指向科學(xué)思維顯性化的初中物理實驗教學(xué)例析

【摘" 要】 初中階段，教師應(yīng)循序漸進(jìn)地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，在這一過程中，教師教學(xué)與學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)在思維活動都應(yīng)得以顯現(xiàn)?？茖W(xué)思維培養(yǎng)的顯性化，旨在清晰展現(xiàn)思維的發(fā)展軌跡，為優(yōu)化教師教學(xué)策略與增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力提供有力支撐。文章以“杠桿的平衡條件”實驗探究為具體案例，深入探索并實踐初中物理教學(xué)中科學(xué)思維培養(yǎng)顯性化的完整流程，以期為相關(guān)教育工作者提供參考。

【關(guān)鍵詞】 科學(xué)思維；實驗探究；物理實驗；杠桿的平衡條件

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》明確指出，科學(xué)思維，涵蓋模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證及質(zhì)疑創(chuàng)新等核心能力，均是物理課程致力于培養(yǎng)的核心素養(yǎng)。為此，本文以人教版八年級物理下冊第12章第1節(jié)“杠桿的平衡條件”實驗探究為例，旨在探索與實踐科學(xué)思維培養(yǎng)的顯性化路徑。

一、表述定性分析，明確實驗?zāi)康?/p>

首先，教師需深入了解學(xué)生學(xué)情，創(chuàng)設(shè)貼近學(xué)生生活的教學(xué)情境，以激活學(xué)生的相關(guān)記憶。例如，要求學(xué)生利用日常文具用品，自主建構(gòu)蹺蹺板模型，進(jìn)而理解并保持水平平衡的概念。通過繪制簡單圖示，學(xué)生可明確實驗?zāi)康模劢龟P(guān)鍵因素，忽略次要干擾，探究并揭示影響杠桿平衡的具體因素，以及這些因素間可能存在的關(guān)聯(lián)。在傾聽學(xué)生表述其做法或想法的過程中，教師不僅能以外在語言規(guī)范學(xué)生內(nèi)在的思維流程，還應(yīng)洞察學(xué)生思維發(fā)展的難點與障礙，為后續(xù)教學(xué)難度與進(jìn)度的靈活調(diào)整提供可靠依據(jù)。

（一）建構(gòu)模型，逆向思考

鼓勵學(xué)生運用已有經(jīng)驗，利用學(xué)習(xí)用品搭建保持水平平衡的簡易蹺蹺板模型（以下簡稱“簡易蹺蹺板”）。學(xué)生應(yīng)認(rèn)識到，破壞與搭建模型平衡的因素是相通的，并能運用已有概念進(jìn)行表述。

任務(wù)一：快速搭建簡易蹺蹺板。

情境：提供1塊橡皮、1把直尺。

問題：搭建簡易蹺蹺板的關(guān)鍵點何在？

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生意識到，即便沒有專業(yè)的實驗室設(shè)備，也能進(jìn)行有趣的物理實驗。通過親手創(chuàng)設(shè)實驗環(huán)境，學(xué)生的注意力被迅速從日常生活現(xiàn)象吸引到實驗探究中。通過表述“以橡皮為支點，確保直尺左右兩側(cè)等長”的搭建思路，學(xué)生在調(diào)整情緒后迅速進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)。

任務(wù)二：破壞簡易蹺蹺板的平衡。

情境：已搭建的簡易蹺蹺板。

問題：如何破壞其平衡？為何這樣做？

設(shè)計意圖：教師觀察學(xué)生為快速“獲勝”而采取的破壞策略，學(xué)生通常選擇“保持支點（橡皮）不動，向左或向右移動直尺”來破壞平衡。就“為何這樣做”的問題，學(xué)生回答的不一致性反映了他們對重力、重心等前置概念學(xué)習(xí)效果上的差異。借此機(jī)會，師生共同復(fù)習(xí)相關(guān)知識，為后續(xù)的實驗探究奠定堅實基礎(chǔ)。

（二）變換模型，抓住主次

在簡易蹺蹺板上摞放橡皮的過程中，學(xué)生自然而然地聚焦橡皮（主要因素），而將直尺（次要因素）置于次要地位，以此展開實驗探究。

任務(wù)三：摞放橡皮，簡易蹺蹺板保持平衡。

情境：提供4塊規(guī)格、大小完全相同的橡皮。

問題：為何摞放橡皮后簡易蹺蹺板仍能保持平衡？

設(shè)計意圖：為了在這一變式任務(wù)中取得成功，學(xué)生利用剛學(xué)到的經(jīng)驗，專注于橡皮而忽略直尺，選擇“在左右兩邊離支點最近的位置各摞放2塊橡皮”的策略。通過合理調(diào)控杠桿的五要素，學(xué)生發(fā)現(xiàn)“等重、等長”是模型保持平衡的關(guān)鍵。這一發(fā)現(xiàn)不僅加深了他們對模型的理解，還為后續(xù)認(rèn)識和使用杠桿平衡裝置，如托盤天平，奠定了堅實基礎(chǔ)。

任務(wù)四：破壞摞放橡皮后簡易蹺蹺板的平衡狀態(tài)。

情境：破壞已摞放4塊相同橡皮的簡易蹺蹺板平衡。

問題：你猜想破壞平衡的原因可能是什么？

設(shè)計意圖：學(xué)生遷移了之前任務(wù)中的經(jīng)驗，保持支點不動，嘗試“向左或向右移動直尺”“改變某一邊橡皮的數(shù)量”或“改變某一邊橡皮離支點的位置”來破壞平衡，而避免選擇“改變重心的位置”或“同時改變位置和數(shù)量”的復(fù)雜方式。學(xué)生猜想，改變橡皮（物品）的數(shù)量或其離支點的位置，甚至同時改變這兩者，都可能導(dǎo)致模型失衡。

（三）科學(xué)推理，思維進(jìn)階

通過估計、測量計算或反復(fù)試錯，學(xué)生逐漸確信物體重量和放置位置是決定簡易蹺蹺板平衡的主要因素。他們的問題日益具體，思考路徑愈發(fā)清晰，方法也更為有效，顯示出其思維發(fā)展的上升趨勢。同時，學(xué)生也意識到模型的粗糙性，提出需要改進(jìn)或直接使用實驗儀器進(jìn)行深入探究。

任務(wù)五：放置文具物品，保持簡易蹺蹺板平衡。

情境：提供常見且合適的文具用品及彈簧測力計。

問題：你觀察到了什么現(xiàn)象？

設(shè)計意圖：規(guī)范使用或探索彈簧測力計是科學(xué)探究的重要組成部分。學(xué)生將“關(guān)注主要因素，忽略次要因素”的科學(xué)探究原則潛移默化地應(yīng)用于實驗探究中。面對思維沖突，他們深入思考，通過科學(xué)推理猜想：“當(dāng)簡易蹺蹺板保持平衡時，可以測量出物體重量和離支點的長度，這兩者之間似乎存在某種關(guān)系，那會是怎樣的關(guān)系呢”。受時間和條件限制，學(xué)生暫時放棄改進(jìn)模型，轉(zhuǎn)而選擇使用實驗儀器和測量數(shù)據(jù)記錄表繼續(xù)探究。

（四）構(gòu)建圖示，明晰目標(biāo)

完成實驗后，教師指導(dǎo)學(xué)生繪制上述五項任務(wù)的簡明圖示，這一過程促使學(xué)生回顧所學(xué)內(nèi)容，主動激活大腦中的記憶信息，并運用標(biāo)注、圈劃等視覺化手段來整理和表達(dá)他們的思考。

任務(wù)六：總結(jié)杠桿平衡的影響因素。

情境：利用學(xué)習(xí)用具進(jìn)行實驗。

問題：哪些因素影響杠桿的平衡？

設(shè)計意圖：在“直尺保持水平方向平衡”這一實驗條件易于控制的情境下，學(xué)生能夠清晰地歸納出“物體的重量以及物體離支點的距離是影響杠桿平衡的關(guān)鍵因素”。然而，學(xué)生在實驗過程中也可能因儀器使用不規(guī)范、力臂概念理解不透徹等問題而產(chǎn)生思維混亂。因此，教師需要適時介入，提供必要的學(xué)習(xí)支持，為學(xué)生后續(xù)規(guī)范使用杠桿平衡裝置進(jìn)行定量測量奠定堅實基礎(chǔ)。

二、可視化定量測量，平衡條件數(shù)學(xué)化

（一）觀察儀器，提出猜想

在初中物理教學(xué)中，落實思維支架是有效實踐與科學(xué)創(chuàng)新的基礎(chǔ)。實驗器材不僅是物理學(xué)習(xí)的重要工具，也是物理學(xué)科學(xué)習(xí)的關(guān)鍵內(nèi)容。針對某些實驗器材，學(xué)生僅知道如何正確使用是不夠的，更應(yīng)深入理解器材原理，以培養(yǎng)科學(xué)思維。實驗器材是發(fā)明者創(chuàng)造性思維的結(jié)晶，蘊(yùn)含著豐富的科學(xué)思想方法。因此，在活動教學(xué)中，對核心器材的深入探究尤為重要。

任務(wù)七：認(rèn)識杠桿平衡裝置。

情境：展示杠桿平衡裝置。

問題：杠桿平衡裝置與托盤天平有何相似之處？它們的作用是否相同？

設(shè)計意圖：通過對比托盤天平和杠桿平衡裝置，學(xué)生可判斷托盤天平是等臂杠桿，并發(fā)現(xiàn)它們的相似部件“平衡螺母”。學(xué)生猜想平衡螺母的作用相同，即測量前要調(diào)節(jié)以忽略橫桿或杠桿自重，測量時則不能調(diào)節(jié)。

（二）改進(jìn)表格，思維可視

圖表是思維可視化的最佳工具，對學(xué)生高階思維能力（如分析、評價、創(chuàng)造）的培養(yǎng)具有顯著幫助。

任務(wù)八：優(yōu)化測量數(shù)據(jù)記錄表。

情境：分析教材中的表格。

問題：為何要優(yōu)化表格？

設(shè)計意圖：在教材中測量記錄表的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了如下優(yōu)化：在“次數(shù)”列左側(cè)增加“測量要求”“簡單圖示”“實驗條件”和“序號”四列；在原表格末列右側(cè)增加“杠桿的平衡條件數(shù)學(xué)化”和“想法或看法”兩列；測量空行數(shù)由3行擴(kuò)展為15行；實驗條件（共5個）分別設(shè)定為“動力F1=阻力F2，動力臂l1=阻力臂l2”“動力F1＞阻力F2，動力臂l1＜阻力臂l2”“動力F1＜阻力F2，動力臂l1＞阻力臂l2”“隨意懸掛文具用品”和“與右（或左）物體同側(cè)豎直上提彈簧測力計”。優(yōu)化后的表格更具可視化效果，能夠清晰地記錄學(xué)生的思考和實踐過程。

（三）歸納關(guān)系，數(shù)學(xué)表達(dá)

學(xué)生需分析測量數(shù)據(jù)，以歸納出杠桿的平衡條件。教師可利用計算圖形面積的方法，幫助學(xué)生理解乘法關(guān)系。

任務(wù)九：分析歸納杠桿的平衡條件。

情境：分析測量表中的數(shù)據(jù)。

問題：能否用圖像解釋杠桿平衡條件的乘法關(guān)系？

設(shè)計意圖：教師收集學(xué)生測量數(shù)據(jù)表中的特殊情況，如左邊力與力臂為1、4組合，右邊為2、2組合；或左邊為2、3組合，右邊為1、6組合等。學(xué)生在用加、減、乘、除逐一驗證測量數(shù)據(jù)可能的關(guān)系時，會發(fā)現(xiàn)只有乘法關(guān)系成立，從而猜想杠桿的平衡條件是“動力×動力臂=阻力×阻力臂”。教師可順勢引導(dǎo)：“速度的單位是米/秒，時間的單位是秒，它們相加沒有意義，但相乘會得到什么？”學(xué)生可能會頓悟：“兩個不同的量相乘，可以得到一個新的量，比如路程=速度×?xí)r間?！苯處熇^續(xù)引導(dǎo)：“矩形的面積和勻速運動物體的路程可以用圖像表示，那么杠桿平衡時能否用面積圖像表示呢。”

三、評價多元化，拓展可視化，鼓勵質(zhì)疑與創(chuàng)新再探究

教師需依據(jù)金字塔學(xué)習(xí)和遺忘曲線理論，精心設(shè)計多種形式的作業(yè)，旨在科學(xué)評價學(xué)生的學(xué)業(yè)質(zhì)量，并推動他們的學(xué)習(xí)進(jìn)程。通過動手實踐，學(xué)生們收獲了自信，并急于驗證他們在實踐中產(chǎn)生的疑問：“當(dāng)使用彈簧測力計斜向上提、斜向下拉或豎直向下拉時，杠桿是否仍然能保持平衡？如果杠桿上的施力位置不變，那么測出的值是否會一致”。在實驗探究的過程中，學(xué)生們將面臨如何對彈簧測力計進(jìn)行校零、如何準(zhǔn)確測量力臂及正確讀數(shù)等挑戰(zhàn)。這些問題的解決需要學(xué)生深入思考、自主構(gòu)建學(xué)習(xí)支架、分工協(xié)作，并通過循序漸進(jìn)的實踐來逐步攻克。

（一）持續(xù)探究，解開謎團(tuán)

任務(wù)內(nèi)容：設(shè)計并完成一項實驗，探究彈簧測力計與杠桿在非豎直狀態(tài)下保持水平平衡的關(guān)系。

設(shè)計意圖：通過頻繁且靈活地操作彈簧測力計，學(xué)生在規(guī)范使用的前提下，驗證杠桿平衡條件是否具有普遍性（即普適性），從而消除他們在實踐中產(chǎn)生的疑惑，進(jìn)一步確認(rèn)乘法關(guān)系的正確性。

（二）探尋古人智慧，領(lǐng)略文化意義

任務(wù)內(nèi)容：觀察教材配圖，結(jié)合所學(xué)的杠桿知識，探討并闡述古代中國人如何利用杠桿原理，以“少用一點力氣”的方式搬運巨大的木料。

設(shè)計意圖：此處使用“少用一點力氣”而非“省力”，更貼合課程目標(biāo)、單元結(jié)構(gòu)以及章節(jié)內(nèi)容的編排要求。此任務(wù)旨在引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)知識與歷史文化相結(jié)合，通過探尋古人的智慧，加深對杠桿原理的理解和應(yīng)用。

（三）結(jié)合生活物理，強(qiáng)化知識運用

如圖1所示，教師可以向?qū)W生提問生活中常見的桿秤一般有兩個吊環(huán)，何種情況采用A吊環(huán)，何種情況采用B吊環(huán)？俗語“秤頭有高低”的意思是在生意中用桿秤稱量物品時，秤頭有時翹起，有時下沉，那么秤頭翹起和下沉分別有利于買家還是賣家？有商家在賣商品時，將桿秤的標(biāo)準(zhǔn)秤砣替換成質(zhì)量較小的秤砣，這樣做的結(jié)果是什么？

設(shè)計意圖：桿秤是古人智慧的結(jié)晶，是杠桿在生活中的創(chuàng)造性應(yīng)用。如今，桿秤已很少見，學(xué)生遷移應(yīng)用所學(xué)知識，解決新情境中的經(jīng)典問題，體現(xiàn)“從生活走向物理，從物理走向社會”的課程理念。

四、結(jié)語

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》明確指出，“教師應(yīng)依據(jù)課程理念、課程目標(biāo)和課程內(nèi)容等要素，緊密結(jié)合教學(xué)的實際情況，創(chuàng)造性地開展物理教學(xué)，將培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的任務(wù)貫穿物理教學(xué)活動的始終?！碧剿骱蛯嵺`科學(xué)思維培養(yǎng)的顯性化，是物理教學(xué)的一項創(chuàng)新嘗試。期望通過這一嘗試，使教師的教學(xué)過程、學(xué)生的思維發(fā)展以及學(xué)習(xí)進(jìn)階的全貌都能夠被清晰地“看見”，從而使教與學(xué)的得失有據(jù)可查，有法可循。

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