

方案设计单中“摆的现状及分析”，主要是引导学生对摆原有摆动次数的分析，确定摆动快慢的现状，各组可以基于现状分析交流确定调试方案，待初步方案明确领取记录单后才能动手实验。“指导锦囊”供有需要的小组学习和使用。在确定方案的过程中，学生不仅讨论怎么调的方法，还会思考为什么要这样调试，长此以往，就可以培养他们养成先思考方法再动手实践的习惯。

本次教学的记录单与教材中也有不同（见表3），它不仅仅呈现每次调试的结果，还包含了怎么想和怎么做的调试过程。记录单的“次数”一栏与任务要求“用最短的时间、更少的次数”相呼应；“改进方法”一栏主要是引导学生每次调试都是基于摆的现状，主动运用影响摆动快慢因素的规律分析下一步调试的方法；“摆绳长度”“摆动次数”“是否达成目标”和“分析”这四栏主要指向的是调试结果，这也是下一次调试方法选择的重要依据。通过这四栏信息的记录与分析，学生很清楚地知道每次调试后与任务要求“1分钟摆动60次”之间还有多少差距，帮助他们反思调试的方法是否合理，思考改进调试策略。

有的小组因为摆的原始摆绳长30厘米、1分钟摆动50次，状态偏慢，所以第一次就将摆绳长从30厘米缩短至25厘米，然后慢慢调试。有的小组分析比较班级汇总表和自己小组的原始数据发现，有一个小组摆绳长16厘米摆动67次，自己小组摆绳长30厘米摆动51次，所以判断1分钟摆动60次的摆绳长度范围应该在16～30厘米之间，因此确定第一次先试20厘米，然后根据调试结果调整，最后通过两次调试就完成了任务（如图3）。

有的小组发现第一次调到25厘米，摆动偏慢，就将摆绳长度缩短至15厘米，发现摆动偏快了，又把摆绳长度增长为17厘米，结果还是偏快，所以就多增加一点长度，把摆绳调到22厘米，最终成功（如图4）。有的小组第一次增长了4厘米，发现跟目标比较接近了，有意识地缩小下一次绳长调整的长度，慢慢接近成功的结果。

学生不断运用已知规律，灵活思考改变调试方法，在解决问题的过程中对标具有探究精神、合作精神的实践者慢慢成长。

四、基于证据的研讨，提升思维的准确性

没有研讨或者把得出简单结论作为研讨的探究活动，是无法真正促进学生思维发展、提升核心素养的，充分的互动研讨是学生思维火花绽放的重要保障。学生只有积极思考交流，对中介材料进行加工、改造、创造，有理有据地表达，有质疑、有辩论、有辨析，才能最终实现思维深度发展。

本节课设计了两个研讨问题：我们是怎样完成任务的？1分钟摆动60次的摆，摆绳长短有什么特点？其中“怎样完成任务”这一问题，是为了更好地反馈帮助教师“掌握”学生思维的发展，同时开阔他们的思路，促进他们创新思维和方法上的迭代。课堂上，不同小组解决问题的方法各不相同，有的小组在完成制作1分钟摆动60次的摆之后，仍重复验证（如图5-a）；有的小组在完成任务后改变长度进行反证，最大程度追求结果的准确性；有的小组为了追求高效，调试每10秒钟摆动的次数（如图5-b），也有测20秒和30秒的，并在此基础上继续重复测试60秒摆动几次。学生能如此自主地进行验证性测量，不仅仅体现了思维的严谨性，也体现了实事求是的科学态度。

有了上述的探究过程，关于“1分钟摆动60次的摆，摆绳长短有什么特点”这一问题，每个小组都有了自己的答案。课的最后，我没有明确到具体的数值，而是引导学生基于各组的实验结果数据进行思辨，最终将答案确定在21～24厘米这一区间。公开研究所得的数据，以证据为基础，开展交流研讨，可以鼓励学生客观准确地表述结果，帮助他们建立“科学知识是可以随着新证据的增加不断被完善和深入，甚至会变化”的科学观念，进而提升他们思维的准确性。