思維導(dǎo)圖在高中物理實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)中的應(yīng)用研究

摘 要：為利用思維導(dǎo)圖實(shí)現(xiàn)高中物理實(shí)驗(yàn)知識(shí)可視化、學(xué)生思維可視化，文章提出實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)中以思維導(dǎo)圖為導(dǎo)航、線索、工具，有效開發(fā)學(xué)生大腦、系統(tǒng)串聯(lián)實(shí)驗(yàn)、完成深度探索，意在激發(fā)學(xué)生興趣、完善認(rèn)知結(jié)構(gòu)、激活創(chuàng)新思維，使學(xué)生以清晰的思路和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嫿?gòu)知識(shí)脈絡(luò)，全面培養(yǎng)其物理思維，形成終身發(fā)展所需的科學(xué)思維、動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力.

關(guān)鍵詞：高中物理；思維導(dǎo)圖；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號：G632"" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A"" 文章編號：1008-0333（2024）36-0075-03

收稿日期：2024-09-25

作者簡介：饒遇斌（1984.10—），男，福建省建寧人，本科，中學(xué)一級教師，從事物理教學(xué)研究.

基金項(xiàng)目：福建省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2019年度課題“基于學(xué)科思維導(dǎo)圖的高中物理有效教學(xué)實(shí)踐研究” （課題編號：2019XB0914）.

思維導(dǎo)圖是一種將知識(shí)與思維可視化的教學(xué)工具，能夠從系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化角度出發(fā)幫助學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究中習(xí)得知識(shí)、方法和技能，迎合課程改革需要.因此，將思維導(dǎo)圖合理應(yīng)用到高中物理實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)中是迫切需要探究的課題.

1 以思維導(dǎo)圖為導(dǎo)航，開發(fā)大腦，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

實(shí)驗(yàn)教學(xué)圍繞培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)展開，讓學(xué)生在動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)中感受過程、學(xué)習(xí)方法與技巧，訓(xùn)練學(xué)生的嚴(yán)謹(jǐn)思維與發(fā)散思維［1］.高中物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容復(fù)雜、繁瑣，實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的前提是開發(fā)學(xué)生大腦，使其適應(yīng)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的認(rèn)知程序，產(chǎn)生探究興趣.因此，在教學(xué)中可以直接利用思維導(dǎo)圖，引導(dǎo)學(xué)生按照導(dǎo)圖上提供的思維開展實(shí)驗(yàn)探究.

以魯科版高二選擇性必修第一冊第1章《動(dòng)量及其守恒定律》為例.教師在本章學(xué)習(xí)中組織學(xué)生分組完成“驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律”實(shí)驗(yàn)，在教學(xué)初直接給出關(guān)于實(shí)驗(yàn)的思維導(dǎo)圖如圖1.

根據(jù)思維導(dǎo)圖，學(xué)生能夠明確本次實(shí)驗(yàn)?zāi)康募疤骄績?nèi)容，理解動(dòng)量守恒定律的內(nèi)涵以及彈性碰撞的特點(diǎn)，支持定量分析一維碰撞.在開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，雖然學(xué)生已掌握了動(dòng)量與動(dòng)量定理、碰撞與緩沖等知識(shí)，也能夠從具象的生活現(xiàn)象中初步感知?jiǎng)恿渴睾闩c彈性碰撞，并以物理語言解釋定律，但由于研究并不深入，學(xué)生缺乏專業(yè)語言與系統(tǒng)思維.在教師出示思維導(dǎo)圖后，學(xué)生便能夠了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康模l(fā)現(xiàn)解決目前認(rèn)知中需要迫切處理的問題，進(jìn)而產(chǎn)生興趣與探究欲望.基于此，學(xué)生可按照以下教師布置的探究任務(wù)開展實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí).

方案一：

【教師引導(dǎo)】在水平方向上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，核心器材為氣墊導(dǎo)軌，為了驗(yàn)證動(dòng)量守恒，是否需要選擇一定載體，測試碰撞前后質(zhì)量是否改變？運(yùn)動(dòng)初速度大小與方向是否改變？

【學(xué)生總結(jié)】確定實(shí)驗(yàn)器材，包括氣墊導(dǎo)軌、光電計(jì)時(shí)器、重物、細(xì)繩、膠布、撞針、天平、兩個(gè)滑塊、彈性碰撞架、彈簧片等.實(shí)驗(yàn)步驟如下：（1）用天平測量兩個(gè)滑塊質(zhì)量，作好記錄；（2）按照說明書正確安裝氣墊導(dǎo)軌；（3）接通電源，采用氣墊導(dǎo)軌配套光電計(jì)時(shí)裝置對不同碰撞情況下滑塊質(zhì)量變化、初速度大小變化、方向變化進(jìn)行測量［2］.

方案二：

【教師指導(dǎo)】在平拋運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，核心器材為小鋼球.實(shí)驗(yàn)中，如何使小鋼球從相同水平高度落下？如何確定小球落點(diǎn)平均位置？

【學(xué)生總結(jié)】實(shí)驗(yàn)中需要以下器材：斜槽、兩個(gè)大小相等但質(zhì)量不同的小鋼球、天平、圓規(guī)、白紙、復(fù)寫紙、刻度尺、重垂線.實(shí)驗(yàn)步驟如下：（1）利用天平測量小球質(zhì)量，分別記作m1、m2；（2）如圖2，在桌邊固定斜槽，其末端點(diǎn)切線保持水平，調(diào)整裝置保證小球相碰時(shí)處于相同水平高度，碰撞瞬間入射與被碰小球的球心連線應(yīng)保證與軌道末端切線平行；（3）將白紙鋪在地面上，上方鋪復(fù)寫紙；（4）根據(jù)重垂線記下位置，記作O；（5）被碰小球先落下，入射小球再落下，兩者一前一后重復(fù)落下10次，以入射小球未碰撞時(shí)的落地點(diǎn)為圓心，利用圓規(guī)畫出最小的圓，將10次落點(diǎn)圈在圓內(nèi)，驗(yàn)證m1OP=m1OM+m2ON是否成立.

2 以思維導(dǎo)圖為線索，串聯(lián)實(shí)驗(yàn)，完善認(rèn)知結(jié)構(gòu)

建構(gòu)思維導(dǎo)圖的過程也是思維可視化的過程.以思維導(dǎo)圖構(gòu)建串聯(lián)整個(gè)實(shí)驗(yàn)探究過程，將學(xué)生的探究思路與思維發(fā)展體現(xiàn)在思維導(dǎo)圖上，彌補(bǔ)認(rèn)知結(jié)構(gòu)上的漏洞，系統(tǒng)培養(yǎng)物理思維.

以魯科版高一必修第一冊第4章《力與平衡》為例.在本章學(xué)習(xí)中組織學(xué)生完成“探究兩個(gè)互成角度的力的合成規(guī)律”實(shí)驗(yàn).教學(xué)中直接將實(shí)驗(yàn)名稱作為思維導(dǎo)圖的主題，按照物理實(shí)驗(yàn)認(rèn)知程序推進(jìn)實(shí)驗(yàn)，每道程序主題為思維導(dǎo)圖一級主題，指導(dǎo)學(xué)生總結(jié)每個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟，自行構(gòu)建思維導(dǎo)圖.

第一步：確定實(shí)驗(yàn)器材.引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材內(nèi)容，根據(jù)所提出的實(shí)驗(yàn)方案分析實(shí)驗(yàn)中所需器材.

第二步：分析實(shí)驗(yàn)思路.引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合教材內(nèi)容思考“如何提供合力與分力”.實(shí)驗(yàn)中兩手同時(shí)拉動(dòng)小圓環(huán)，同時(shí)受到兩個(gè)力的作用，即為分力，單手向上拉小圓環(huán)的力則為合力.引導(dǎo)學(xué)生思考“如何保證合力、分力作用效果相同？”使學(xué)生根據(jù)書中圖示演示分析出利用合力、分力拉小圓環(huán)，且圓環(huán)橡皮條拉伸長度相同時(shí)，合力與分力相等，從而達(dá)到相同作用效果.

第三步：實(shí)踐實(shí)驗(yàn)過程.引導(dǎo)學(xué)生按照上述兩步內(nèi)容準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)器材，小組合作探究，完成實(shí)驗(yàn)操作，總結(jié)測分力與測合力的方法.學(xué)生操作過程中，先用圖釘在木板上固定白紙，將圓形橡皮條套入圖釘，在橡皮條上系兩條長度相同的細(xì)線.測分力時(shí)，采用兩個(gè)彈簧測力計(jì)連接細(xì)線，拉動(dòng)彈簧測力計(jì)圓環(huán)，保證橡皮條為直線，統(tǒng)一拉到固定點(diǎn)位O，在白紙上標(biāo)示出拉力方向，記錄彈簧測力計(jì)的示數(shù)為拉力，分別為F1與F2.測合力時(shí)，用一個(gè)彈簧測力計(jì)沿直線拉動(dòng)，到固定點(diǎn)位O，標(biāo)示拉力方向，記錄示數(shù)為拉力，記作F.

第四步：處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)實(shí)驗(yàn)中記錄的數(shù)據(jù)與記錄方法.回顧操作過程，學(xué)生確定需要記錄合力與分力大小、方向，拉動(dòng)彈簧測力計(jì)時(shí)其示數(shù)則為拉力的大小.引導(dǎo)學(xué)生分析如何處理數(shù)據(jù)，能夠直觀體現(xiàn)出合力與分力之間的關(guān)系.學(xué)生提出根據(jù)力的圖示表示更為直觀，從而運(yùn)用幾何作圖方法突出力的聯(lián)系.

第五步：分析實(shí)驗(yàn)結(jié)論.引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作過程做出的力的圖示，總結(jié)分力與合力圖形之間的關(guān)系.學(xué)生觀察后提出猜想，連接表示拉力方向的箭頭，合力F是以分力F1、F2為鄰邊的平行四邊形的對角線.為驗(yàn)證上述猜想，組織學(xué)生“畫一畫”，形象感知.如圖3所示，學(xué)生將三個(gè)力的箭頭以虛線連接起來，合力F為平行四邊形對角線.

第六步：總結(jié)注意事項(xiàng).結(jié)合以往實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)與本次操作體驗(yàn)，學(xué)生總結(jié)出實(shí)驗(yàn)前要先校準(zhǔn)彈簧測力計(jì)，確定其基本情況，避免量程、分度值與實(shí)驗(yàn)需求不符.讀數(shù)時(shí)必須正視刻度，操作時(shí)必須在水平面上，彈簧測力計(jì)應(yīng)平行于水平面.

實(shí)驗(yàn)過程中，逐步補(bǔ)充思維導(dǎo)圖，實(shí)驗(yàn)完成后建構(gòu)完整的思維導(dǎo)圖如圖4，直觀體現(xiàn)思維發(fā)展過程，使認(rèn)知結(jié)構(gòu)系統(tǒng)化.

3 以思維導(dǎo)圖為工具，深度探索，激活創(chuàng)新思維

高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的難點(diǎn)在于如何引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新.將思維導(dǎo)圖作為工具，基于知識(shí)之間的聯(lián)系，轉(zhuǎn)換物理思維；從新的方向思考實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，發(fā)展創(chuàng)新思維.

以魯科版高三選擇性必修三第1章《分子動(dòng)理論與氣體實(shí)驗(yàn)定律》為例，教師在本章學(xué)習(xí)中組織學(xué)生完成“用油膜法估測油酸分子的大小”實(shí)驗(yàn).根據(jù)教師指導(dǎo)，學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，建構(gòu)以實(shí)驗(yàn)思路、實(shí)驗(yàn)器材、測量物理量、數(shù)據(jù)分析、注意事項(xiàng)為一級主題的思維導(dǎo)圖，并從中總結(jié)出，想要估測分子的大小，需要在油膜法中將油酸分子簡化為球形處理，默認(rèn)他們處于緊密排布狀態(tài).通過測出油膜厚度、1滴純油酸體積、1滴油酸水面上攤開面積，推理出油膜厚度=分子直徑=1滴純油酸體積/1滴油酸在水面上攤開面積，但學(xué)生本次實(shí)驗(yàn)耗時(shí)過長.基于思維導(dǎo)圖，學(xué)生可梳理實(shí)驗(yàn)器材、測量物理量、注意事項(xiàng)之間的關(guān)系，分析出耗時(shí)長主要因痱子粉造成.由于痱子粉不溶于水，當(dāng)灑向水面出現(xiàn)不均勻時(shí)，無法攪拌，需要重新做實(shí)驗(yàn).基于此，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生轉(zhuǎn)換視角創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)器材.根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，灑向水面的分子不能溶于水，但應(yīng)能夠攪拌，以便調(diào)整其分布狀態(tài).目前接觸的實(shí)驗(yàn)材料中，印刷碳粉不溶于水且攪拌時(shí)能夠始終漂浮在水面上，符合本次實(shí)驗(yàn)需求.

4 結(jié)束語

綜上所述，在高中物理實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)中，思維導(dǎo)圖可以發(fā)揮啟發(fā)學(xué)生、強(qiáng)化思維訓(xùn)練、發(fā)展創(chuàng)新思維等多項(xiàng)作用.教師應(yīng)將思維導(dǎo)圖作為一項(xiàng)重要輔助工具，靈活運(yùn)用于課堂引導(dǎo)、知識(shí)建構(gòu)等環(huán)節(jié)，帶領(lǐng)學(xué)生深度體驗(yàn)物理實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)化知識(shí)應(yīng)用能力、物理分析思維、動(dòng)手操作能力的鍛煉，自主完成系統(tǒng)化知識(shí)結(jié)構(gòu)建構(gòu)，使教學(xué)實(shí)現(xiàn)事半功倍的效果.

參考文獻(xiàn)：

［1］

邱霞.思維導(dǎo)圖在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)踐［J］.考試周刊，2022（36）：137-140.

［2］ 劉世錦.思維導(dǎo)圖在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用研究［J］.數(shù)理化解題研究，2021（36）：46-47.

［責(zé)任編輯：李 璟］