基于发展学生思维品质的初中物理实验设计

摘 要：教师在物理课堂教学中要重视学生思维的生成和发展，通过精心设计“异常”实验，多向设计“情境”实验，周密设计“阶梯”实验，巧妙设计“衔接”实验.让学生在实验过程中有所思、有所获，发展学生辩证性、灵活性、逻辑性、发散性思维品质，培养学生创新能力.

关键词：初中物理;实验设计;思维品质;创新能力

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）22-0029-03

作者简介：郑建新（1974-），男，浙江杭州人，本科，中学高级教师，研究方向：初中科学、实验教学.

初中物理教育，应该教会学生从物理学科的视角认识世界、解释世界的思想方法，并且终生从中受益.物理教师会设计各种各样巧妙的实验突破教学难点，使整节课变成“实验盛宴”，但对于实验过程，却没有深入思考，按部就班，疏忽实验过程中对学生思维品质的培养，学生被动归纳实验结果，缺乏思维火花的碰撞，抑制了学生思维能力的发展.

教师应当开展富有创造力、贴近生活、自主探究的实验教学活动，将侧重点放在对学生思维和能力的培养上，让学生能在实验过程中有所思、有所获，发展学生辩证性、灵活性、逻辑性、发散性思维品质，培养其创新能力，是每个物理教师不断努力的方向.

1 精心设计“异常”实验，发展辩证性思维品质

笔者从“认知冲突点”出发，设计“异常”实验，让学生亲身探究，发现已有的生活经验和新发现的现象与现实之间的不一致，思维就会陷入矛盾状态，才能让学生反思、审视并修正自己原有的认识及经验，思考提出或者接受更为科学的新概念、新假设、新解释.

1.1 杠杆平衡的变化问题

在简单机械教学中，有很多与生活相关的简单机械，比如指甲钳、跷跷板、钓鱼竿等，学生对于熟悉的现象难以产生兴趣.教师只有将生活中司空见惯的情境转化为有变化的问题，才能引发学生思考.

生活中缩小版的跷跷板（如图1所示），处于平衡状态的跷跷板上男孩和女孩分别坐在两侧.

问题1：如圖2所示，跷跷板可旋转，当右侧逆时针旋转30度时，请你预测哪一侧会掉下来？教师等待给予学生思考的时间，放手后，结果出乎学生的意料.

问题2：还有什么办法使得跷跷板失去平衡.教师通过实验引导学生从移动女孩或男孩的位置回答.

问题3：距离支点的距离不等是否一定不能平衡？实验展示.

因为知识储备不足，学生的直觉思维很难随着问题的变化而做出变化，我们不能急于向学生解释相关概念.可以提出引发思考的问题，引导学生寻找其中的原理，学生才会有探究的兴趣.生活中的情境蕴含着科学原理，但由于原理的抽象以及不容易发现，不容易引起学生们的兴趣，所以教师将司空见怪的情境变为有变化的情境，学生们对变化的东西始终有探究的欲望.

1.2 指南针为什么不指南

“指南针为什么能指方向”一课中大部分知识学生在小学的时候就已经学过，而且也做过相似甚至相同的实验.到了中学，再次学习，知识没有难度也没有深度，难免缺少学习的热情.因此，这种实验必须进行创新设计.从学生“认知冲突点”出发设计实验：指南针是否一定能指南？这会让许多人一时难以回答.这样就可以充分激发学生参与的热情，点燃学生思维.而且通过这样设计，学生不但知道没有磁性的物体可以被磁化，有磁性的物体也能被更强的磁体改变磁极，从而突破思维定势，使思维能力得到有效提升.

四人一组，每个人一个指南针（如图3所示）.观察指南针静止时指向？课堂上许多同学还没等指南针静止，就迫不及待地回答：指“南北方向”.有同学不好意思地说：我的怎么不一样？有同学说：可能是磁体之间相互干扰的缘故，建议把指南针离远一点放，让同学将指南针放讲台上观察.可是移开后还是不指南.

有同学说：肯定是颜色涂反了.大家感觉很好笑.但有许多同学认同这一观点.此时，教师拿出条形磁铁，像变魔术一样轻而易举地将方向指错的指南针方向调为正确指向.这是什么原因呢？同学们感觉更神奇.为了揭开谜底，大家主动思考，积极讨论.

从学生的“认知冲突点”出发，巧妙设计和学生原有认知经验冲突的实验，教师提出与学生认知经验不一致的观点，制造矛盾，引起思想冲突，让学生在这种思辨矛盾中获得启发、顿悟，跳出原来的思维框架，突破思维的局限性，更深入理解科学原理和本质.

2 多向设计“情境”实验，发展灵活性思维品质

教师应当从学生感兴趣的知识点出发，从多角度、多方位设计各种“情境”实验， 引导学生思考现象背后的原理，领会到物理的美妙，激发学习的兴趣，使学生在学习过程中真正做到看、做、思融合，从而能利用现有知识，结合已学知识去创造、去探索， 培养思维的灵活性，发展学生思维能力.

2.1 多种多样的面镜

生活中常见的面镜有三种：平面镜、凹面镜、凸面镜，根据它们的不同功能用在不同的场合，不同的功能源于不同的成像特点.

教师在上课同时呈现这三种面镜（如图4所示），此时成像的情况有正倒之分，有的放大、有的缩小、有的变形，如此丰富的现象，学生顿时觉得好奇怪，平时对平面镜成像见怪不怪，面镜对光路的作用都是反射，为何形成的像却是千差万别？面对真实的情境，就平面镜成像而言，学生提出可研究的问题有（1）像的大小是否会改变？（2）像与镜面的距离是否会改变？提出问题以后学生便可自行设计实验以求证.

教师通过设计多样的“情境”实验，拓宽学生的思路，当学生自己观察现象、提出疑问并转化问题、解决问题，学生才能在实验过程中产生灵感和顿悟，使抽象的物理概念变得明朗清晰，思维的灵活性才能得到培养.

2.2 气体对外做功

教材中“气体对外做功实验”，由于在实验中瓶塞跳起声音大，实验过程学生一直在期待响声，很难仔细观察实验现象.有什么办法避免声响，又看见课本气体对外做功实验现象，还可以观察过程中瓶内温度的变化？用打气筒向密闭空矿泉水瓶打气（如图5所示），观察数显温度计的变化.打开气门芯放气，观察瓶内的变化，注意此时观察数显温度计的变化.学生观察到气体对外做功的温度下降得慢，引发思考，联系“液化放热”，思维得以迁移.

学生在具体情境中动脑，充分借助自己的生活经验去抽象、理解、分析物理问题;学习深入生活情境中，灵活运用所学知识去领悟、判断、解决具体情境.借助问题情境，学生在物理与生活中穿行，感悟生活中的物理，这样一来，现实的、具体的生活经验可以迁移、提升为理性的、抽象的物理概念;同时物理概念也在具体的、真实的生活经验中得到丰富与支撑，从而发展学生思维的灵活性.

3 周密设计“阶梯”实验，发展逻辑性思维品质

学生的思维往往不局限于实验本身，在得出实验结果后，学生往往会结合生活中一些现象进行联想，这是学生思维发展的体现，也是发展学生思维的契机.教师应当从物理概念的疑难点出发，对实验结果的反思、质疑和追问，逐步分解思维难点，更能发展学生逻辑性思维品质.

以液体压强的阶梯实验为例.

教材中“液体压强的实验”只能说明液体对容器侧壁和底部存在压强，在学习过程中学生普遍存在的三个问题：液体对容器的上壁是否也有压强？液体压强与液体的重力或质量是否有关？液体压强计为什么可以显示液体压强？笔者用生活中简单实用的材料设计液体压强的创新实验，

既能抓住学生的眼球，又能引发学生的创新思维，往往能为课堂教学带来意想不到的精彩.

实验一可以说明液体对容器侧壁和底部有压强（如图6所示）.

问题1：液体对容器的上壁是否也存在压强？

针对问题1，设计实验（如图7所示），发现上壁的橡胶膜有明显突起.可以证明液体对容器上壁存在压强，解决问题1.

问题2产生：有哪些影响液体压强的因素？改变实验，把连着导管的漏斗上下移动，观察管口橡皮膜突起程度的变化情况（如图7所示）.实验现象清晰可见，得出结论：液体的质量和所受重力与液体压强大小无关，液体的深度可以影响液体压强大小，解决问题2.

出现问题3：怎样能直观明显地观察到液体的内部压强呢？（如图8所示）出示实验三：这个实验可以观察到液体内部存在着压强的大小，缺陷是：玻璃管太长，不方便使用，红色水柱位置容易发生改变，无法准确说明液体压强的内部规律.实验室中的压强计就是依据此原理设计的，展示压强计，分析压强计的设计原理解决问题3.通過上述三个“阶梯”实验，由易到难，从浅入深，让全体学生在“阶梯”实验中，参与思考与探索问题.“阶梯”实验的创设，能从多角度加深学生对核心知识的理解，而且学生逻辑性思维得到有效训练，在探讨问题的过程中学生产生灵感和顿悟，解决抽象的科学疑难问题.

初中学生拿到问题，通常不思考问题的意义或者未全面清晰思考，便开始着手解决问题，缺乏严谨的逻辑思维习惯，很容易出错.笔者在教学中发现，根据抽象的物理问题，设计“阶梯式”实验，由简到繁，环环相扣，层层递进，符合学生认知心理和认知规律，使学生不仅能“知其然”，还能“知其所以然”，有效提升学生思维逻辑的严密程度.

4 巧妙设计“衔接”实验，发展发散性思维品质

在教学时，从已学知识点到新的知识点时要自然衔接，否则学生会觉得莫名其妙，感觉跟不上老师的思路，课堂也会显得很不自然.教师可以在教学中巧妙设计衔接实验，鼓励学生呈现真实思维，培养学生发散性思维.

4.1 挑扁担游戏

例如：在九年级上册第三章“杠杆”的学习过程中，教材安排先学习“杠杆的五要素”，再直接进入“杠杆平衡条件”的实验研究.在实际教学时，会让人感觉很莫名其妙，学杠杆为什么要学习力臂？为什么要研究杠杆平衡条件？在学生认识杠杆的时候，笔者设计如下“衔接”实验.

用米尺当扁担，在扁担的两端挂两个黑色的塑料袋，在塑料袋里放上两个大小不同的苹果，使扁担在水平位置平衡.猜一猜：哪一袋苹果重？谁猜对了，苹果就奖励给谁.

在猜的时候，由于没学过杠杆的平衡条件，许多同学认为一样重.理由是根据当天平横梁平衡时，说明两边一样重.当教师揭晓谜底时，学生很疑惑.到底是为什么？此时，同学们带着疑惑，带着任务学习探究杠杆平衡条件，有效激发学生学习兴趣，主动参与到学习中去.这样的实验设计挖掘出学生新旧知识之间的衔接点，并在这个点上以惑搭桥，在教师的引导下发现新旧知识间的联系，训练敏捷的思维能力，促进推理能力的发展.

4.2 如何让饮料吸不上来

古人云：“学起于思，思源于疑.”为了让学生体会大气压，笔者在课前发布“如何让饮料吸不上来”的任务.在设计任务时我们只考虑到两种可能，一是将一个硬质的瓶子上塞紧一个单孔橡皮塞;二是在吸管上开一个小孔.但是学生们在讨论时考虑问题比较广泛，如：吸管的粗细、吸管上所开小孔的大小、吸管上所开小孔的多少、吸力的大小等.正是这些大胆的，不受任何框框限制的、无一定方向和范围的想法，使学生思维的触角可以被引导到更深层次.经过学生的实验，最终得出管子的形状、孔的大小、孔的多少会影响饮料是否吸得上来，通过孩子们亲身感受，最终得出了是受大气压影响的结论，这为正式开展大气压教学做了很好的铺垫.因此，教师进行发散性问题设计，引导学生从多角度、多方面认识和思考，找出更多可能的答案、想法或解决方案.

初中物理教材的编制有两种基本方式：以物理知识逻辑发展为线索的“要素式”和以科学方法为线索的“问题解决式”.前者有利于知识的传授，有利于基础性学力的形成，后者有利于培养学生的发展性和创造性学力.我们不能以本为本，不能认为教材中的实验设计、活动内容就是完美的.学生的很多疑惑只有在实验过程中得到证实，才会引发学生更深层次的思考，在反思实验、解决疑惑的过程中，思维由浅入深得到发展.

我们应该从学生出发，对教材予以审视和重构，挖掘实验潜能，创新设计实验，平常中出新，新意中促思，设计一个个符合初中学生思维特点的生动、有趣、形象的实验，以发展学生思维品质为主线进行教学，达到教师力争“活教”学生能够“乐学”的状态.基于思维发展设计实验，让学生的思维在关键处闪光，掌握正确的思维方法，培养优良的思维品质，让学生越学越聪明，越学越富有智慧.

参考文献：

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[4]韩志强.让科学探究真正发生——基于学科核心素养的初中物理实验设计初探[J].中学物理，2018，36（22）：13-14.

（收稿日期：2021-06-23）