基于具身認知理論開展物理實驗教學的方法

[作者簡介]伏強（1978— ），男，江蘇連云港人，江陰市山觀高級中學，一級教師，研究方向為中學物理教學。

[摘 要] 物理實驗是物理學科的基礎，物理理論知識的學習是對實驗現象的歸納總結，物理知識的應用是基于實驗的推廣應用，強化物理實驗教學是深化學生概念認知、提升學生物理應用意識必不可少的環節。然而，當前高中物理實驗教學流于形式，無法讓學生形成切身的實驗體驗，極大地阻礙了學生通過實驗感知物理本質的過程。文章結合具身認知理論，開展了高中實驗教學中增強學生的過程體驗、提升物理實驗教學效率的研究。

[關鍵詞] 具身認知；物理教學；實驗教學；高中物理

具身認知理論強調了環境對信息認知的影響，實質上揭示了自身體驗對于深化學習印象的重要性，這與實驗教學強化學生對物理現象親身體驗的初衷完全一致。因此，本文從具身認知理論出發，結合高中實驗教學的材料特性及學生的實驗認知心理特征，探析了具身認知理論下物理實驗教學的原則、方式和策略。

一、結合實驗心理，探析物理實驗教學的原則

高中物理實驗教學的意義在于通過實驗環節實現學生積極性的提升及具身認知的強化，加深學生對物理知識本質的理解。在這一過程中，教師應關注學生的實驗學習心理，遵循以下物理實驗教學的原則。

（一）以生為本，引導最近發展

以生為本，引導最近發展強調教師在設計實驗教學環節時應注重學生的個人發展，關注學生的心理認知發展情況，明確學生的最近發展區，促進學生實驗能力及物理知識學習的發展。因此，教師應關注學生的興趣、需求和價值觀，創設與他們個人生活、個人興趣和能力發展相關聯的實驗教學內容，提升物理實驗教學效率。

結合學生的心理認知特點，設計與其生活相關的實驗內容，學生可以更迅速地找到最近發展區，快速探究到物理知識的本質。比如，在學習“彈力”相關知識時，學生需通過實驗探究彈簧彈力與形變的關系。首先通過日常生活中常見的運動員手中的弓箭、摩托車減震器中的彈簧等與彈力相關的內容，引領學生分析彈力大時彈簧的形變大小。結合學生的生活經驗，助力學生對實驗現象提出假設，建立最近發展區，進而通過實驗設計和探究對自己的假設進行驗證。在驗證的過程中，為學生講解長度測量工具游標卡尺的使用方法，數據表格的記錄形式，畫圖分析數據的歸納方式，最后引領學生發現彈簧彈力與形變的正比關系。

（二）主動參與，實現自主建構

主動參與原則是具身認知理論的核心，只有提高學生的主動參與程度，才能有效地強化學生在實驗過程的具身感受，從而助力學生的自主建構。因此，教師應把握學生的實驗心理，通過優化實驗環節、創設實驗情境等方式強化學生在實驗中的肢體感受，促發實驗學習中的自主建構。

結合實驗環節的設計，調動學生的多重感官，對于提升學生的主觀能動性有著積極的意義。比如，在學習“力的合成”這一部分內容時，學生需通過實驗探究兩個互成角度的力的合成規律。實驗儀器包括硬紙板、彈簧測力計、圖釘等等。首先通過在一個水平的硬紙板上固定一個橡皮條，在橡皮條末端分別連接兩個測力計，之后用鉛筆在硬紙板上圈出一個固定位置，讓兩名同學分別用一個測力計和兩個測力計將橡皮條拉到同一位置處，記錄此時的測力計讀數和測力計的方向。通過多次實驗結果分析探究規律，在這一過程中，學生實際感受到了在不同對照實驗中所用力的大小和拉動的方向，直觀地感受力的合成規律。

（三）滲透情感，形成科學態度

正確的物理科學觀念和實驗科學態度是物理學科的基本素養。教師在開展實驗教學時應有意識地在實驗過程中融合情感態度素材，促使學生在實驗進程中直觀體驗科學態度對于物理規律歸納總結的重要意義，從而助力學生形成科學態度。

在實驗教學中滲透情感素材，不僅可以增強實驗學習的趣味性，還能實現潛移默化的科學觀念滲透。比如，在學習“探究物體運動與受力的關系”這一小節時，以講故事的形式介紹物理學發展歷史中對物體運動和受力之間關系的定義變更，從而理解物理學發展所面臨的重重困難，培養學生勇于質疑、大膽嘗試的科學態度。在此基礎上鼓勵學生向先賢學習，通過實踐驗證，自主探究得出物理學規律。在實驗中以控制變量的方法，分別探析物體加速度受到物體的質量、受力大小變化的影響。在實驗中通過調整小車上砝碼的質量和鉤碼的質量實現受力大小和物體質量的調整，通過畫點線圖的方法發現物體的加速度大小滿足公式，從而得出結論，并深刻感受到物理學發展所必需的科學精神。

二、指向實驗材料，探析物理實驗教學的方式

實驗器材的選取是設計實驗教學所面臨的問題。合理的取材不僅可以簡化實驗流程，凸顯實驗現象，還可以起到培養學生創新創造意識的作用。因此，教師應優化物理實驗器材選取方式，提升實驗教學效率。

（一）就地取材，拓展生活資源

就地取材是最常見的一種物理實驗器材優化方式。以這種方式確定的實驗器具往往與學生的生活實際存在密切的關聯，可以創設一種貼近生活的實驗情境，助力學生在實驗中調動已有經驗，增強物理體驗。

就地取材式的實驗器材可以同時作為課堂引入環節的媒介，在創設認知沖突的同時引導學生基于實驗探究解決問題。比如，在學習“動量守恒”相關內容時，設計實驗對動量守恒的原理進行直觀展示。為了更好地增強學生的實驗體驗，以彈珠或者臺球作為實驗器材，實現生活資源的拓展，經過多次試驗驗證并記錄，分析其平均數可以發現兩者的動量大小基本一致。

針對一些簡單物理規律的總結和常見生活現象的探究，不需要教師大費周章地組織大規模實驗，而是通過生活資源的拓展引入，在課堂中組織輕實驗，以就地取材的方式快速探究、歸納，提升實驗課堂教學效率。

（二）創意加工，尋求新穎途徑

針對實驗材料的創意加工，旨在培養學生的創新意識和綜合實驗能力。需要學生在充分理解實驗原理的基礎上，嘗試對實驗器材進行調整，得到一種新穎的實驗途徑，從而得到最直觀的實驗體驗，建立具身認知架構，促進學生創新意識的形成。

引領學生對實驗過程和器材進行創意加工，可以從根本上增強學生對實驗原理的理解，提高學生對實驗器材操作的能力。比如，在開展“驗證力的平行四邊形定則”這一實驗時，在完成傳統實驗、理解力的合成原理基礎上，鼓勵學生結合已有的器材進行創意加工。首先對已有的實驗過程進行分析，會發現本質上是通過一個不會改變的力的方向來觀察在變的兩個分力的情況。在此基礎上，同學嘗試用一根繩子跨過一個重量已知的砝碼。然后用兩個測力計分別拉在繩子兩端，這保證兩者的合力始終與重物的重力大小相等、方向相反，從而得到力的平行四邊形定則的驗證。在傳統實驗方式創意加工的過程中，學生需要深刻理解實驗原理，并結合實驗器材的固有特性，思考改變實驗過程的方式，從而實現創新意識和創造性應用能力的提升。

（三）動手制作，進行深度探究

動手制作實驗器材是具身認知理論下開展實驗教學的常見方式。實驗器材的動手制作可以讓學生在實驗課堂中有更深刻的參與感，對實驗原理理解的深刻性也能隨之提升，進而有效地促進學生課堂學習中的深度探究。

比如，在學習“用單擺測量重力加速度”這一小節時，組織學生自主設計單擺樣式，提供材料讓學生動手制作各自的實驗器材。在制作的過程中，學生充分發揮創造力，將細繩穿過帶孔的鐵球后固定在桌子邊緣，然后利用米尺和游標卡尺分別測量小球的半徑r以及懸吊段細繩的長度l，得到單擺的擺線長度為L=l+r。接著，拉動小球到一個小于10°的平衡位置釋放，用秒表記錄小球擺動30—50次的振動周期。記錄數據后將其代入公式，計算重力加速度的結果。之后改變單擺的擺長重復測量作為對照實驗，計算在不同擺長下的平均值。在動手制作實驗器材的過程中，學生根據不同器材處理中的細節，能夠更清晰地感受到實驗所蘊含的物理學原理，這對于促進學生在實驗進程中的深度探究有著積極的意義。

三、聚焦核心素養，探析物理實驗教學的策略

核心素養是當前教育背景下教學設計所必須考慮的因素。基于具身認知理念的物理實驗教學同樣要針對學生核心素養的培育，適當地改變教學策略，通過制造沖突、推理論證及小組合作等方式充分發揮實驗學習的作用，實現學科觀念、思維能力及道德規范等核心素養的滲透。

（一）制造沖突，深化學科觀念

制造沖突旨在通過問題情境制造認知沖突，讓學生感受到新信息與已有認知的不一致，進而激活學生的主觀能動性，促使其在實驗進程中有針對性地分析實現現象，歸納物理學規律，在“沖突—驗證”的完整學習過程中實現學科觀念的深化理解。

結合生活現象設置情境陷阱是一種行之有效的沖突制造方法。比如，在學習“多普勒效應”這一小節時，以常見的多普勒效應的音視頻內容和學生腦海中聲音振動相關的知識建立認知沖突。此時，教師及時地引導學生考慮到物體的運動這一因素，通過模擬實驗觀察波源與觀察者之間是否存在相對運動，以及兩種狀態下接收到的頻率變化，獲取直觀的多普勒效應體驗。

（二）推理論證，培養思維能力

思維能力是物理學科核心素養的重要體現之一，在學生理解物理原理，并將其應用到實際問題中起著重要的作用。因此，教師應結合實驗環節，引導學生在實驗過程中結合數據和現象對規律本質進行推理論證，提升學生的思維能力。

比較推理是物理實驗中最常見的一種推理論證方式，通過對比不同對照組的實驗結果，歸納得出最終的物理規律。比如，在學習“平拋運動”這一小節時，設計實驗探究平拋運動的基本原理。實驗中根據物體拋出的高度、小球的質量、滑下的高度（決定了拋出時刻的速度大小），按照控制變量的方法設計對照組實驗。通過對比分析，學生發現，在豎直方向上物體運動軌跡與上述三個因素均不存在關系，體現為自由落體。在水平方向上物體運動軌跡體現為勻速運動，初速度越大且下降高度越高則最終落點越遠。在上述實驗中，學生通過不同對照組實驗結果的對比分析，可以直觀地推理出平拋運動的運動特征，將其與已有的自由落體和勻速直線運動建立邏輯關系，促進推理能力的發展。

（三）小組合作，了解道德規范

物理學科具有綜合性強的特點，許多實驗探究活動需要學生以小組合作的形式展開。因此，教師應基于小組合作的教學策略設計實驗教學，在實驗中培養學生的合作探究能力，促進道德規范的滲透。

每一種物理實驗都包含許多步驟，在小組合作實驗中，學生相互檢查、合作探究可以更有效地發揮實驗學習的作用。比如，在學習“探究外力做功與動能變化”這一部分內容時，引導學生以小組的形式完成實驗探究活動。以小組的形式開展物理實驗，可以讓每名學生都有明確的任務分工，在分工協作的氛圍中高效地完成實驗任務，體會到合作的重要性，從而促進他們道德規范的發展。

綜上所述，具身認知理論下的實驗教學可以從教學設計以及課程安排中增強實驗環節的體驗感，讓學生在動手操作、實驗設計的過程中通過手腦并用及多感官協同實現對物理現象和規律的本質認知，從而達到提升新時代學生物理學科綜合素養的教學目的。

參考文獻

[1]王怡秋.構建生活化課堂，挖掘物理學科核心素養[J].湖南中學物理，2018，33（11）：27-28.

[2]鄒小平. “雙減”背景下高中物理作業設計的優化[J].數理天地（高中版），2023（6）：38-40.