指向高阶思维的高中物理实验闯关教学策略探索——以必修1“力的分解”一课为例

余耿华

(广东实验中学，广东 广州 510220)

1 问题的提出

2017年版新课标单独将科学思维列出,而科学思维贯穿在其他要素之中,可见思维培养在教学中的重要地位．由于思维的复杂性,不同的研究者从不同的角度提出了自己对思维本质的见解．美国教育家布鲁姆将思维过程具体分为:记忆、理解、应用、分析、评价和创造6个层次,其中分析、评价和创造为高阶思维．国内钟志贤教授认为,高阶思维是发生在较高认知水平层次上的心智活动或认知能力;从行为表现上分为分析、综合、评价和创造,从思维能力方面体现为问题求解、决策力、批判性及创造性思维能力．在当前教学中,应试的倾向往往导致部分师生重结论、重套路,学生思维能力停留在低阶水平;另一方面,学生对游戏却是欲罢不能、无师自通,学生的游戏思维进阶神速.受此启发,笔者尝试基于具身认知理论,将游戏中的闯关策略应用于高中物理课堂教学之中,以期达到促进学生高阶思维进阶发展的目的.

2 指向高阶思维的高中物理实验闯关教学策略

笔者根据具身认知理论和课标要求,结合学生的最近发展区设计闯关策略的大关(任务)和小关(思维进阶问题链),学生具身在真实生活情境中,教师创设模拟演示或学生实验,学生在任务(大关)驱动下,以思维进阶问题链(小关)为引导,自主参与教学活动中,实现全身心融合,学生学习就像打游戏一样不断闯关,学生高阶思维在闯关中不断发展;闯关示意图如图1所示.

图1

3 运用4个实验闯关策略,发展学生高阶思维案例探讨

3.1 大关1(设谜引入新课): “比赛”实验闯关

具身认知理论认为:教师能否引发学生的具身效应,学生在学习过程中是否能产生具身体验,都取决于教学情境的生动性与逼真性,情境越生动、越逼真就越能引发个体的身体体验,而通过比赛闯关形式,更容易调动学生全身心投入和感性形象思维,为后面的高阶思维进阶提供思维基础;更容易引起学生对现象背后的思考,激发学生的求知欲和表现欲,维持积极的学习动机,为后面的高阶思维进阶发展提供身心支持和动力．案例如下.

闯关基础:学生日常生活中前概念:借助顺风可以提供动力行船;有些视野开阔学生了解过逆风行船,但普遍了解不深.

闯关大关1:设置逆风行船和顺风行船悬念,引起学生学习的强烈兴趣和求知欲.

比赛1:逆风行船比赛 (以12人为一大组,共四个大组).

进阶问题链.

小关1:实验器材如图2，光滑导轨、小车(模拟船)、帆(用两根一次性筷子和PVC板制作)、大功率吹风机(2400 W);如图2,认真观察和思考、讨论,猜想在标识的4个不同位置吹风,帆船是顺风还是逆风运动?

图2

小关2:先猜想,每大组(12人为一大组)选一个位置并派一代表上台实验演示.

比赛2:3人拔河比赛(以4人为一组,3人比赛,一人做裁判)

进阶问题链.

小关1:一根长1 m细绳(有3个小圈，分别在头、中、尾部),选一名文静的女同学用一根手指勾住绳的头端,另一端为其余二人,让他们拔河,你觉得谁会赢?实验比赛试一试;

小关2:文静的女同学可以自己制定规则,各方均全力以付,你有无办法让文静的女同学赢?(猜想→讨论→再比赛)

设计意图: ① 比赛1或2可选其一作为课堂引入或课后游戏．② 将教师演示实验改为学生具身体验的比赛活动,体现学生的主体性,更容易激发学生感性形象思维,引起学生对现象背后的反思; ③ 将传统DOE(即演示→观察→解释)演示实验策略变为POE(即预测→观察→解释)演示实验策略,学生预测往往与观察结果不同,引发认知冲突.通过质疑、分析、评价,从而有效促进迷思概念的转变,促进批判性、创新思维能力发展.

3.2 大关2(探究力的分解规律,并根据规律揭开谜底): “合作”实验闯关

具身认知理论认为:教学过程是对认知、身体、环境3者的整合与运用,不存在教师与学生之间曾经的绝对主客体关系,教师、学生、教学环境相互之间既是认知的对象,也是认知的主体;新课标同样倡导合作学习,因此合作是必要策略;合作闯关可以是师生或生生合作形式,一般思维台阶较大的任务可以考虑合作闯关．案例如下.

闯关基础:学生已经学习过力的合成,掌握力的合成的法则是平行四边形法则,猜想到力的分解是力的合成的逆过程,力的分解同样符合平行四边形法则.

闯关大关2:力的分解可以按力的效果来分解在理论上与实验上都是成立;然后根据力的分解揭秘逆风行船力学原理,培养学生实验探究能力和创新思维能力.

(1) 师生合作闯关,体验重力作用效果.

① 定性体验.

进阶问题链.

小关1: 请学生将桶装水搬到讲台的手拉车(手拉车的侧边、底部贴有海绵);观察海绵的形变,思考桶装水的重力产生了什么效果?

学生: 海绵压扁了,表明桶装水的重力产生了垂直和平行斜面的效果.

小关2: 桶装水的重力真的可以这样分解吗?可否定量实验研究?

图3

② 定量体验.

小关3: 如图3,根据讲台的数字传感器实验器材,请你设计实验．(包含实验目的、原理、记录表格、结论)．(4人一组,先小组交流,再上台展示),

小关4: 你还可以设计怎样的定量实验来研究?

实验过程: (1) 已知物体(圆环)的重力G=0.76 N,当θ分别为0°、30°、45°、60°、90°时,力传感器测出的G1测、G2测多大?(2)θ越大时,G1、G2如何变化?完成表1.

表1

设计意图: ① 从定性到定量、从感性到抽象、从生活到物理符合学生思维认知发展．② 思维进阶:问题1:定性体验桶装水重力作用效果,激发感性形象思维.问题2:真是这样吗?培养批判性思维;可否定量研究?引起学生质疑、判断、修正.问题3:如何设计实验?学生通过分析、判断、综合才能完成设计实验,促进学生决策思维能力发展,可以根据实验数据得到什么结论?学生通过观察、分析数据,归纳实验结论,促进推理思维发展.问题4:还可以如何设计定量实验,促进创造性思维能力发展.

(2) 师生、生生合作闯关,体验逆风行船.

进阶问题链.

小关1:如图4,课堂引入时的逆风行船,风对帆的力方向如何?为什么?

图4

学生争论1:风对帆的力沿风的方向;学生争论2:风对帆的力垂直于帆;学生争论后归纳(略).

小关2:风力既然沿垂直于帆方向,为什么船不沿风力方向前进呢?

图5

小关3:我们可否根据台面的实验器材具身体验“逆风行船”?如图5参考黑板提示,以二人为一组,先体验、再思考逆风行船的力学原理.

设计意图: ① 学生在这里的迷思概念主要有二点,迷思概念1:学生错误认为风对帆的力沿风的方向;迷思概念2:认为船一定沿风力的方向前进．② 该内容思维台阶较大,且问题1、2是后面学习的前提,教师要尊重学生个体水平发展的差异, 对起始进阶水平低的学生要给予及时的指导与帮助; ③ 合作闯关有利于思维发展层次不同的同学间互助,从而学会合作、交流; ④ 思维进阶:问题1:风对帆的力方向如何?激发感性形象思维.风对帆产生形变,产生弹力,弹力方向垂直帆,学生调用已有弹力概念分析真实的陌生情境,通过质疑、迁移、分析,促进问题求解和批判性思维能力发展.问题2:风力既然沿垂直于帆方向,为什么船不是沿风力方向前进呢?学生通过质疑、对船整体受力分析求解问题2,促进整体和局部的辩证思维和批判性思维发展.问题3:学生如图5具身体验,先做后思或边做边思,通过如图5类比、分析、评价,在做中“悟”理,促进问题求解和创造性思维发展.

3.3 大关3(自主探究生活中塔吊问题的力的分解): “自主”实验闯关

具身认知理论认为:认知是身体在环境的主导下主动去建构而成,具有生成性;新课标同样倡导学生自主、有个性地学习,笔者选取了教材中思维要求较低的内容:分析塔吊力学原理,让学生具身自主建模、自主探究．案例如下.

闯关基础:学生通过理论和实验研究,力的分解可以按力的效果分解,力的合成和分解的法则都是平行四边形法则.

闯关大关3:学生自主建模、自主实验体验、自主理论分析真实生产情境,培养学生问题解决和创新思维高阶思维能力.

进阶问题链.

图6

小关1：展示建筑工地的塔吊图片,构建力学模型.

小关2: 根据台面的实验器材,进行实验,体验钩码重力产生的效果(图6).

小关3: 按力的效果作出该钩码重力的分解示意图.

问题4: 如果橡皮筋往下缓慢移动,手指和手掌感受的力如何变化?分析为什么?

设计意图: ① 该内容相对简单,可让学生具身体验一次完整的问题解决全过程,学生的思维也将经历一次由低到高的进阶过程．② 思维进阶:问题1:展示建筑工地的真实塔吊情境、然后建模,激发感性形象思维,促进建模能力发展).问题2:具身真实体验钩码重力作用效果.问题3:作出该重力的分解,促进问题求解能力发展.问题4:拓展提高,促进创造性思维能力发展.

3.4 大关4(课后拓展应用):“对比”实验闯关

对比是高阶思维的重要行为,对比实验是科学探究的重要方法;对于一些对比效果反差大的物理现象、规律,我们可以通过对比策略产生1+1>2效果.

“磨刀不误砍柴功”是古语;但只是依靠“言传”的方式学生很难深刻把握其本质,需要基于具身认知的“身学”,让学生具身深度体验真实的问题情景,并从中发现问题,促进学生问题求解思维能力进阶．案例如下:

闯关基础:学生已经学习过力的分解可以按效果分解,分解法则是力的平行四边形定则,学会运用力的分解原理揭秘逆风行船、自主研究塔吊力学原理.

闯关大关4:学生进一步应用力的分解自主研究生活生产中的实际问题,学生树立正确的物理观念,促进学生问题求解和批判性思维能力发展.

进阶问题链.

小关1: 古语云“磨刀不误砍柴功”,是真的吗?可否用今天所学知识进行科学研究?小关2∶2人为一组,桌面上分别有两把用3D打印的小刀,一把是锋利的,一把是钝的,通过分别切萝卜,体验哪把刀更容易切萝卜．小关3:建构物理模型;小关4:根据力的作用效果,作出人对刀的压力的分解示意图,说明“磨刀不误砍柴功”的力学原理.

设计意图: ① 考虑到安全问题,采用3D打应的塑料小刀; ② 思维进阶:该部分内容相对简单,可以让学生具身体验完整的问题解决全过程,问题1:质疑古语,培养批判思维.问题2:通过3D打印的锋利和钝的小刀分别切萝卜,学生全身心对比体验,放大效果,引起感性形象思维.问题3:建模,促进建模思维能力发展.问题4:作出力的分解示意图求证“磨刀不误砍柴工的道理,促进问题求解和批判性思维能力发展.

4 小结

本实验闯关策略以具身认知理论为指导,以实验为基础,给合学生最近发展区,设计闯关的大关和小关,大关一般为小模块(任务),小关为具有思维进阶的闯关问题链.在教学过程中,教师根据真实生活情境,创设模拟演示或学生实验,运用比赛、合作、自主、对比闯关策略,学生的身体作为学习的起点,全身心参与闯关过程,学生的心智、身体和环境三者紧紧融合在一起.学生在进阶问题链引导下逐级闯关,思维在闯关中逐级进阶.在实际教学中,考虑到学生已有思维和知识水平的层次性,可以将多个问题同时抛出,让思维层次不同的同学学习,促进学生合作、交流能力发展.具身体验的目的在于学生在全身心与环境互动中,形成正确的物理观念、提高科学思维水平和实验探究能力,树立正确的科学态度与责任.