小学科学教育是儿童科学思维启蒙的起点，其核心在于通过实验教学培养儿童观察、推理和实证等科学思维能力，为其终身学习与创新能力培养打下基础。以苏教版科学五年级“撬重物的窍门”一课为例，其杠杆原理的教学不仅是知识传授，更是引导学生经历“提出问题—假设预测—实验验证—分析数据—总结规律”的完整科学探究过程。然而，传统实验教学常因导入单一、材料固化、策略浅显及知识拓展不足等问题，难以充分激发学生的思维潜能，导致科学思维培养流于表面。为解决传统教学的不足，以学生科学思维发展为核心，结合“最近发展区”理论与建构主义“认知冲突”理念，从“导入设计、材料优化、策略改进和知识延伸”4个维度重构该节课的实验教学路径——创设真实问题情境，选用生活化实验材料，设计三阶任务链及融入科学史与生活应用，希望能优化该课的教学内涵，激发学生的探究兴趣，促进学生科学思维的系统性进阶，并为小学科学实验教学提供“以思维发展为导向”的典型实践范式。
1 理论框架：指向科学思维发展的教学优化逻辑
小学科学实验教学的本质是建构学生科学思维能力的认知脚手架。根据“最近发展区”理论，科学思维的培养需要在教师指导下，通过社会性互动与工具性操作实现思维进阶。对学生科学思维发展评估的内容主要有证据评价、变量控制、对科学本质的理解等。评估的方法主要基于动手操作实验的动态评估。这为推动儿童科学思维启蒙，有效评估儿童科学思维发展以及根据其发展水平和变化特点进行针对性培养提供了有力支持。
小学科学课程中的学习活动是以实验教学为主要载体的一种综合性学习，学生在实验学习过程中了解和探索自然、获得科学知识、解决实际科学问题，以及在技术与工程实践过程中，逐步从科学的视角认识客观事物的本质属性、内在规律及相互关系。目前，许多学校、教师及家长对实验教学的重要性认识不足，认为小学科学实验教学的目的是应对检查；大多数教师通过口述、微视频讲解实验，不利于学生科学思维能力的形成与发展。
以苏教版五年级下册第四单元“简单机械”第一课“撬重物的窍门”为例，教材并未让学生先去认识何为机械以及何为简单机械与复杂机械这部分内容，而直接以讲述杠杆知识并认识操作杠杆尺装置为主，这使学生在初步认识简单机械、逐步理解相关原理、进阶掌握具体应用等方面存在较大难度。据此，笔者决定以“科学探究五步法”（提出问题—假设预测—实验验证—分析数据—总结规律）为实践框架，结合皮亚杰的认知发展阶段理论，以及学生正从具象思维向抽象思维过渡的学情特点，从“导入设计、材料优化、策略改进、知识延伸”4个层面优化实验教学模式。
2 优化实践：多元优化下的实验教学重构
2.1 优化导入设计，促进学生思维碰撞
科学思维是指学生通过观察、实验、推理和验证等方式进行思考、分析和归纳问题的能力，包括对信息的搜集、对比、筛选、判断、分类、排序、整合和表达等，其结果是得到对一类事物共同的、本质的、规律性联系的认知。
以“撬重物的窍门”为例，在传统实验教学中，教师一般是通过“生活经验复现”导入杠杆概念（如搬重物体验），但此类设计易陷入“经验验证”的束缚，难以激发学生进行深度思考。基于建构主义“认知冲突”理论，笔者将导入环节重构为“问题驱动型任务”，即对课堂导入设计、环节、内容等进行优化，利用学生的好奇心与求知欲，充分让其经历科学思维的碰撞，运用讨论、交流、探究和实验等方式，助力其逐渐形成探索精神，提高其模型建构、技术与工程实践等能力。
（1） 杠杆平衡初探：纠偏错误认知，迁移生活实例。
师：玩过跷跷板吗？怎样才能让跷跷板保持平衡？
学生各抒己见。
师：看来同学们都很有生活经验，今天老师带来了一些材料（一支铅笔、两颗相同螺母、一把直尺），你能用这些材料建立跷跷板模型，让这两个螺母保持左右平衡吗？
小组思考、讨论与操作。一段时间后，各组展示成果，其中部分小组的装置并未真正达到平衡状态，但学生却误以为已经平衡。
师：哪位同学帮老师解释一下，在这个装置中，螺母能保持平衡的因素有哪些呢？
生1：尺的两端的距离相等，螺母的体积、相对位置要相同。
生2：我觉得只要把螺母放在尺子两端差不多远的地方就行了，不用那么精确。
师：同学们提出了不少想法，不过老师还有一些补充。如生1所说，这确实是一个重要因素，但仅仅距离相同还不够。如生2所说，这种想法不太科学，科学需要准确和严谨。
教师拿起一个明显不平衡的装置进行演示。
师：请看这个装置，两端距离相同，可为什么螺母不能左右平衡呢？看来除距离以外，螺母的质量也很关键。如果两端螺母质量不同，即使相对位置、距离相等，也很难保持平衡。
师：请同学们思考一下，该装置还与哪些常见工具的结构相似呢？
生3：天平。
生4：我觉得杆秤也是，不过好像不太一样。
师：同学们回答得都很棒！跷跷板、天平确实和我们的平衡装置结构很相似。不过生4提到的杆秤，虽然看起来和前几个不太一样，但都属于同类工具。
师：其实在科学中，我们把这种装置叫作杠杆，它包括1个支点和1个能绕支点转动的硬棒。支点可以是两者相交转动的任意一点，但能够使硬棒平衡的支点只有1个。杠杆平衡背后的奥秘其实是三点（重力点、支点、用力点）两臂（阻力臂、动力臂）之间的相互作用关系。像这样平衡支点在装置中间的杠杆，我们称为等臂杠杆，它的特点就是两端的力臂相等。
（2） 创新导入：以探究为钥，开启杠杆原理探索之门。
在传统杠杆原理教学中，教材多以“抬撬讲桌”等常见场景作为导入，虽能直观呈现杠杆现象，但在激发学生主动探究与深度思考方面尚有提升空间。基于此，笔者对导入实验进行了优化重组，摒弃了常规思路，精心设计了一套更具启发性的实践导入方案。在本次导入环节，笔者以小组为单位，为学生准备了“一把直尺、两颗螺母、一支画了中轴线的铅笔”作为小组实验材料。以问题为驱动，抛出真实情境问题：“两颗螺母分别放在直尺的什么位置，才能使其作为一个整体在铅笔上保持平衡呢？”如
图1所示，在实际教学过程中，这种导入形式展现出了显著的优势。
当学生明确了问题的限定条件后，他们迅速进入状态，全身心地投入探究活动的思考、讨论、尝试与改进之中。在小组讨论环节，学生各抒己见，思维的火花在交流中不断碰撞。当遇到失败时，他们没有气馁，而是积极分析原因，重新制订方案，再次进行尝试。在这个过程中，学生亲身体验到了科学的魅力，他们在实践中发现奥秘，在尝试中产生新的问题，进而引发更深入的思考。在与学生交流的过程中，笔者深刻感受到他们对这种亲身探究启发式教学的喜爱。这种教学方式让他们不再是被动的知识接受者，而是成了主动的探索者和发现者。他们在实验过程中，通过实际操作和观察，能够直观地了解到杠杆的组成部分，如支点、动力臂、阻力臂等，为后续深入学习杠杆原理打好基础。如
图2所示，学生在探究中逐渐构建起对杠杆基本结构的清晰认知，这种基于探究的认知方式更加深刻和持久。
2.2 优化探究材料，促进学生思维生长
《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称新课标）指出，探究实践是科学学习的主要学习方式。因此，针对探究材料的优化对学生科学思维的发展起着至关重要的作用。教材中的杠杆尺装置存在过度结构化（固定支点、标尺刻度）问题，导致学生因机械操作而忽视对原理的理解。为此，笔者依据具身认知理论，选用胡萝卜、棉线等生活材料组建“可拆解式杠杆系统”，如
图3所示。对学生来说，生活中的常见物体是最好的材料优化对象，合理选用和改进材料对实验教学的帮助是巨大的。作为教师，应该对生活中的一切物体保持如儿童般的好奇心与求知欲，从儿童视角去观察世界，想象如果自己作为儿童，会对什么样的物体感兴趣？会观察什么样的物体？会思考什么样的物体？例如，教师在讲解过杠杆的结构与概念后，为了帮助学生更容易理解这些知识，通常会准备一些与概念有联系的生活物体作为材料的优化对象，合理引导学生对实验对象进行分析、实践，在不断观察、实验、交流过程中概括总结出这部分知识所蕴含的科学知识与原理，以达到对新学知识更高、更深的认识和理解，促进科学思维生长
［1］。
（1） 胡萝卜杠杆探秘：突破认知误区，寻找生活应用。
师：你能否用一根棉线将一根胡萝卜吊起来保持平衡呢？
师：预测你认为能使其平衡的棉线大概位置，做好标记，并说明你的理由。
生1：平衡支点在胡萝卜中心，利用等臂杠杆原理，我觉得两边一样长就应该平衡。
生2：我认为平衡支点的大概位置在粗的一边，因为胡萝卜左右两端的粗细不同，在粗的一边的概率更大，但具体为啥我也说不清楚。
师：看来你们都有着自己的想法，既然谁也说服不了谁，就让我们用实验来验证。尝试动手挂一挂，找到平衡支点；用马克笔在胡萝卜上标一标；量一量平衡支点距离两端的距离，将数据记录在记录单中；小组讨论，记录你们的发现。
学生进行实验、记录、讨论、汇报和交流。
师：通过各小组的汇报与交流，你们有什么发现？
生3：平衡支点在胡萝卜粗的一侧。
生4：平衡支点两端距离不等，这和我想的不一样。
师：同学们的观察与思考能力值得肯定，没错，平衡后的胡萝卜，其支点的两端距离并不相等。那按照之前生1说的杠杆原理，两端距离相等才对，现在两端距离不等，那你们认为这可能是什么杠杆呢？
生5：根据预习，这可能是费力杠杆，感觉粗的那边好像更难提起来，应该是费力杠杆。
师：如何证明它是费力杠杆呢？
生6：沿平衡点切开，用天平测量质量大小。
师：好主意，那用天平测量切开后的两段胡萝卜，有什么发现？
生7：细长段质量约300 g，粗短段质量约500 g。
师：是什么原因导致的呢？
生8：两段力臂不同，粗段力臂短，细段力臂长。
生9：两段质量不同，粗段质量大，细段质量小。
师：同学们展现出了较强的观察能力与逻辑推理能力。不过要补充一下，不能单纯说因为两段质量不等就导致需要更大力，关键还在于力臂和重力的关系。在杠杆结构中，支点到重力点与用力点的距离往往决定了这个杠杆是否省力。像胡萝卜这样的不均匀形状杠杆，由于阻力臂>动力臂，那便是费力杠杆，我们需要利用更大的力才能使它保持平衡。
（2） 创新实验：胡萝卜撬动杠杆认知新突破。
在传统杠杆原理教学中，平衡尺实验存在装置调节烦琐、实验成功率低等问题，影响学生对杠杆知识的深度掌握。笔者对此环节进行优化，设计了胡萝卜杠杆序列创新实验，如
图4所示。
实验初始，引导学生预测胡萝卜杠杆的平衡点位置。学生依据不同认知意见不一，依据等臂杠杆原理有的认为在正中间；有的人认为在粗段附近，却说不清缘由。
在实际操作阶段，学生用棉线吊平胡萝卜，用马克笔标记平衡点，用直尺测量并记录数据。数据收集后，组织学生归纳分析，发现平衡时阻力臂与动力臂并不相等，这打破了学生原有认知，引发学生深入思考。
为探究原理，沿平衡点切开胡萝卜，用天平测量各段质量，发现短粗部分需更大力才能平衡。由此揭示力与力臂成反比的关系，即费力杠杆特点，让学生对杠杆平衡原理有更深刻的理解。
该实验优势显著，通过预测、实验、分析等过程引发认知冲突，提高学生积极性。胡萝卜材料易获取、操作简便，让学生专注观察和思考。生活化材料的应用将抽象知识转化为具象实践，促进学生科学思维发展，激发学习兴趣，为科学素养提升奠定基础。
2.3 优化教学策略，强化学生思维运用
小学科学实验教学离不开合理的教学策略。为避免“动手不动脑”的浅层探究，笔者以科学论证教学理论为指导，为本课搭建了“设计—验证—修正”的三阶任务链。该任务链旨在引导学生实现假设的可视化、证据的规范化与结论的结构化。通过任务链的形式，将教学情境有机融入实际教育教学中，只有这样才能够真正帮助学生学会科学知识与方法，从而提高其科学思维运用的能力。我国心理学家朱智贤、林崇德认为，在儿童主体和客观事物相互作用的过程中，情境和教育在科学思维发生、发展上起着决定性作用。以心理学家维果茨基、列昂节夫和鲁列亚为代表的维列鲁学派，强调儿童内在科学思维发展的可能性与所处情境的相互作用，还特别强调了教育在儿童思维发展中的积极意义。从一定意义上来说，教师在教学中所采取的教育方式和教学策略就是一种针对教育情境优化的策略，这也将直接影响儿童科学思维的发展。因此，教师在组织教育教学活动时，要按照量变到质变的规律来促进学生思维的运用，在不断运用中使量变逐渐内化，最后达到思维运用后的质变过程
［2］。
（1） 巧用材料造杠杆，辨错纠偏探生活。
师：根据前两种杠杆的学习，你能否帮老师设计一种省力杠杆，尝试完成工程3任务呢？
师：请将你们讨论后的设计图画在记录单中。
学生观察材料，讨论交流，画省力杠杆设计图。
师：各小组展示观察与交流，并相互给出建议。
生1：我们小组打算把支架放在直尺中间，一只塑料杯放在靠近支架的位置，另一只放在直尺末端，这样就能达成任务了。
生2：我觉得这样不行，放在中间的话，动力臂和阻力臂差不多，可能不是省力杠杆。
师：这似乎是一个好问题，你们有更好的建议吗？
生3：我觉得动力臂应该是从支架到施力点的距离，阻力臂是从支架到承重点的距离，按照生1小组的设计，动力臂和阻力臂好像差不多，可能不是省力杠杆。
师：有道理，生1所在小组的设计可能存在误区。
生1：把支架放在直尺一端，一只塑料杯放在靠支架位置，另一只放在直尺另一端，这样动力臂就比阻力臂长了。
师：这个思路不错，大家觉得这样设计可以吗？
生4：这样动力臂确实比阻力臂长，应是省力杠杆。
师：但是假设需通过实证检验，请严格按照设计方案进行实验验证，并标注出数据。
学生按图施工、测试、修改、完善、记录、总结与展示。
生5：我们小组经过多次尝试，发现当动力臂是阻力臂的两倍时，刚好能用3个螺母托起6个螺母，这就是两种力臂的最短临界值。
师：非常好，生5所在小组通过实验得出了关键数据。那其他小组有没有不同的发现呢？
生6：我们小组发现，当动力臂稍微再长一点、阻力臂再短一点时，也能用3个螺母托起更多螺母，比如7个。
师：看来动力臂越长，阻力臂越短，就越省力。
生7：省力的窍门就是要阻力臂<动力臂。
师：通过交流与展示，同学们完整地呈现了问题分析与解决的逻辑路径，体现了科学思维的严谨性。
师：对不同杠杆结构的定义，其实就是阻力臂与动力臂大小的定义。像今天学的第一种杠杆，因为阻力臂=动力臂，所以就称其为等臂杠杆，比如天平就是典型的等臂杠杆；像第二种杠杆，因为阻力臂>动力臂，所以称其为费力杠杆，像我们之前学的镊子、钓鱼竿都是费力杠杆，虽然费力，但它们能让我们更精准地操作或者达到更远的距离；第三种杠杆因为阻力臂<动力臂，所以称其为省力杠杆，比如开瓶器、撬棍就是省力杠杆，能让我们用较小的力撬起较重的物体。
（2） 三阶任务链驱动，杠杆实践促素养提升。
为深度检验学生对杠杆平衡科学原理的掌握程度，笔者精心设计了“小小杠杆科学家”工程实践活动，如
图5所示。该活动依托实践材料，提出具有挑战性的实际问题：如何利用直尺、铅笔支架，以≤ 3 个螺母撬起≥ 6 个螺母，并探寻撬起的最短力臂。
在实践过程中，学生遵循“初画设计图—展示设计图—修改设计图—按图施工—验证与完善”的清晰流程展开探索。大部分学生凭借自身对杠杆原理的理解，积极思考、大胆设计，最终成功找出多种解决方案。然而，也有少部分学生在初始阶段存在认知偏差，设计思路偏离省力杠杆的要求。此时，笔者及时引导其他学生积极分享见解，共同启发这部分学生调整思路，最终完成任务。
此环节采用三阶任务链教学形式，精心创设合理的实践环境、明确的任务要求以及清晰的预期目标，使学生全身心投入实践活动。学生在这一过程中，不仅深入训练了科学思维能力，能够运用所学知识分析问题、解决问题，还强化了合作学习能力，在小组讨论与交流中相互学习、共同进步。这一实践活动充分体现了“教、学、评”一体化的课堂质效，让学生在实践中真正理解和掌握杠杆的知识，实现了知识迁移运用能力的有效提升。
2.4 优化知识延伸，提升学生思维品质
要想在信息技术环境中具备一定优势，就必须掌握足够多的知识储备。从这个角度来说，合理优化实验教学的知识延伸内容就显得非常重要。教材内容受篇幅所限等影响，往往难以体现出知识延伸的丰富性。一直以来，学校教育在很大程度上对学生进行的是知识教育，而非思维能力的培养，这使得学生缺乏自我学习能力、自我解决问题的能力，最终导致其缺乏核心竞争力。若想解决这一问题，应借助一定的生活资源、网络资源等拓展实验教学的广度和深度。实践证明，科学史与生活场景的融入，不仅能强化学生对概念的理解，更指向“科学本质观”的培养。例如，重构阿基米德杠杆原理的历史，引导学生思考，就能促进思维习惯的培养、思维能力的训练和思维品质的提高。这一隐性渗透的教学策略，能够帮助学生提升科学思维的品质
［3］。
（1） 溯源杠杆历史，明辨认知纠偏探生活。
师：通过今天的学习，我们已经掌握了杠杆结构的3种基本原理。你能根据所学原理分析图片中的生活物品分别属于哪种杠杆结构吗？
生1：在用扫把扫地时，手握处是用力点，扫把与地面接触处是阻力点，扫把中间能转动的位置就是支点。
生2：在用指甲刀剪指甲时，我们手指按压处就是用力点，指甲被剪处就是阻力点，指甲刀的转动轴就是支点。
生3：指甲刀的动力臂比阻力臂长，是省力杠杆。
师：看来同学们都是“小小杠杆科学家”了。其实早在2 000多年前的古希腊，科学家阿基米德早就发现了杠杆的秘密，并通过一系列的科学试验证明了杠杆的结构与原理。接下来，我们用一段短片来了解一下。
师：看完这段科学史，你有什么感想或感悟吗？
生4：合理运用多种知识，可以让科学学习变得更有趣。
生5：学习科学需要善于观察生活和喜欢做实验。
师：大家说得都很有道理。阿基米德的故事告诉我们，科学源于生活，又服务于生活，要善于观察、勇于实践。
（2） 融合史实与生活，助推科学思维进阶。
为促使学生将杠杆原理知识与生活实际经验深度融合，笔者在教材内容拓展的基础上，精心设计了杠杆原理科学史的知识延伸环节。
在此环节中，学生展现出的惊讶眼神与积极言语，充分流露出他们对科学学习的渴望与热情。课后家庭杠杆原理实践反馈也进一步验证了这一环节的有效性。这表明，合理融合生活实际、科学知识与科学史，对科学课内容进行整合与优化，能够极大地丰富实验教学内涵，使其更加多元。
这一环节并非对课堂所学内容的简单回顾与整理，而是实现了生活与历史的有机融合。通过引入科学史，学生了解到杠杆原理的发现历程，感受到科学知识的传承与发展；结合生活实例，学生看到杠杆原理在日常生活中的广泛应用，体会到科学与现实世界的紧密联系。这种融合有助于学生形成科学观念，明白科学源于生活又服务于生活。同时，引导学生再次经历杠杆问题的产生过程，促使他们深入思考杠杆结构原理。在分析生活中的各种杠杆工具时，学生不断运用所学知识解决实际问题，进一步加深对杠杆原理的理解。这种教学方式让学生在实践中感受现实生活对科学原理的思考、解决与应用需求，有助于学生实现科学思维品质的逐步进阶，为今后的科学学习奠定坚实基础。
3 理论验证：基于证据链的优化效能分析
通过分析课堂观察行为和实验记录单发现，优化后的实验教学显著提升了学生的科学思维水平（
表1），其思维束缚现象显著降低，学生既能从单一现象（如胡萝卜平衡）归纳出多变量关系，又能用模型建构的方式表达科学原理，取得了较好的教学效果
［4］。
4 结语
实验教学优化需以科学思维发展规律为内核，构建“情境驱动—具象实践—逻辑建模—知识浸润”的完整培养链。该课例证实：情境驱动是思维发展的启动器；具象实践是概念转化的物质载体；逻辑建模是系统思维的脚手架；知识浸润是思维品质的升华剂。该路径为小学科学实验教学提供了理论支撑的典型实践范式，并为进一步探索跨学科整合对思维发展的协同效应指明了方向。
教师应从新课标对学生科学学习活动目标的本质要求和科学思维发展出发，深入理解课程知识结构；以剖析、优化、发展的视角精心研读教材本身，打通课堂目标、内容、过程、评价的关联性，着力让零散的知识建立结构化的联系，从而架构合理的教学路径与策略。只有这样，才有助于培养学生具有生长性的科学思维能力，形成更好的科学思维品质及科学学习能力，促其核心素养的形成与发展。
京公网安备11010202008535号
PDF
(734KB)
