創(chuàng)設演示實驗教學情境 促進科學思維的有效進階

江翔

摘? ?要：核心素養(yǎng)理念下的演示實驗教學是培養(yǎng)學生科學思維能力和科學探究的有效途徑，學習進階是根據(jù)學生已有知識結(jié)構(gòu)和思維能力特點，設置進階的層次和目標，以尋找最佳的進階路徑。本文通過創(chuàng)設層層遞進的演示實驗情境，促進學生的思維從形象到抽象再到創(chuàng)造性的進階，從而提升學生的科學思維能力和素養(yǎng)。

關鍵詞：演示實驗;創(chuàng)設情境;科學思維;有效進階

引 言

高中物理（新魯科版必修1）中“超重與失重”這節(jié)課是對前面所學的牛頓運動定律知識的延伸及應用，與生活聯(lián)系緊密。筆者通過對演示實驗情境進行層級設計，從引入概念、體驗探究過程、形成物理觀念、構(gòu)建模型、變式歸納、學以致用、遷移提升等環(huán)節(jié)制定學習進階的節(jié)點，幫助學生形成正確的物理觀念，構(gòu)建超重和失重的運動模型，循序漸進地培養(yǎng)學生的思維能力。

1? 運用直觀形象實驗設疑激趣，激活學生認知思維沖突

情境1：如圖1，用細線掛上一個很重的大鉤碼，然后迅速向上提，發(fā)現(xiàn)細線斷了。

情境2：細線換成橡皮筋，觀察橡皮筋形變長度。

進階節(jié)點1：拉力和重力相等嗎？

情境1中學生原有的認知是拉力等于重力，但通過細線斷掉這個直觀形象實驗，使學生心理產(chǎn)生一定震憾，打破學生原有的認知結(jié)構(gòu)，思維上閃現(xiàn)出來的認知沖突，激發(fā)學生質(zhì)疑思維，細繩為什么會斷？拉力發(fā)生了變化嗎？認知思維的障礙激發(fā)學生進一步學習的動機。情境2中學生觀察到橡皮筋長度發(fā)生變化，可以直觀知道鉤碼所受的拉力變化了，情境2比情境1更直觀形象、更遞進地解釋了疑惑，從而促進學生形象思維有效地進階。

2? 親歷體驗實驗探究過程，形成物理觀念和建構(gòu)物理模型

情境3：一位學生迅速起身到停下，起身過程中人的受力分析如圖2，另一位學生迅速下蹲到停下，下蹲過程中人的受力分析如圖3，分別觀察兩個過程中體重計上示數(shù)N1（N）變化。如表1所示。

進階節(jié)點2：超重與失重現(xiàn)象中物體本身的重力不變。

進階節(jié)點3：超重與失重與物體運動方向無關[ 1 ] 。

情境3中學生通過親身體驗，經(jīng)歷探究過程，通過分析表格的信息，可以使學生原有的錯誤認識與真實現(xiàn)象形成認知沖突，起身和下蹲的兩個過程中，物體自身重力（實重）不變，但是壓力N1（視重）或支持力N會變化，明確了實重與視重不相等的邏輯關系，物體發(fā)生超重或失重現(xiàn)象。

通過創(chuàng)設進階遞進問題情境來引導學生從表1第二、五行分析：起身加速階段和下蹲減速階段示數(shù)變大超重，從表格第三、四行分析起身減速階段和下蹲加速階段示數(shù)變小失重，得出超失重與速度方向無關。學生的思維從節(jié)點2深入節(jié)點3的分析過程中，有利于學生物理觀念形成和超失重模型的建構(gòu)，促進了學生在感性到理性思維上進階提升。

進階節(jié)點4：超重與失重產(chǎn)生的條件是因為豎直方向有加速度。

引導學生用所學牛頓運動定律的知識來解決超失重模型問題，從表1中第二、五行，第七列數(shù)據(jù)可得，N1=N=mg+ma>mg ，提升學生邏輯分析能力，促進科學思維有效進階。對于失重模型，讓學生完成對失重模型規(guī)律的自主建構(gòu)，這樣實現(xiàn)教師“教”超重到學生“自己“學”失重的轉(zhuǎn)變過程，達到了“教是為了不教”的目的[ 2 ] 。這個過程加深了對超重失重實質(zhì)的理解，原因就是豎直方向有加速度a。學生會應用所學規(guī)律推導視重與實重之間的關系式，提升了學生思維從形象思維到抽象思維的有效進階。

進階節(jié)點5：視重與實重變化了多少？

引導學生自主分析視重與實重變化了ma，從超失重本原問題出發(fā)，讓學生邏輯思維能力向更深層次，更高端突破，有效提升學生科學推理論證思維的有效進階。

3? 創(chuàng)設可視化的變式實驗情境，培養(yǎng)學生科學探究的思維能力

情境4：如圖4，用彈簧測力計拉物體運動，指針能見度小反彈快不易觀察，可自制教具來改觀實驗可視性如圖5所示。重物靜止時，電刷與B銅片接觸，黃燈亮，當向上提彈簧一端時，重物處于超重或失重狀態(tài)，就會看到不同顏色燈亮。

情境5：如圖6，將DIS 接入實驗裝置，不僅解決可視化問題，還可以突破實驗從定性到定量的測量。通過實驗演示手提重物迅速上升與下降過程，在電腦上可清晰反映出拉力F-t變化關系圖（如圖7）。

進階節(jié)點6：學生會識圖、用圖，會推斷出不同區(qū)段對應的受力狀態(tài)和運動狀態(tài)，并與超失重過程相對應。

圖象的數(shù)據(jù)能直觀定量呈現(xiàn)視重和實重大小關系，能更好突破探究問題的難點，定量測量的尋求是科學探究的必然趨勢，讓學生思維從定性到定量去尋求物理規(guī)律，使思維的深度和廣度得到拓展，這個跨越使學生思維也得到有效進階。

進階節(jié)點7：控制變量法改變砝碼重力，運動速度、加速度大小方向等因素，圖象將怎樣變化？

培養(yǎng)學生科學思維是循序漸進的，通過拓展研究，讓學生對超失重全方面、遞進式探究，這樣有思維驅(qū)動力的問題研究有利于學生關鍵能力的培養(yǎng)，使學生的科學思維再次進階，能夠更加有效地提升學生核心素養(yǎng)。

4? 創(chuàng)新類比的演示實驗情境，拓展應用提升思維能力

情境6：如圖8，創(chuàng)新兩個類比的演示實驗。（A）裝置中燒斷細線中螺母加速下落過程，放螺母一側(cè)向上翹起，失重[ 3 ] 。（B）裝置中懸線斷裂后，小木球加速上升過程。臺秤示數(shù)減小，失重。（C）裝置中電磁鐵通電后，鐵塊B被吸引上升過程中，臺秤示數(shù)增大，超重。

進階節(jié)點8：臺秤示數(shù)變化原因分析

巧設類比實驗情境A、B、C，整體轉(zhuǎn)化到局部，隔離分析法達到思維遷移，系統(tǒng)中部分物體有豎直加速度時，大小變化了ma，再將解決問題的方法遷移到圖8中討論物塊和斜面對地面壓力大小與重力的關系，借助實驗突破思維難點，活化所學知識方法，實現(xiàn)變式創(chuàng)新思維的有效進階。

綜上，教師通過創(chuàng)設層層遞進的演示實驗教學情境，幫助學生形成正確物理觀念和模型建構(gòu)，情境設計要以實驗活動促科學思維進階為主線，從教學目的、內(nèi)容、過程、方法和手段方面進行優(yōu)化創(chuàng)新，循序漸近，讓學生親歷從初識形象感覺思維到抽象邏輯思維再上升到創(chuàng)造性思維[ 4 ] ，促進了思維的有效進階，同時培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)。

參考文獻：

[1]柯曉露.基于“學習進階”的物理概念教學[J]. 中學理科園地，2018（6）.

[2]邢紅軍.高中物理高端備課[M]. 北京：中國科學技術出版社，2018.

[3]周長春.基于核心素養(yǎng)導向的高中物理教學案例研究[J]. 物理教學探討，2016（5）.

[4]劉艷紅.建立實驗階梯情境 助推思維有效進階[J].中學物理教學參考，2019（9）.