采用“三單聯動法”助力實驗教學，促進思維進階

【摘要】思維進階是物理學習的關鍵過程，高效的思維引導路徑能有效地增強教學效果．但在當前高中實驗教學中，關注思維進階的教學設計較為缺乏.本文基于已有教學模式，提出以預習導學單、實驗操作單、拓展創新單為學習輔助材料的“三單聯動法”，助力高階思維的培養，引導學生進行深度學習，發展高階思維，取得較為理想的效果.

【關鍵詞】高中物理；實驗教學；機械能守恒

1 思維進階的內涵

美國教育家布盧姆將思維過程從認知角度細分、具體化為６個教學目標，即記憶、理解、應用、分析、評價和創造，其中記憶、理解、應用是低階思維，是較低層次的認知水平，主要是學習事實性知識或完成簡單任務的能力；分析、評價和創造為高階思維，是發生在較高認知水平層次上的心智活動或認知能力［１］．《普通高中物理課程標準》提出的物理學科核心素養中，科學思維是基于經驗事實建構物理模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證在科學領域的具體運用；是基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論質疑和批判，進行檢驗和修正，進而提出創造性見解的能力和品格［２］.由此可見，促進中學生思維進階既是國家教育改革的方向，也應該是物理學科教學重點關注的內容.因此，本文結合“驗證機械能守恒定律”教學設計，探索如何將思維進階真正落實到高中物理課堂教學中.

2 基于思維進階的教學模式

在常規的物理實驗教學中，教師一般要先對實驗的原理進行講解，學生帶著課本中的實驗方案走進實驗室，在小組學習的模式下按部就班地完成實驗操作，對實驗數據進行處理，得出實驗結論，整體來看，這樣的學習過程是被動的.在這種教學模式中，學生通過對課本的閱讀和題目的練習能夠完成對知識的記憶，也能基本理解教材中原實驗的原理，但對實驗步驟的分析較少，理解程度較低，幾乎不涉及對實驗方案的評價，更談不上自己設計實驗對規律進行驗證，而且學生還表示在實驗過程中會遇到自身無法解決的實際操作問題，由于學生人數較多，教師不一定能及時進行幫助.

為了消除常規教學模式的弊端，本研究提出采用“三單聯動法”助力實驗教學，促進學生思維進階.“三單聯動法”指在教學活動開始之前學生使用預習導學單自主學習，在實驗過程中使用實驗操作單進行實驗操作和思考，在完成實驗后使用拓展創新單拓寬視野，啟發深度思考，加深對知識的理解程度.

3 基于思維進階的教學過程及分析

“實驗：驗證機械能守恒定律”一節是學生在高中階段第一次接觸到“守恒”這一概念，這是物理觀念中能量觀這一要素的一項重要內容，也是分析、研究物理問題的一個重要思想方法，對后續能量守恒、動量守恒、電荷數守恒等知識的學習都有一定的引領作用.雖然在之前的學習中學生已經對研究對象的選擇和系統機械能是否守恒有了一定認識，但對這些知識并沒有親身的體驗，即思維上質疑和尋找證據論證的過程還沒有實際發生，為了完成核心素養的落實和學生思維的進階，有必要認真研究教學過程，以達到更好的教學效果.

3.1 預習導學單

為了讓學生明確本節課學習的目標，教師應將課程標準中“教”的目標轉化告知為學生“學”的目標，課程標準中對該部分知識的要求為“通過實驗，驗證機械能守恒定律”.對于學生來說過于空泛，沒有能夠對照檢驗自身是否學會的抓手，因此教師可以在預習導學單中設立如下教學目標：①能敘述課本中的兩種實驗思路，說出必要的實驗器材；②能按步驟進行實驗操作，收集到實驗數據，根據實驗數據的分析得出實驗結論，實驗誤差不超過5%；③能說出產生實驗誤差的原因，嘗試提出減小誤差的實驗方案.

教材首先復習了機械能守恒的條件，將實驗的方向確定在了動能和重力勢能的轉化上，通過問題引出三個常見的機械能守恒的情境：自由落體、光滑斜面上物塊的下滑、被細線懸掛小球的擺動.通過對三個情境的分析，確定需要測量的物理量和實驗的原理，并且給出了兩個實驗的方案.如果學生直接閱讀課本進行預習，前文中提出的問題在還未思考時就已經在后文的閱讀中得到了答案，并未促使學生較為深入地思考，學生的思維仍然處于較為被動的狀態，為了促進學生思維的運轉，在預習單中應轉“敘述”為“疑問”，將問題的答案暫時隱藏起來，引導學生思考.

3.2 實驗操作單

雖然在進行實際操作之前學生已經學習了實驗原理、實驗步驟和注意事項，但是學生不會將以上內容立刻記憶完畢，在實驗進行的過程中經常會忘記接下來應該做什么，教師不一定能立刻對學生進行指導，為了幫助學生順利地完成實驗，可以給學生發放實驗操作單.為了引導學生思考實驗操作的必要性和如此做的原因，教師還可以在實驗操作單上設置問題，引導學生進行思考，深入學習.編制預習導學單如下：

8.5實驗：探究機械能守恒定律實驗操作單

【實驗器材】

圖1

鐵架臺（帶鐵夾）、電磁打點計時器、低壓交流電源（4～6 V）、重物、毫米刻度尺、紙帶（帶夾子）、復寫紙片、導線．

【實驗步驟】

1．安裝置：按圖、將檢查、調整好的打點計時器豎直固定在鐵架臺上，接好電路．

2．打紙帶：將紙帶的一端用夾子固定在重物上，另一端穿過打點計時器的限位孔，用手提著紙帶使重物靜止在靠近打點計時器的地方．先接通電源，后松開紙帶，讓重物帶著紙帶自由下落．更換紙帶重復做3～5 次實驗．

3．選紙帶：選取點跡較為清晰且有兩點間的距離約為2 mm 的紙帶，把紙帶上打出的兩點間的距離為2 mm的第一個點作為起始點，記為O，在距離O點較遠處再依次選出計數點1，2，3，….

4．測距離：用刻度尺測出O點到1，2，3，…的距離，即為對應下落的高度h1，h2，h3，….

【問題與思考】

1.為了盡可能控制實驗滿足機械能守恒的條件，應盡量減小各種阻力的影響，可以采取的措施有什么？

2.若紙帶前端打點過多無法看清，應如何對實驗過程進行調整？

3．計算紙帶上某點速度時能否使用v＝gt或v＝2gh進行計算？

3.3 拓展創新單

大部分學生在教師、教材、實驗操作單的幫助下可以完成實驗，對機械能守恒定律進行驗證，此時學生已經達到了課程標準的基本要求，為了促使學生思維進階，教師還需要繼續設置問題，引導學生思考.通過學生自己的動手實踐和觀察，以及實驗操作單中設置的問題學生已經意識到紙帶和打點計時器間的摩擦是誤差的主要來源，而且重物帶動紙帶下落與打點計時器摩擦是無法完全避免的，因此為了得到更加精確的實驗結果，就需要對實驗方案進行優化.由于在之前的學習過程中學生知道使用氣墊導軌可以有效地減小摩擦帶來的影響，而且課本也給出了光滑斜面下滑的實驗方案，但課本方案在實際操作中存在滑塊下落高度不易測量的困難，此時可以引導學生思考如何在課本方案的基礎上加以改進，克服下落高度不易測量的困難.學生結合之前探究合外力、質量與加速度關系的實驗，經過思考后可以提出圖2所示的實驗方案，該方案可以用刻度尺輕松地測量出兩光電門的間距，即槽碼下降的高度，通過光電門可以較為準確地計算出滑塊的速度，該方案的實驗誤差相對較小，而且實驗原理易于理解，實驗操作簡單，適合高中生進行探究.

圖2

圖3

除上述問題，教師還可以給出其他創新實驗方案，讓學生根據實驗方案的圖像分析實驗原理，思考其他方案的優缺點，例如圖3所示的實驗方案即可作為學生分析的素材.該方案的實驗步驟為：①將質量相等的兩鉤碼A和B通過定滑輪懸掛，在B下方懸掛一鉤碼C，在鉤碼A下方固定紙帶；②打開打點計時器，釋放鉤碼；③選取足夠長且點跡清晰的紙帶，選擇2個足夠遠的點并測量兩點間距，計算出兩點的速度；④比較系統增加的動能和C減小的重力勢能.該方案的特點在于研究對象較多，學生在分析時會因為研究對象的混淆而感到困惑，由于A與B的質量相等，則B減小的重力勢能與A增加的重力勢能相等，即A與B的重心位置未發生變化.通過該方案的學習可以有效地鍛煉學生的思維能力，促進學生的思維進階.

經過對上述實驗方案的學習后，學生對驗證機械能守恒的方法已經有了基本的認識，為了加深學生的理解，培養學生的評價意識和能力，教師可以要求學生使用思維導圖的形式對各個實驗方案進行總結，說出各個方案的優缺點，然后對學生總結的成果進行補充和點評.

4 結語

從教學方式上看，“三單聯動法”結合了問題導學、操作指導、思維導圖等多種教學方式，具有豐富課堂教學形式，能有效錘煉學生思維；從教學流程上看，該教學模式層層遞進，從復習到教材閱讀，再到實際操作與反思；最后以思維導圖的形式進行總結，學生的思維水平在此過程中得到不斷發展與提升.因此，該教學模式對當前高中物理教師培養學生高階思維的教學設計具有一定借鑒意義.第一，基于高階思維培養的物理實驗教學設計應該結合多種教學方式，豐富課堂教學形式，適當融入各種思維活動，發揮物理實驗的優勢，讓學生在思考與探究中發展其決策能力、問題解決能力、創造能力；第二，基于高階思維培養的物理教學設計應該注重實際物理問題的解決，只有學生將物理知識真正應用于實際生活或科技問題情境中時，學生對于物理知識的理解才能更加深入，學生的問題解決能力等物理高階思維能力才能得到進一步提升.

【本文系陜西省“十四五”教育科學規劃2023年度課題《基于科學思維進階的高中物理實驗教學研究》的研究成果，課題批準號： SGH23Y0983】

參考文獻：

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［2］喻奇林，徐歡歡，阮享彬.物理課堂中“問題鏈”構建策略——以“大氣壓強”教學為例［J］.物理教學，2022，44（09）：35-37+21.

［3］黃紅錦.關注實驗教學，培養科學素養——淺談高中物理實驗優化教學的舉措［J］.廣西物理，2022，43（03）：139-141.