具身化學科實踐驅動下的初中物理概念教學重構

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2025）7-0025-5

具身化學科實踐理論基于對傳統知識二維探究模式的批判性重構，其本質在于將學科概念的理解過程還原為知識創生的真實情境。物理概念理解不應停留于條件記憶與公式套用，而應根植于學生主動建構的認知活動中[1]。當學習者置身真實問題解決場域時，概念不再是被灌輸的靜態結論，而是隨著實踐探索逐漸生成的動態認知產物。以“二力平衡\"教學為例，通過設計項目任務“搭建一個符合要求的平衡裝置”，驅動學生親歷搭建傾斜結構并遭遇連續失敗的過程，復現科學史上平衡條件的發現邏輯，即教材中簡潔的二力平衡條件，實則是無數實踐試錯中提煉出的經驗結晶。

1 概念教學的現實困境

當前物理概念教學中的“人知分離\"現象，即未將知識與學生發展的意義聯結的現象[2，其本質反映出知識傳授過程中主體性建構的缺失，導致學習者與物理概念之間始終存在無法彌合的距離感，使概念體系如同懸浮在認知表層的符號標記，不能真正融人學習者的思維圖式。根源在于過度追求概念的條件化與結論化，將原本動態的科學認知過程簡化為靜態的知識識記。例如，在教學“二力平衡\"時，教師簡單演示實驗后將二力平衡條件歸納為記憶口訣，沒有創設概念生成所需的問題情境，使物理規律建構簡化為缺乏認知根基的形式化結論。盡管學生能記憶二力平衡“等大\"“反向\"“共線”三個條件，但在真實問題解決中常陷入認知迷思，無法運用所學知識解釋特定現象。這種去情境化的教學阻斷了學習者通過具身實踐重構概念意義的可能，導致認知結構的雙重割裂，既割裂了科學概念與生活經驗的自然聯系，也割裂了知識掌握與思維發展的共生關系，最終使概念理解淪為脫離學生思維的機械訓練。

2 重構認知路徑的具身化學科實踐

具身化學科實踐通過認知沖突情境設計與具身化的項目任務設計，重構了概念理解的認知路徑。具身化學科實踐根植于杜威“做中學”維果茨基社會文化理論和具身認知理論，強調認知沖突的催化劑作用，當學生用既有經驗解釋現實現象產生矛盾時，這種認知失衡狀態會激發強烈的探究動機。在教學“二力平衡\"時，通過演示實驗引導學生觀察傾斜的可樂罐意外穩定的現象，讓學生原本“物體直立才能平衡”的前概念受到沖擊，引導學生判斷裝有不同質量液體的可樂罐的重心變化。在用吸管和回形針搭建一個符合要求的平衡裝置項目實踐中，學生通過調試吸管形狀，不斷修改重心位置，其本質上就是在實踐中驗證并內化重力作用線必須通過支撐面的抽象概念。

具身化學科實踐強調具身認知與概念建構是一個螺旋上升的過程。當學生身體介入實驗操作時，肌肉記憶與空間感知會形成獨特的認知印記。學生調整吸管裝置配重時，通過手指尖感受重心的微妙變化，使共線條件轉化為具體可感的物理概念。這種身體經驗與思維抽象的雙向互動，遠比單純背誦更能形成持久認知。具身化學科實踐與傳統探究式學習的差異如表1所示。

表1具身化學科實踐與傳統探究式學習的差異

具身化學科實踐最終指向核心素養的整體培育。教學實踐中，學生分析意大利比薩斜塔等非常規建筑的受力情況，需要綜合運用平衡原理、材料特性、結構工程等多維度知識，這種跨學科思維正是未來社會所需的關鍵能力。項目實踐中，學生努力使自己搭建的結構保持穩定時，不僅是在驗證物理規律，更是在體驗工程師將理論轉化為技術的創造性過程。融合科學探究與工程實踐的學習經歷，本質上是在復現人類認知世界的根本方式，即通過實踐生成知識，再用知識指導實踐，形成有價值的認知結構。

3 具身化學科實踐的教學探索

基于具身化學科實踐的物理概念教學四階模型，包含四個有機銜接的實踐階段（表2），即通過具身實驗引發認知沖突，通過建模活動實現概念建構，借助項目實踐促進知識的遷移運用。該模型以問題鏈驅動學科實踐，將抽象概念轉化為可操作的探究活動，使學生在“做物理\"的過程中自然建構知識體系，形成貫通理論與實踐的深層理解能力。這里以“二力平衡\"教學為例進行具體闡釋。

表2基于具身化學科實踐的物理概念教學的四個實踐階段

3.1 具身感知：創設認知沖突的實踐情境

具身感知階段通過設計有針對性的情境任務引導學生進行實踐體驗，引發認知沖突，瓦解前概念，激發對問題本質的追問，為后續概念重構奠定認知基礎。

教學二力平衡時，教師設計了一個平衡挑戰活動引入課堂教學，先將可樂罐（非滿罐）傾斜放置，罐身能保持平衡（圖1），瓦解了學生“物體直立才能穩定\"的前概念。再要求各小組嘗試像老師那樣擺放課前發放的滿罐可樂。學生發現根本無法完成挑戰，引發認知沖突，激發對二力平衡條件的深度追問。教師適時布置項目任務：應用所學知識搭建一個符合要求的平衡裝置。

圖1傾斜放置并保持平衡的可樂罐

3.2 概念建構：探究實驗設計的思維進階

模型建構階段通過階梯式實驗任務驅動學生主動進行概念建構。學生在操控變量、解析異常現象的過程中，逐步提煉生活現象的本質規律，完成從現象描述到理論建模的認知轉變。

（1）科學猜想階段的迷思與啟迪

實踐表明，學生進行二力平衡的共線條件猜想時存在明顯的不平衡性。在未進行預習指導的情況下，筆者所帶三個班（147名學生）僅6人能自主提出二力平衡的共線猜想，遠低于等大、反向等其他平衡條件七成以上的提出率。這緣于日常生活中力的作用線無法直接觀察，導致學生形成了“對稱即平衡”的迷思概念。

針對這一情況，筆者在教學時設計構建了三階認知支架強化共線條件的建構：第一階，運用磁吸式方向線標記裝置，將抽象的作用線轉化為可觸摸、可調節的實體；第二階，創設非共線非平衡情境，引發認知沖突；第三階，設置工程項目任務，驅動學生在結構優化中自發應用共線條件。該策略通過可視化工具消解認知盲區，借助實驗重構概念體系，最終達成知識向工程思維的有效遷移。

（2）實驗器材的優化選擇蘇科版教材中選擇輕質小卡片替代傳統實驗中的木塊或小車是經過深思熟慮的。木塊與小車受力情況較為復雜，在水平面上拉動木塊，木塊受5個力的作用，即2個水平方向的拉力，豎直方向的重力和支持力，水平方向的摩擦力；在水平面上拉動小車，摩擦力可以忽略，小車還受4個力的作用。初中生正處于從具象思維向抽象思維的過渡階段，實驗設計需盡量避免復雜的受力因素干擾核心概念建構。輕質小卡片受到的微小重力可忽略不計，將它對角分別系一根細線，并將細線跨過支架上的滑輪，然后在線的兩端分別掛上鉤碼3（圖2）。此時，可以認為它僅受2個水平方向的拉力作用，這種“純凈”的力學系統能讓學生排除摩擦力、支持力等干擾，聚焦對“等大”“反向”“共線\"等關鍵條件的觀察和探究。教學實踐表明，使用輕質小卡片進行實驗探究的班級，在對二力平衡概念檢測中正確率明顯高于采用傳統木塊實驗的班級，特別是對共線條件的理解準確度顯著提升。這種實驗器材優化選擇策略，既減輕了學生的認知負擔，又保障了科學探究的效度。

圖2二力平衡實驗裝置

（3）動態生成契機下的思維進階

驗證共線條件時，有學生發現，如果將輕質卡片旋轉 180^° （圖3），從數學的角度看兩個拉力也共線了，但實驗的結果卻是松手后輕質小卡片并不能保持平衡。這一非預期的結果，正是突破認知瓶頸、理解平衡本質的黃金契機。

圖3驗證實驗設計

此時，需設計具身體驗實驗幫助學生建構兩個概念，即物體保持平衡的能力取決于兩種狀態，穩定平衡狀態與不穩定平衡狀態：推倒不倒翁，松手后自動擺正，這是穩定平衡狀態；用筆尖豎直放在手上的鉛筆，松手后會倒下，這是不穩定平衡狀態，通過觸摸感知不倒翁底部沉重，鉛筆頭重腳輕，發現平衡狀態與物體重心位置密切相關。進而引導學生討論并生成小卡片旋轉后失衡現象的解析：

當卡片在二力作用下靜止時，拉力的作用線穿過卡片中心，且滿足“共線”“等大”“反向\"的二力平衡條件，此時處于穩定平衡狀態，微小的變動也會因兩側拉力使小卡片重回初始平衡狀態；旋轉 180^° 后，兩個水平拉力的作用線雖過中心，且滿足“共線\"條件，但即使最輕微的變動也會使拉力作用線不再穿過卡片中心，平衡被破壞，直到在兩側拉力作用下恢復初始平衡狀態。

3.3 項目實踐：平衡裝置的設計迭代

工程實踐階段通過工程類項目任務驅動知識遷移，當學生用有限材料搭建傾斜結構一次次失敗時，失敗的經驗迫使他們主動嘗試利用所學知識找出問題原因，這時抽象的平衡條件就會具象化為各種具體操作。學生在配重調整與結構優化的反復嘗試中，實現了從理論認知到技術決策的能力躍遷。具體項目任務如下：

利用所給材料搭建一個平衡裝置。項目要求是： ① 整個裝置豎直高度不小于 65cm ② 裝置主體與豎直方向的夾角不小于 10^° ③ 裝置需保持靜止狀態不少于 10s ④ 裝置頂部需至少能掛1枚回形針； ⑤ 最多提供8根吸管（單根塑料吸管的長度為 20cm ）15枚回形針，不得使用其他材料。

（1）任務設計中的共線條件顯性化

限定傾斜角大于等于 10^° 的結構建造要求，來自工程學中“臨界傾斜角\"概念，其設計本質是創設力的非共線可能情境。學生嘗試用吸管搭建傾斜塔時，必須確保支持力與重力方向形成特定位置關系。在初始設計中，失敗的原因大多是不清楚重力的方向，導致其與支撐面偏離，可引導學生通過懸掛彩色棉線的方式標記受力方向，直觀呈現重力作用線的位置。

（2）共線條件探究的具體實踐過程

初始搭建裝置時，多數小組只用很短的拉直的回形針制作底部支撐（圖4），連簡單的豎直放置都難以完成。學生進一步嘗試發現，單根吸管為均勻材料，重心在材料中間，可依此來判斷整個裝置的重力作用線是否經過底部支撐面，反復校準后發現回形針形成的底部支撐面明顯過小，無法滿足需求，于是改用吸管來制作支撐面（圖5），使支持力與重力形成共線關系。當在裝置頂懸掛回形針配重時，因材料特性會使裝置主體傾斜角加大，重力作用線發生偏移，學生嘗試調整回形針數量及材料連接方式，使重力作用線重新穿過底部支撐面。上述過程實質是二力平衡共線條件的空間校準過程。

圖4用回形針制作裝置的底部支撐

圖5用吸管制作支撐面

（3）概念理解的實踐證據鏈

指導學生通過三項測試驗證共線條件：一是棉線交會法，裝置主體重心處懸掛棉線，與桌面交會點落入基底投影區域則達標；二是傾斜增量測試，每增加 2^° 傾斜角時，觀察棉線與桌面交會點是否偏移；三是擾動恢復實驗，輕推裝置后，觀察棉線與桌面交會點是否自動回歸安全區。經過多輪結構優化，共線條件的應用率顯著提升，表明工程實踐使物理概念真正轉化為可操作的工程設計準則。

這里要說明的是，吸管斜塔項目是課時內完成的項目，限定了材料選用范圍，如回形針、吸管，方案中材料數量的限制是考慮了工程成本要素。在課后實踐過程中，可提供替代方案，避免過多限制知識的遷移。如增加“易獲取材料替代指南”，用竹簽或雪糕棍替代吸管；橡皮泥或牙簽等替代回形針；同時要求學生說明不同材料對共線條件驗證的影響，如吸管可彎曲調整角度，竹簽需增加連接節點等，擴大工程實踐任務的可推廣性。

3.4 遷移創新：從實驗室到真實世界的概念轉化

遷移創新階段意在打通理論認知與現實應用的認知鴻溝，將內化的知識應用到陌生情境中以解決復雜問題[4]。當學生將實驗室總結的二力平衡條件遷移應用于分析異形建筑時，抽象力學模型在真實工程情境中獲得了具體意義，這種跨越學科邊界的概念轉化不僅驗證了物理規律的普適性，更培育出在復雜系統中識別核心要素的工程思維，使知識真正轉化為解決現實問題的實踐智慧。

筆者在教學中，以意大利比薩斜塔為原型，引導學生分析其塔體傾斜卻屹立千年的奧秘。通過模型分析，學生發現塔體重心投影始終位于加厚基座范圍內，塔身圓柱形結構使重力作用線自然垂直穿過圓心。通過分析幫助學生理解，實驗室中吸管斜塔調整重心的原理與真實建筑的地基處理策略本質相通。教學中還以機器人為例，解析其平衡算法實現的原理，其靜態單腿站立時，機器會計算關節并調整重心，使重力作用線穿過支撐足的投影區；運動起來也是這樣，只不過數據會動態處理。引人這樣的案例，為學生架起了課堂認知與前沿科技的思維通道。學生能對案例進行深入分析，也標志著其概念理解已完成從實驗室到真實世界的認知躍遷。

4結語

具身化的學科實踐為初中物理概念教學開辟了新的實踐路徑。學生經歷從觀察異常到重構認知再到實踐驗證的完整過程，抽象的平衡概念轉化為可操作的工程思維。這種概念教學實踐不僅促進了概念理解，更培育了批判創新的科學精神，引領學生像科學家一樣思考，像工程師一樣做事，為發展學生的核心素養提供了實踐范式。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2022年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2022.

[2]郭元祥.把知識帶入學生生命里[J].北京大學教育評論，2021，19（4）：28-43.

[3]劉炳昇，李容.義務教育物理教科書八年級下冊[M].南京：江蘇鳳凰科學技術出版社，2024：48-50.

[4]毛鴻鳴.基于思維設計實驗培養遷移創新能力—以“非常規方法測固體密度”教學為例[J].物理教學，2024，46（5）：27-29，37.

（欄目編輯 劉榮）