首新 胡衛(wèi)平

科學(xué)高階思維是科學(xué)核心素養(yǎng)的關(guān)鍵成分，以培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)為目的的教育改革正席卷全球，各個(gè)國(guó)際教育組織、各個(gè)國(guó)家和地區(qū)幾乎都出臺(tái)了核心素養(yǎng)框架，而思維是其中必不可少的成分。如美國(guó)《21世紀(jì)技能框架》中的“學(xué)習(xí)與創(chuàng)新技能領(lǐng)域”的4Cs結(jié)構(gòu)中包含的批判性思維和問(wèn)題解決能力（CriticalThinkingandProblemSolving）、創(chuàng)造性和創(chuàng)新能力（CreativityandInnovation）體現(xiàn)了對(duì)思維的重視[1]?？茖W(xué)高階思維也是科學(xué)教育的重要目標(biāo)，以科學(xué)探究的形式培養(yǎng)高階思維已得到科學(xué)教育研究者、決策者的重視，高階思維已融合進(jìn)不同的教學(xué)模式、教育理念、教學(xué)方法、教學(xué)流程之中，以培養(yǎng)學(xué)生在不同情境下的問(wèn)題解決能力、批判性分析能力和創(chuàng)新能力等。

本文基于思維型教學(xué)理論，通過(guò)構(gòu)建科學(xué)高階思維結(jié)構(gòu)模型，建立為高階思維而教的科學(xué)教學(xué)過(guò)程，并對(duì)其教學(xué)過(guò)程進(jìn)行案例展示。

科學(xué)高階思維的結(jié)構(gòu)模型

高階思維的核心是創(chuàng)造性思維和批判性思維[2]，基于高階思維與科學(xué)知識(shí)、科學(xué)探究之間的關(guān)系，構(gòu)建科學(xué)學(xué)科高階思維結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

其中，X軸是科學(xué)課程內(nèi)容，包括物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球與空間科學(xué)、技術(shù)與工程4大領(lǐng)域;Z軸是科學(xué)思維表現(xiàn)，包括問(wèn)題提出、方案設(shè)計(jì)、證據(jù)搜集、信息解釋、物體應(yīng)用、產(chǎn)品改進(jìn)、反思評(píng)價(jià)7個(gè)要素;Y軸是高階思維核心結(jié)構(gòu)，包括創(chuàng)造性思維和批判性思維?？茖W(xué)學(xué)科高階思維結(jié)構(gòu)模型是一個(gè)系統(tǒng)的有機(jī)整體，3個(gè)維度要素之間既相對(duì)獨(dú)立又相互聯(lián)系。X-Y平面解釋了科學(xué)課程內(nèi)容與高階思維的關(guān)系，啟示我們?cè)诶每茖W(xué)課程內(nèi)容培養(yǎng)高階思維時(shí)，總體原則是讓學(xué)生經(jīng)歷創(chuàng)造性思維到批判性思維的變化。Y-Z平面解釋了思維表現(xiàn)各要素（主要是科學(xué)探究過(guò)程）中如何融入高階思維，啟示科學(xué)探究教學(xué)中可融入從創(chuàng)造性思維到批判性思維的過(guò)程，由此形成漸進(jìn)的學(xué)習(xí)環(huán)，利用科學(xué)探究過(guò)程發(fā)展學(xué)生的高階思維能力。X-Z平面解釋了科學(xué)課程內(nèi)容與思維表現(xiàn)的整合，在科學(xué)課程中主要表現(xiàn)為科學(xué)探究過(guò)程。科學(xué)探究與課程內(nèi)容的整合是21世紀(jì)以來(lái)科學(xué)課堂教學(xué)提倡的重要方式，在此不再贅述。

因此，要有效地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)高階思維，應(yīng)將創(chuàng)造性思維、批判性思維有機(jī)地嵌入科學(xué)課程內(nèi)容中，在科學(xué)探究的每個(gè)階段都要關(guān)注思維從創(chuàng)造性過(guò)程到批判性過(guò)程的變化[3]。另外，該模型還關(guān)注STEM跨學(xué)科領(lǐng)域中的科學(xué)高階思維，在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域，如物體創(chuàng)造性應(yīng)用、產(chǎn)品改進(jìn)過(guò)程中，也應(yīng)融入從創(chuàng)造性思維到批判性思維的高層次認(rèn)知過(guò)程?？梢?jiàn)，該模型為科學(xué)學(xué)科高階思維的培養(yǎng)提供了切實(shí)可行的指導(dǎo)。

為高階思維而教的小學(xué)科學(xué)教學(xué)環(huán)節(jié)

思維型教學(xué)理論強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)中的動(dòng)機(jī)激發(fā)、認(rèn)知沖突、自主建構(gòu)、自我監(jiān)控、反思與遷移等過(guò)程?；谒季S型科學(xué)探究教學(xué)過(guò)程[4]，構(gòu)建了“為高階思維而教的合作探究教學(xué)”過(guò)程，二者的關(guān)系如圖2所示。

根據(jù)思維型教學(xué)理論，結(jié)合科學(xué)高階思維的教學(xué)目標(biāo)，為高階思維而教的合作探究教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)可歸納如下（如圖3）。

第一，創(chuàng)設(shè)情境，提出問(wèn)題。依據(jù)學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)和已有知識(shí)基礎(chǔ)創(chuàng)設(shè)最接近真實(shí)情況的情境，以此調(diào)動(dòng)學(xué)生后續(xù)的探究熱情，激發(fā)積極思維的傾向[5]。在學(xué)生圍繞某一教學(xué)主題提出不同的問(wèn)題之后，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)問(wèn)題進(jìn)行價(jià)值判斷（如可行性、科學(xué)性、操作性），評(píng)價(jià)問(wèn)題的質(zhì)量，最終聚焦關(guān)鍵問(wèn)題。

第二，設(shè)計(jì)方案，選擇方案。即設(shè)計(jì)可行性的解決方案（實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、調(diào)查方案、觀察過(guò)程等），并從中優(yōu)選最佳方案。方案的設(shè)計(jì)經(jīng)歷了感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)的發(fā)展，學(xué)生充分發(fā)揮想象力、形象思維和創(chuàng)造力，共同參與設(shè)計(jì)，共享信息，充分討論，相互啟發(fā)，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行充分交流和深入研討（亦即社會(huì)建構(gòu)過(guò)程），這一過(guò)程中回憶、表象變換、比較、分析、概括、假設(shè)、計(jì)劃等認(rèn)知過(guò)程充分發(fā)揮作用，形成了多種可行性方案。隨后，通過(guò)聚焦重點(diǎn)、價(jià)值判斷、觀點(diǎn)表達(dá)等批判性思維的參與，以小組討論的形式引發(fā)認(rèn)知沖突，協(xié)調(diào)他人觀點(diǎn)，采用正確推理的方式最終確定最佳方案。

第三，合作探究，達(dá)成一致。即依據(jù)普遍認(rèn)可的方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、調(diào)查、觀察等。合作探究是思維互動(dòng)的過(guò)程，在此過(guò)程中學(xué)生需要調(diào)動(dòng)多種認(rèn)知加工策略進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、現(xiàn)象解釋、結(jié)果預(yù)測(cè)，并與小組成員交流辯論。每個(gè)成員都在進(jìn)行創(chuàng)造性設(shè)計(jì)，用不同的方法尋找證據(jù)，借助各種手段觀察現(xiàn)象，將數(shù)據(jù)以一種更加明了的方式展現(xiàn)出來(lái)，然后小組成員共同研討，最終形成合理的、共同認(rèn)可的結(jié)果，檢驗(yàn)問(wèn)題解決的程度、結(jié)論對(duì)假設(shè)的支撐情況及結(jié)果的規(guī)范性等。

第四，交流評(píng)價(jià)，總結(jié)反思。小組內(nèi)通過(guò)交流達(dá)成一致之后，形成了共同的觀點(diǎn)。然后與其他小組的結(jié)果或觀點(diǎn)進(jìn)行交流，充分發(fā)表自己的觀點(diǎn)。根據(jù)其他小組的反饋意見(jiàn)和不同的解釋?zhuān)瑢?duì)其他不同觀點(diǎn)或結(jié)果進(jìn)行反思，提出進(jìn)一步改進(jìn)策略。

第五，靈活遷移，聚焦運(yùn)用。逐漸將某種穩(wěn)定的能力或價(jià)值觀從類(lèi)似情境遷移至新情境中，依據(jù)真實(shí)案例，引導(dǎo)學(xué)生如實(shí)進(jìn)行問(wèn)題解決，深化對(duì)知識(shí)的理解，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生形成穩(wěn)定的高階思維特質(zhì)。

進(jìn)一步而言，依據(jù)科學(xué)學(xué)科的內(nèi)容特征，為高階思維而教的科學(xué)教學(xué)過(guò)程包括科學(xué)概念教學(xué)、科學(xué)探究教學(xué)和科學(xué)問(wèn)題解決教學(xué)。在科學(xué)概念教學(xué)中，其教學(xué)目標(biāo)是通過(guò)概念理解、概念分析、概念評(píng)價(jià)與完善的程序，讓創(chuàng)造性思維、批判性思維參與學(xué)習(xí)概念的形成、發(fā)展、完善、應(yīng)用等過(guò)程，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)高階思維能力。在科學(xué)探究教學(xué)中，其教學(xué)目標(biāo)是通過(guò)實(shí)驗(yàn)、觀察、調(diào)查等方式獲取證據(jù)，讓學(xué)生在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、作出假設(shè)、分析數(shù)據(jù)和信息、得出結(jié)論、遷移應(yīng)用的過(guò)程中進(jìn)行思維創(chuàng)造、批判性的分析，最終發(fā)展高階思維能力。在科學(xué)問(wèn)題解決教學(xué)中，其教學(xué)目標(biāo)是基于工程設(shè)計(jì)的過(guò)程，讓學(xué)生進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品優(yōu)化，培養(yǎng)學(xué)生問(wèn)題解決過(guò)程中的創(chuàng)新能力和批判性思維能力。3種教學(xué)過(guò)程雖有所不同，但都基本按照上述教學(xué)環(huán)節(jié)力求在合作探究過(guò)程中發(fā)展學(xué)生的科學(xué)高階思維，讓學(xué)生經(jīng)歷創(chuàng)造性思維到批判性思維的發(fā)展。從橫向看，每個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)都期望學(xué)生經(jīng)歷創(chuàng)造性思維和批判性思維過(guò)程，如“創(chuàng)設(shè)情境，提出問(wèn)題”環(huán)節(jié)，期望學(xué)生根據(jù)情境提出多種研究問(wèn)題，然后聚焦最合適的研究問(wèn)題。從縱向看，從教學(xué)伊始到結(jié)束，發(fā)生了從創(chuàng)造性思維到批判性思維的變化，到了后期如“交流評(píng)價(jià)，總結(jié)反思”階段，批判性思維為主的認(rèn)知過(guò)程占據(jù)主導(dǎo)，縱向的教學(xué)環(huán)節(jié)也遵循創(chuàng)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(xué)教學(xué)過(guò)程期望與科學(xué)教科書(shū)中的教學(xué)內(nèi)容結(jié)合起來(lái)，也就是說(shuō)在不改變?cè)薪虒W(xué)進(jìn)度的前提下融入為高階思維而教的教學(xué)過(guò)程。下面以湘教版小學(xué)《科學(xué)》5年級(jí)上冊(cè)第2單元“簡(jiǎn)單機(jī)械”為例，展示如何基于原有科學(xué)教學(xué)內(nèi)容融入科學(xué)概念、科學(xué)探究、科學(xué)問(wèn)題解決3種教學(xué)過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)高階思維。

第1課“生活的好幫手”是讓學(xué)生了解各種工具，適合采用科學(xué)概念教學(xué)模式，其教學(xué)環(huán)節(jié)及要素設(shè)計(jì)如下。

●創(chuàng)設(shè)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(gòu)建概念

概念精細(xì)化：我找到的生活好幫手：螺絲刀，它能

概括：人們?yōu)榱颂岣吖ぷ餍?，減少體力支配，不斷在制造和改進(jìn)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(kāi)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(duì)我們生活的影響

●概念遷移，解決問(wèn)題

遷移：尋找更多的生活好幫手，想一想它們有相同的科學(xué)原理嗎？

第2課“他能撬動(dòng)地球嗎”是讓學(xué)生學(xué)習(xí)杠桿原理，適合采用科學(xué)探究教學(xué)模式，其教學(xué)環(huán)節(jié)及要素設(shè)計(jì)如下。

●創(chuàng)設(shè)情境，提出問(wèn)題

情境：科學(xué)史導(dǎo)入，阿基米德撬動(dòng)地球的觀點(diǎn)

問(wèn)題：杠桿是如何工作的？其中有什么原理？

●猜想假設(shè)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

假設(shè)：杠桿支點(diǎn)的位置影響撬動(dòng)效果，什么因素決定了杠桿是否省力？

設(shè)計(jì)：尋找杠桿的秘密（支點(diǎn)、動(dòng)力點(diǎn)、阻力點(diǎn)）

●合作探究，尋找證據(jù)

合作：在1根標(biāo)有刻度的直尺上的不同位置放置鉤碼，利用實(shí)驗(yàn)記錄表理解平衡時(shí)鉤碼數(shù)量與刻度之間的關(guān)系

證據(jù)：平衡時(shí)兩邊鉤碼數(shù)量與刻度值的乘積相等

●解釋結(jié)果，交流反思

解釋?zhuān)寒?dāng)動(dòng)力點(diǎn)到支點(diǎn)的距離大于支點(diǎn)到助力點(diǎn)的距離時(shí)，杠桿省力

反思：觀察生活中的杠桿原理的應(yīng)用，了解人體的杠桿結(jié)構(gòu)

第3課“輪軸”是讓學(xué)生學(xué)習(xí)輪軸省力的原理，適合采用科學(xué)探究教學(xué)模式，其教學(xué)環(huán)節(jié)及要素設(shè)計(jì)如下。

創(chuàng)設(shè)情境，提出問(wèn)題

情境：討論、猜想取下自來(lái)水開(kāi)關(guān)上的“圓盤(pán)”時(shí)，如何能輕松擰開(kāi)開(kāi)關(guān)

問(wèn)題：輪軸具有什么作用？

●猜想假設(shè)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

假設(shè)：輪軸可以省力

設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易輪軸，測(cè)量其拉動(dòng)物體時(shí)是否省力了

●合作探究，尋找證據(jù)

合作：小組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，做幾個(gè)大小不同的輪軸試一試省力效果

證據(jù)：通過(guò)比較實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)輪軸可以省力，并尋找生活中運(yùn)用輪軸的事例

●解釋結(jié)果，交流反思

解釋?zhuān)褐谱鞴艜r(shí)候人們從深井中提水的裝置——轆轤，并用輪軸原理進(jìn)行解釋

反思：觀察生活中輪軸的應(yīng)用，如門(mén)把手、擰子、扳手等

第4課“滑輪兄弟”是讓學(xué)生理解定滑輪、動(dòng)滑輪的特性，適合科學(xué)探究教學(xué)模式，其教學(xué)環(huán)節(jié)及要素設(shè)計(jì)如下。

●創(chuàng)設(shè)情境，提出問(wèn)題

情境：觀看視頻《起重機(jī)的威力》

問(wèn)題：起重機(jī)、旗桿上的滑輪有什么作用？

●猜想假設(shè)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

假設(shè)：通過(guò)觀察定滑輪和動(dòng)滑輪是怎樣工作的，猜想它們的作用

設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)有1個(gè)定滑輪或1個(gè)動(dòng)滑輪的裝置，測(cè)一測(cè)力的變化

●合作探究，尋找證據(jù)

合作：小組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察重物運(yùn)動(dòng)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(jù)：從數(shù)據(jù)分析中獲取“定滑輪改變方向，動(dòng)滑輪可以省力”的證據(jù)

●解釋結(jié)果，交流反思

解釋?zhuān)罕容^和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，把結(jié)論與猜想或假設(shè)進(jìn)行比較

反思：制作滑輪組，了解滑輪組在生活中的應(yīng)用

第5課“在斜坡上”是讓學(xué)生認(rèn)識(shí)斜面可

以省力，以及如何使用斜面更省力，適合采用科學(xué)探究教學(xué)模式，其教學(xué)環(huán)節(jié)及要素設(shè)計(jì)如下。

●創(chuàng)設(shè)情境，提出問(wèn)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(wèn)題：讓學(xué)生討論斜面有何作用，為什么要使用斜面

●猜想假設(shè)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

假設(shè)：學(xué)生提出自己的假設(shè)，斜面可以/不可以省力

設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，用測(cè)力計(jì)拉著一個(gè)物體緩慢地沿著斜面上升，觀察測(cè)力計(jì)示數(shù)的變化

●合作探究，尋找證據(jù)

合作：小組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，多做幾次實(shí)驗(yàn)，將測(cè)得的數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，以便分析

證據(jù)：讓學(xué)生比較直接提起物體，和沿斜面拉動(dòng)物體時(shí)使用力的大小，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果

●解釋結(jié)果，交流反思

解釋?zhuān)阂罁?jù)數(shù)據(jù)讓學(xué)生理解斜面可以省力，并提出進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，什么樣的斜面才能更省力

反思：想一想斜面高度、斜面長(zhǎng)度與斜

面省力程度有何關(guān)系，并列舉生活中斜

面的應(yīng)用，如盤(pán)山公路、立交橋、螺絲

第6課“有趣的傳動(dòng)”是讓學(xué)生在了解傳動(dòng)類(lèi)型的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單機(jī)械間的組合，適合采用科學(xué)問(wèn)題解決教學(xué)模式，其教學(xué)環(huán)節(jié)及要素設(shè)計(jì)如下。

●創(chuàng)設(shè)情境，明確問(wèn)題

情境：生活中的玩具——電動(dòng)玩具四驅(qū)車(chē)內(nèi)部的齒輪連接裝置

問(wèn)題：小馬達(dá)產(chǎn)生的動(dòng)力通過(guò)什么傳遞到玩具小車(chē)車(chē)輪

●分析問(wèn)題，原型設(shè)計(jì)

策略：設(shè)計(jì)大、中、小3個(gè)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(gè)大、中、小齒輪，在其中一個(gè)齒輪上畫(huà)1根線表示指針。

●實(shí)施計(jì)劃，構(gòu)建模型

實(shí)施：用大頭針將3個(gè)大小不同的齒輪組裝在一起，固定在泡沫板上。

模型：轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪，了解裝置的性能，確保轉(zhuǎn)動(dòng)1個(gè)齒輪時(shí)，其他2個(gè)齒輪也開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)試優(yōu)化，討論反思

測(cè)試：以1個(gè)齒輪為參考標(biāo)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)動(dòng)1個(gè)齒輪，觀察其他2個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，并記錄下來(lái)。

反思：分析齒輪大小與轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)之間的關(guān)系，以及齒輪之間的轉(zhuǎn)動(dòng)方向的關(guān)系。

●實(shí)踐應(yīng)用，改進(jìn)完善

應(yīng)用：尋找生活中各種各樣的傳動(dòng)方式，將我們?cè)O(shè)計(jì)的模型與生活中的齒輪裝置進(jìn)行比較，理解齒輪傳動(dòng)的作用。

高階思維的培養(yǎng)必須與科學(xué)探究教學(xué)結(jié)合起來(lái)，使思維的培養(yǎng)沉浸在課程內(nèi)容學(xué)習(xí)過(guò)程中。高階思維的培養(yǎng)是一個(gè)系統(tǒng)工程，除了建立有針對(duì)性的教學(xué)模式實(shí)施教學(xué)，還要注意課堂氛圍的引導(dǎo)，若教師一味只是照搬教學(xué)模式和教學(xué)程序，沒(méi)有理解合作探究過(guò)程中的師生行為，不注重逐漸開(kāi)放學(xué)生的思維，課堂就會(huì)顯得太過(guò)于操作化，學(xué)生沒(méi)有學(xué)習(xí)的主體感。因此，教師要不斷提高自我專(zhuān)業(yè)素質(zhì)，理解合作探究、高階思維學(xué)習(xí)的教學(xué)理念，結(jié)合自己的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行高階思維教學(xué)，這才是實(shí)施高階思維教學(xué)最基本的保證。