創(chuàng)設(shè)演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)情境 促進(jìn)科學(xué)思維的有效進(jìn)階

江翔

摘? ?要：核心素養(yǎng)理念下的演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力和科學(xué)探究的有效途徑，學(xué)習(xí)進(jìn)階是根據(jù)學(xué)生已有知識(shí)結(jié)構(gòu)和思維能力特點(diǎn)，設(shè)置進(jìn)階的層次和目標(biāo)，以尋找最佳的進(jìn)階路徑。本文通過創(chuàng)設(shè)層層遞進(jìn)的演示實(shí)驗(yàn)情境，促進(jìn)學(xué)生的思維從形象到抽象再到創(chuàng)造性的進(jìn)階，從而提升學(xué)生的科學(xué)思維能力和素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：演示實(shí)驗(yàn);創(chuàng)設(shè)情境;科學(xué)思維;有效進(jìn)階

引 言

高中物理（新魯科版必修1）中“超重與失重”這節(jié)課是對前面所學(xué)的牛頓運(yùn)動(dòng)定律知識(shí)的延伸及應(yīng)用，與生活聯(lián)系緊密。筆者通過對演示實(shí)驗(yàn)情境進(jìn)行層級(jí)設(shè)計(jì)，從引入概念、體驗(yàn)探究過程、形成物理觀念、構(gòu)建模型、變式歸納、學(xué)以致用、遷移提升等環(huán)節(jié)制定學(xué)習(xí)進(jìn)階的節(jié)點(diǎn)，幫助學(xué)生形成正確的物理觀念，構(gòu)建超重和失重的運(yùn)動(dòng)模型，循序漸進(jìn)地培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。

1? 運(yùn)用直觀形象實(shí)驗(yàn)設(shè)疑激趣，激活學(xué)生認(rèn)知思維沖突

情境1：如圖1，用細(xì)線掛上一個(gè)很重的大鉤碼，然后迅速向上提，發(fā)現(xiàn)細(xì)線斷了。

情境2：細(xì)線換成橡皮筋，觀察橡皮筋形變長度。

進(jìn)階節(jié)點(diǎn)1：拉力和重力相等嗎？

情境1中學(xué)生原有的認(rèn)知是拉力等于重力，但通過細(xì)線斷掉這個(gè)直觀形象實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生心理產(chǎn)生一定震憾，打破學(xué)生原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，思維上閃現(xiàn)出來的認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生質(zhì)疑思維，細(xì)繩為什么會(huì)斷？拉力發(fā)生了變化嗎？認(rèn)知思維的障礙激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)的動(dòng)機(jī)。情境2中學(xué)生觀察到橡皮筋長度發(fā)生變化，可以直觀知道鉤碼所受的拉力變化了，情境2比情境1更直觀形象、更遞進(jìn)地解釋了疑惑，從而促進(jìn)學(xué)生形象思維有效地進(jìn)階。

2? 親歷體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)探究過程，形成物理觀念和建構(gòu)物理模型

情境3：一位學(xué)生迅速起身到停下，起身過程中人的受力分析如圖2，另一位學(xué)生迅速下蹲到停下，下蹲過程中人的受力分析如圖3，分別觀察兩個(gè)過程中體重計(jì)上示數(shù)N1（N）變化。如表1所示。

進(jìn)階節(jié)點(diǎn)2：超重與失重現(xiàn)象中物體本身的重力不變。

進(jìn)階節(jié)點(diǎn)3：超重與失重與物體運(yùn)動(dòng)方向無關(guān)[ 1 ] 。

情境3中學(xué)生通過親身體驗(yàn)，經(jīng)歷探究過程，通過分析表格的信息，可以使學(xué)生原有的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)與真實(shí)現(xiàn)象形成認(rèn)知沖突，起身和下蹲的兩個(gè)過程中，物體自身重力（實(shí)重）不變，但是壓力N1（視重）或支持力N會(huì)變化，明確了實(shí)重與視重不相等的邏輯關(guān)系，物體發(fā)生超重或失重現(xiàn)象。

通過創(chuàng)設(shè)進(jìn)階遞進(jìn)問題情境來引導(dǎo)學(xué)生從表1第二、五行分析：起身加速階段和下蹲減速階段示數(shù)變大超重，從表格第三、四行分析起身減速階段和下蹲加速階段示數(shù)變小失重，得出超失重與速度方向無關(guān)。學(xué)生的思維從節(jié)點(diǎn)2深入節(jié)點(diǎn)3的分析過程中，有利于學(xué)生物理觀念形成和超失重模型的建構(gòu)，促進(jìn)了學(xué)生在感性到理性思維上進(jìn)階提升。

進(jìn)階節(jié)點(diǎn)4：超重與失重產(chǎn)生的條件是因?yàn)樨Q直方向有加速度。

引導(dǎo)學(xué)生用所學(xué)牛頓運(yùn)動(dòng)定律的知識(shí)來解決超失重模型問題，從表1中第二、五行，第七列數(shù)據(jù)可得，N1=N=mg+ma>mg ，提升學(xué)生邏輯分析能力，促進(jìn)科學(xué)思維有效進(jìn)階。對于失重模型，讓學(xué)生完成對失重模型規(guī)律的自主建構(gòu)，這樣實(shí)現(xiàn)教師“教”超重到學(xué)生“自己“學(xué)”失重的轉(zhuǎn)變過程，達(dá)到了“教是為了不教”的目的[ 2 ] 。這個(gè)過程加深了對超重失重實(shí)質(zhì)的理解，原因就是豎直方向有加速度a。學(xué)生會(huì)應(yīng)用所學(xué)規(guī)律推導(dǎo)視重與實(shí)重之間的關(guān)系式，提升了學(xué)生思維從形象思維到抽象思維的有效進(jìn)階。

進(jìn)階節(jié)點(diǎn)5：視重與實(shí)重變化了多少？

引導(dǎo)學(xué)生自主分析視重與實(shí)重變化了ma，從超失重本原問題出發(fā)，讓學(xué)生邏輯思維能力向更深層次，更高端突破，有效提升學(xué)生科學(xué)推理論證思維的有效進(jìn)階。

3? 創(chuàng)設(shè)可視化的變式實(shí)驗(yàn)情境，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的思維能力

情境4：如圖4，用彈簧測力計(jì)拉物體運(yùn)動(dòng)，指針能見度小反彈快不易觀察，可自制教具來改觀實(shí)驗(yàn)可視性如圖5所示。重物靜止時(shí)，電刷與B銅片接觸，黃燈亮，當(dāng)向上提彈簧一端時(shí)，重物處于超重或失重狀態(tài)，就會(huì)看到不同顏色燈亮。

情境5：如圖6，將DIS 接入實(shí)驗(yàn)裝置，不僅解決可視化問題，還可以突破實(shí)驗(yàn)從定性到定量的測量。通過實(shí)驗(yàn)演示手提重物迅速上升與下降過程，在電腦上可清晰反映出拉力F-t變化關(guān)系圖（如圖7）。

進(jìn)階節(jié)點(diǎn)6：學(xué)生會(huì)識(shí)圖、用圖，會(huì)推斷出不同區(qū)段對應(yīng)的受力狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并與超失重過程相對應(yīng)。

圖象的數(shù)據(jù)能直觀定量呈現(xiàn)視重和實(shí)重大小關(guān)系，能更好突破探究問題的難點(diǎn)，定量測量的尋求是科學(xué)探究的必然趨勢，讓學(xué)生思維從定性到定量去尋求物理規(guī)律，使思維的深度和廣度得到拓展，這個(gè)跨越使學(xué)生思維也得到有效進(jìn)階。

進(jìn)階節(jié)點(diǎn)7：控制變量法改變砝碼重力，運(yùn)動(dòng)速度、加速度大小方向等因素，圖象將怎樣變化？

培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維是循序漸進(jìn)的，通過拓展研究，讓學(xué)生對超失重全方面、遞進(jìn)式探究，這樣有思維驅(qū)動(dòng)力的問題研究有利于學(xué)生關(guān)鍵能力的培養(yǎng)，使學(xué)生的科學(xué)思維再次進(jìn)階，能夠更加有效地提升學(xué)生核心素養(yǎng)。

4? 創(chuàng)新類比的演示實(shí)驗(yàn)情境，拓展應(yīng)用提升思維能力

情境6：如圖8，創(chuàng)新兩個(gè)類比的演示實(shí)驗(yàn)。（A）裝置中燒斷細(xì)線中螺母加速下落過程，放螺母一側(cè)向上翹起，失重[ 3 ] 。（B）裝置中懸線斷裂后，小木球加速上升過程。臺(tái)秤示數(shù)減小，失重。（C）裝置中電磁鐵通電后，鐵塊B被吸引上升過程中，臺(tái)秤示數(shù)增大，超重。

進(jìn)階節(jié)點(diǎn)8：臺(tái)秤示數(shù)變化原因分析

巧設(shè)類比實(shí)驗(yàn)情境A、B、C，整體轉(zhuǎn)化到局部，隔離分析法達(dá)到思維遷移，系統(tǒng)中部分物體有豎直加速度時(shí)，大小變化了ma，再將解決問題的方法遷移到圖8中討論物塊和斜面對地面壓力大小與重力的關(guān)系，借助實(shí)驗(yàn)突破思維難點(diǎn)，活化所學(xué)知識(shí)方法，實(shí)現(xiàn)變式創(chuàng)新思維的有效進(jìn)階。

綜上，教師通過創(chuàng)設(shè)層層遞進(jìn)的演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)情境，幫助學(xué)生形成正確物理觀念和模型建構(gòu)，情境設(shè)計(jì)要以實(shí)驗(yàn)活動(dòng)促科學(xué)思維進(jìn)階為主線，從教學(xué)目的、內(nèi)容、過程、方法和手段方面進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新，循序漸近，讓學(xué)生親歷從初識(shí)形象感覺思維到抽象邏輯思維再上升到創(chuàng)造性思維[ 4 ] ，促進(jìn)了思維的有效進(jìn)階，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

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