创设演示实验教学情境 促进科学思维的有效进阶

江翔

摘   要：核心素养理念下的演示实验教学是培养学生科学思维能力和科学探究的有效途径，学习进阶是根据学生已有知识结构和思维能力特点，设置进阶的层次和目标，以寻找最佳的进阶路径。本文通过创设层层递进的演示实验情境，促进学生的思维从形象到抽象再到创造性的进阶，从而提升学生的科学思维能力和素养。

关键词：演示实验;创设情境;科学思维;有效进阶

引 言

高中物理（新鲁科版必修1）中“超重与失重”这节课是对前面所学的牛顿运动定律知识的延伸及应用，与生活联系紧密。笔者通过对演示实验情境进行层级设计，从引入概念、体验探究过程、形成物理观念、构建模型、变式归纳、学以致用、迁移提升等环节制定学习进阶的节点，帮助学生形成正确的物理观念，构建超重和失重的运动模型，循序渐进地培养学生的思维能力。

1  运用直观形象实验设疑激趣，激活学生认知思维冲突

情境1：如图1，用细线挂上一个很重的大钩码，然后迅速向上提，发现细线断了。

情境2：细线换成橡皮筋，觀察橡皮筋形变长度。

进阶节点1：拉力和重力相等吗？

情境1中学生原有的认知是拉力等于重力，但通过细线断掉这个直观形象实验，使学生心理产生一定震憾，打破学生原有的认知结构，思维上闪现出来的认知冲突，激发学生质疑思维，细绳为什么会断？拉力发生了变化吗？认知思维的障碍激发学生进一步学习的动机。情境2中学生观察到橡皮筋长度发生变化，可以直观知道钩码所受的拉力变化了，情境2比情境1更直观形象、更递进地解释了疑惑，从而促进学生形象思维有效地进阶。

2  亲历体验实验探究过程，形成物理观念和建构物理模型

情境3：一位学生迅速起身到停下，起身过程中人的受力分析如图2，另一位学生迅速下蹲到停下，下蹲过程中人的受力分析如图3，分别观察两个过程中体重计上示数N1（N）变化。如表1所示。

进阶节点2：超重与失重现象中物体本身的重力不变。

进阶节点3：超重与失重与物体运动方向无关[ 1 ] 。

情境3中学生通过亲身体验，经历探究过程，通过分析表格的信息，可以使学生原有的错误认识与真实现象形成认知冲突，起身和下蹲的两个过程中，物体自身重力（实重）不变，但是压力N1（视重）或支持力N会变化，明确了实重与视重不相等的逻辑关系，物体发生超重或失重现象。

通过创设进阶递进问题情境来引导学生从表1第二、五行分析：起身加速阶段和下蹲减速阶段示数变大超重，从表格第三、四行分析起身减速阶段和下蹲加速阶段示数变小失重，得出超失重与速度方向无关。学生的思维从节点2深入节点3的分析过程中，有利于学生物理观念形成和超失重模型的建构，促进了学生在感性到理性思维上进阶提升。

进阶节点4：超重与失重产生的条件是因为竖直方向有加速度。

引导学生用所学牛顿运动定律的知识来解决超失重模型问题，从表1中第二、五行，第七列数据可得，N1=N=mg+ma>mg ，提升学生逻辑分析能力，促进科学思维有效进阶。对于失重模型，让学生完成对失重模型规律的自主建构，这样实现教师“教”超重到学生“自己“学”失重的转变过程，达到了“教是为了不教”的目的[ 2 ] 。这个过程加深了对超重失重实质的理解，原因就是竖直方向有加速度a。学生会应用所学规律推导视重与实重之间的关系式，提升了学生思维从形象思维到抽象思维的有效进阶。

进阶节点5：视重与实重变化了多少？

引导学生自主分析视重与实重变化了ma，从超失重本原问题出发，让学生逻辑思维能力向更深层次，更高端突破，有效提升学生科学推理论证思维的有效进阶。

3  创设可视化的变式实验情境，培养学生科学探究的思维能力

情境4：如图4，用弹簧测力计拉物体运动，指针能见度小反弹快不易观察，可自制教具来改观实验可视性如图5所示。重物静止时，电刷与B铜片接触，黄灯亮，当向上提弹簧一端时，重物处于超重或失重状态，就会看到不同颜色灯亮。

情境5：如图6，将DIS 接入实验装置，不仅解决可视化问题，还可以突破实验从定性到定量的测量。通过实验演示手提重物迅速上升与下降过程，在电脑上可清晰反映出拉力F-t变化关系图（如图7）。

进阶节点6：学生会识图、用图，会推断出不同区段对应的受力状态和运动状态，并与超失重过程相对应。

图象的数据能直观定量呈现视重和实重大小关系，能更好突破探究问题的难点，定量测量的寻求是科学探究的必然趋势，让学生思维从定性到定量去寻求物理规律，使思维的深度和广度得到拓展，这个跨越使学生思维也得到有效进阶。

进阶节点7：控制变量法改变砝码重力，运动速度、加速度大小方向等因素，图象将怎样变化？

培养学生科学思维是循序渐进的，通过拓展研究，让学生对超失重全方面、递进式探究，这样有思维驱动力的问题研究有利于学生关键能力的培养，使学生的科学思维再次进阶，能够更加有效地提升学生核心素养。

4  创新类比的演示实验情境，拓展应用提升思维能力

情境6：如图8，创新两个类比的演示实验。（A）装置中烧断细线中螺母加速下落过程，放螺母一侧向上翘起，失重[ 3 ] 。（B）装置中悬线断裂后，小木球加速上升过程。台秤示数减小，失重。（C）装置中电磁铁通电后，铁块B被吸引上升过程中，台秤示数增大，超重。

进阶节点8：台秤示数变化原因分析

巧设类比实验情境A、B、C，整体转化到局部，隔离分析法达到思维迁移，系统中部分物体有竖直加速度时，大小变化了ma，再将解决问题的方法迁移到图8中讨论物块和斜面对地面压力大小与重力的关系，借助实验突破思维难点，活化所学知识方法，实现变式创新思维的有效进阶。

综上，教师通过创设层层递进的演示实验教学情境，帮助学生形成正确物理观念和模型建构，情境设计要以实验活动促科学思维进阶为主线，从教学目的、内容、过程、方法和手段方面进行优化创新，循序渐近，让学生亲历从初识形象感觉思维到抽象逻辑思维再上升到创造性思维[ 4 ] ，促进了思维的有效进阶，同时培养学生的核心素养。

参考文献：

[1]柯晓露.基于“学习进阶”的物理概念教学[J]. 中学理科园地，2018（6）.

[2]邢红军.高中物理高端备课[M]. 北京：中国科学技术出版社，2018.

[3]周长春.基于核心素养导向的高中物理教学案例研究[J]. 物理教学探讨，2016（5）.

[4]刘艳红.建立实验阶梯情境 助推思维有效进阶[J].中学物理教学参考，2019（9）.