基于思維進階的高中物理實驗教學策略探究

摘要：實驗是探究科學最主要和最有效的方式，科學領域中幾乎所有的概念、定理、規律和公式都是從實驗中提煉和總結而來的。對一些抽象的概念、定理和規律，實驗也能做出具象的說明和解釋，所以，在科學類課程的課堂教學實踐中，實驗也是一種重要的教學載體，教師需要綜合課程教學的實際需要設計實驗與開展實驗教學，結合演示實驗或動手實驗來教學，為學生提供一個親眼觀察和親身體驗實驗的機會。文章主要圍繞思維進階下的高中物理實驗教學展開，對思維進階和實驗教學在發展高中生思維層面的優勢做了介紹，探究了思維進階下高中物理實驗教學的進階路徑和開展策略。

關鍵詞：思維進階；高中物理；實驗教學；開展策略

中圖分類號：g633.7文獻標識碼：a文章編號：1673-8918（2025）05-0128-04

經過小學和初中的積累與鍛煉，高中生已經基本形成了自主探究和獨立思考的能力，也更需要以自主探究和獨立思考為主體的教學實踐。而對高中物理教師來說，在以學生為中心的基本原則下開展實驗教學，既能迎合學生思維、認知與能力發展的實際需要，又能滿足學生在課上發揮個人價值與作用的實際需求，對學生個人的成長和發展提供重要助力。所以，教師應當從多個不同的角度出發，全面、多元且深入地探究實驗教學的開展路徑。多角度推進高中物理實驗教學的進階，以更契合當下時代學生真實水平與實際需要，促進學生思維進階，進而實現促進學生個性成長和全面發展的育人目標。

一、 思維進階概述

人的思維發展大致可以劃分為六個階段，由低到高分別是感知階段、理解階段、應用階段、分析階段、創新階段和洞察階段，其中，感知是思維的最初階段，指向的是通過感官來直接獲取環境信息的思維活動；理解是感知的進階，指向的是對感知到的信息進行的加工；過程可以概括為通過歸納、推理等方式建立理解；應用是理解的進階，指向的是帶入信息與理解的問題思考與問題解答；分析是應用的進階，指向的是在有邏輯的推理下對不同事物、不同信息間關系的研究；創新是分析的進階，指向的是基于已有事物和概念進行的創造，新觀點、新方法或新產品都是創新的產物；洞察則是創新的進階，也是思維的最高階段，指向的是對事物本質和長遠發展的前瞻性考量與判斷。而思維進階其實就是人在認知外部事物過程中，思維由低層向高層、由表層向內里的逐步進階，最終指向的就是包含分析、綜合、評價和創造在內的高階思維及高階思維活動。

二、 實驗教學在發展高中生思維層面的優勢

物理學是自然科學下主要研究物質運動規律和物質基本結構的分支，物理學中有著一系列涉及五大領域的實驗，基礎教育中物理學科需要開展的實驗教學主要是運動學實驗、力學實驗和電學實驗，實驗類型不同，探究的方式和主要探究的問題類型也不同，但不管是哪一領域下何種形式的實驗，在教學視域下都具備發展學生探究思維、創造思維和協作思維的優勢，所以在培養學生思維的目標與追求下，教師應當在課上落實實驗教學。

（一）有助于發展學生探究思維

探究思維的實際體現包含主動探究的意識、用探究的方式來解決問題的意識、在探究中了解事物完整樣貌的意識，以及通過探究來建立更全面、更完整的科學認知的思維能力。而實驗就是科學探究的一種主要方式，所以實驗本身也可以是探究思維的一個表現平臺，探究思維能驅動學生依托實驗的探究行為，在實驗中思考探究也是學生積累知識、認知和經驗的一種有效方式，所以在這一視角下，實驗教學對發展高中生思維的優勢就體現在發展探究思維的助力上。

（二）有助于發展學生創造思維

創造思維是一種高階思維，指向的是對舊事物的創新，同時也指向對新事物的創造，而創造這種行為本身就是人類身上十分典型的一種自主行為，人類社會的建構和發展都源于創造，也都建立在持續不斷的創造之上。而站在個人發展的視角下，創造也是能推動個人個性成長和全面發展的一種有效行為。所以，在新時代的育人要求下，教師應當更注重培養學生的創造思維。基于此，實驗教學在發展高中生思維層面的又一優勢就在于有助于發展創造思維。

（三）有助于發展學生協作思維

實驗教學是一種具備實踐屬性和合作屬性的教學活動，看重學生在課堂上的動手操作，也看重學生在動手操作實驗過程中的分工協作，大部分需要學生動手的實驗教學活動都采取了小組合作探究的實踐方式，學生不僅需要在操作實驗和探究實驗現象時分工協作，也需要在總結實驗結論時積極地討論、分享和交流意見。就學生個人的成長和發展而言，這種分工協作與交流溝通就能起到關鍵的促進作用，所以實驗教學之于高中生思維發展的優勢也表現為有助于發展學生的協作思維。

三、 思維進階下高中物理實驗教學的進階路徑

在教育視域下，思維進階理念的提出源于現實世界的不斷發展和人才需求的持續變化，新時代需要更多有積累、有素質和有能力的人才，因而，教師需要立足進階，落實在知識教學過程中對學生思維的開發與培養，而思維進階的具體表現就包括多元思維的拓展、批判性思維的形成、創新思維的實踐和系統思維的應用。基于此，高中物理教師在開展實驗教學時，就要注重感性體驗向意識行為，再向探究實驗和高階分析的進階。

（一）由感性體驗向意識行為進階

感性體驗指向的是基于感覺和直覺的認知與理解，建立在感官的真實體驗之上，在實驗教學中主要指的是基于直接觀察和認知建構和分析理解。而人的思維模式大致包含兩種，一種是具象思維，另一種是抽象思維，從定位上看，具象思維是基石，抽象思維是延伸，具象認知是引導抽象延伸的基礎。基于此，在開展物理實驗教學時，教師就應立足學生在實驗中對具象問題的呈現，先引導學生進行感性體驗，再基于思維進階的需要，引導學生完成感性體驗向意識行為的進階。

（二）由意識行為向探究實驗進階

意識行為指的是在特定情境下為達成某種目的而自覺產生的一種行為，建立在個體因具象而真實的現實產生的意愿和目標之上，但對應到實驗教學中，意識行為實際上是一種比較淺顯的思維形式，學生在操作實驗過程中產生的意識行為是要從實驗探究的問題中抽象出來的，大都停留在制訂初步實驗方案的表層，不涉及對方案可行性的驗證。所以，在思維進階的需要下，高中物理教師在開展實驗教學時，還要注重引導學生完成由意識行為向探究實驗的進階。

（三）由探究實驗向高階分析進階

探究實驗指的是沿著既定實驗方案進行的實踐探究，對應實驗教學中動手操作實驗的環節，教師在課堂上開展實驗教學的目的主要有兩個：表層目的是深化學生對知識的理解和鞏固學生對知識的記憶，深層目的是發展學生的思維能力、探究能力和養成學生的探究精神，不管是表層目的還是深層目的，目的的達成都建立在學生親自操作實驗的基礎上。而在思維進階的要求下，高中物理教師就應當基于發展學生高階思維的目標，在開展實驗教學時更注重探究實驗向高階分析的進階。

四、 思維進階下高中物理實驗教學的開展策略

要推動學生的思維進階，就要先推動學生學習狀態的轉化，第一是被動學習狀態向主動學習狀態的轉化，第二是淺層學習向深度學習狀態的轉化，不管是被動學習和主動學習，還是淺層學習和深度學習，立足點都在于對學生學習體驗和學習沉浸感的提升，教師需要先活躍學生思維和引導學生思考，然后再借助循序推進的思維活動來開發學生的思維和推動學生的思維進階。具體到實踐中，在思維進階下開展高中物理實驗教學時，教師要先借助真實實驗情境來引導學生深入探究，再借助小組實驗討論來引導學生的思維碰撞，之后，借助實驗闖關比賽來引導學生的多元思考，最后，借助虛擬現實實驗來引導學生的自主創造，以驅動和促進學生的思維進階。

（一）以情境為輔助，在真實實驗情境中引導深入探究

情境是教學的一種輔助工具，也是能具象呈現抽象知識的一種輔助工具，對情境的科學創設與合理利用對提升教學效率和有效性都有著積極的意義，在情境的輔助下，教師能最大限度地調動學生探究的積極性和主動性，而這就更有助于學生的思維進階。所以，高中物理教師在開展實驗教學時需要以情境為輔助，在真實實驗情境中引導學生深入探究。

以人教版高中物理必修一第二章第一節“實驗：探究小車速度隨時間變化的規律”的教學為例，這一章主要是對勻變速直線運動的研究，第一節的實驗能幫助學生更快地建立對勻變速直線運動的基本認知，也能更恰當地引出之后對“速度與時間的關系”和“位移與時間的關系”的研究，從學生思維認知的發展情況和在實驗中的動手能力來看，這一實驗也是學生有能力在小組協作中自主完成的實驗。所以，高中物理教師在課堂上的實驗教學就需要從“探究小車速度隨時間變化的規律”的實驗開始。而在思維進階的要求下，教師要綜合勻變速直線運動概念的生活應用來創設情境，比如，電梯的上下運動，電梯是一種便捷的上下樓工具，對電梯速度的設置既要考慮到所需花費的時間，也要考慮到人身體的承受能力，尤其是老年人。借助帶入電梯運動情境的探究實驗，教師能引導學生主動展開對“為什么在設置電梯運行速度時要使轎廂的運動呈勻變速直線運動的狀態”這一問題的探究，然后再借著對問題的深入探究來發展學生的思維。

（二）以小組為單位，在實驗討論中引發思維碰撞

學生是課堂的主體，以學生為中心是課堂教學的基本原則，而學生主體在課堂教學中的體現主要在于為學生提供更大的探究空間、更多的探究機會，以及為學生的自主探究提供必需的支持與指導，以便于更高效地推動學生的思維進階。所以，高中物理教師在開展實驗教學時還需要以小組為單位，借助實驗討論來引發學生的思維碰撞。

以人教版高中物理必修一第四章第二節“實驗：探究加速度與力、質量的關系”的教學為例，這是一個力學實驗，實驗中存在著三個變量，而學生就需要使用控制變量法來探究加速度與力、質量之間的關系，以引出對牛頓第二定律的探究。在實驗中，學生需要準備打點計時器、紙帶、小車、繩、天平、一端帶定滑輪的長木板和墊木、砝碼和砝碼盤、刻度尺等工具，并組裝成一個小車兩端分別連接紙帶與砝碼，連接紙帶的一端同時連接打點計時器，連接砝碼的一端需要同定滑輪連成一線的實驗裝置，然后再通過控制質量進行的多次實驗來得出幾組對比數據，以供之后的分析。而在完成實驗操作和數據的收集以后，學生還需要帶入得到的數據來制作對比圖像，并對比數據和圖像來展開對“加速度與力、質量有什么關系”這一問題的探究與討論。在此過程中，學生可以自由發表自己的想法，而不同學生基于不同視角下的觀察展開的討論就能引導雙方的思維碰撞，然后教師就可以借這種思維層面的碰撞來推動學生的思維進階。

（三）以比賽為驅動，在實驗闖關比賽中引導多元思考

在發展個體和培養個體成才的視域下，雖然對知識的講解需要遵循嚴謹和全面的基本原則，但不代表教師只能照著模板設計同種形式的教學活動。就實驗教學而言，更多元和有趣的教學更利于發展學生思維。所以，高中物理教師在開展實驗教學時也要借實驗闖關比賽來引導學生多元思考。

以人教版高中物理必修二第五章第三節“實驗：探究平拋運動的特點”的教學為例，平拋運動是對物體在水平方向上做的勻速直線運動和自由落體運動的綜合性概括，物體在被平拋出去后，會先在“拋”的動作所提供的力的作用下進行一段勻速直線運動，然后再受重力的影響完成自由落體運動，而從拋出物體開始，到物體落地為止，物體在空中的運動軌跡是一條曲線，所以平拋運動實際上就是勻變速曲線運動，運動中物體位移變化的軌跡被稱作拋物線。綜合平拋運動的概念和“探究平拋運動的特點”這一實驗的過程，教師就可以先向學生提出一系列與平拋運動相關的問題，諸如“物體在進行平拋運動時會受到哪些力影響”“在拋出物體時發力的方式和提供的原始動力會如何影響物體的運動軌跡”“是否能根據拋物線來判斷一個物體的質量和物體被拋出時原始動力的大小”“如何根據拋物線來判斷物體所受不同力的大小”。設置好問題后，教師先讓各小組自主實驗，再讓學生用搶答加闖關的形式回答問題，以此來引導學生多元思考。

（四）以科技為工具，在虛擬現實實驗中引導自主創造

科技工具是新時代功能最全面、能發揮價值最大的教學輔助工具，在高中物理的實驗教學中，對科技工具的靈活應用能助力課堂上的實驗教學突破傳統教學局限，也能為學生自主創造提供更多支持。所以，在開展實驗教學時，高中物理教師還要以科技為工具，引入虛擬現實技術來引導創造。

以人教版高中物理必修二第八章第五節“實驗：驗證機械能守恒定律”的教學為例，機械能守恒定律指的是“在只有重力或彈力做功的物體系統內，動能與勢能可以相互轉化，而總的機械能保持不變”，作為物理力學的一項重要定律，機械能守恒定律充分地體現了力學中的能量守恒，“驗證機械能守恒定律”的實驗就是對“機械能守恒”的復現，以“只有重力或彈力做功”為前提，而在學校的實驗室場景中，學生在自主操作實驗時很難保證物體系統中只有重力和彈力做功，所以學生的實驗成功率相對較低。基于這種現狀，教師在思維進階下開展實驗教學時，就有必要利用科技工具開展虛擬現實實驗，擁有強大功能的科技工具能幫助教師創造一個最理想的實驗環境，在沒有其他不可避免的外力的干擾下，學生也能更沉浸式地展開對機械能守恒定律的探究與驗證。與此同時，在以虛擬現實實驗為主體的實驗教學過程中，學生也能通過電子互動設備來同實驗“互動”，這種互動有助于激活學生思維，也能推動學生思維進階。

五、 結論

綜上所述，實驗教學能助力學生探究思維發展、助力學生創新思維發展和助力學生協作思維發展，而在思維進階理念的導向下，高中物理的實驗教學應當完成的就是由感性體驗向意識行為，再由意識行為向探究實驗，最后由探究實驗向高階分析的三層進階，以更好地培養學生的高階思維和高階思維能力。從高中物理課堂上實驗教學的實踐來看，教師在設計教學活動時，要先以情境為輔助，借真實實驗情境來引導學生對物理的深入探究，再以小組為單位，借小組實驗討論來引發學生基于問題的思維碰撞，后以比賽為驅動，借實驗闖關比賽來引導學生開闊視野，最后以科技為工具，借虛擬現實實驗來引導學生應用物理知識進行自主創造。

參考文獻：

［1］林臻.高階思維在高中物理實驗中的應用與培養研究［j］.名師在線，2024（27）：49-51.

［2］郭樹敏.高中物理實驗教學中促進學生創新思維發展的策略研究［j］.數理化解題研究，2024（24）：81-83.

［3］楊發茂.基于創造性思維發展的高中物理實驗教學探研［j］.成才之路，2024（11）：105-108.