基于具身认知理论开展物理实验教学的方法

[作者简介]伏强（1978— ），男，江苏连云港人，江阴市山观高级中学，一级教师，研究方向为中学物理教学。

[摘 要] 物理实验是物理学科的基础，物理理论知识的学习是对实验现象的归纳总结，物理知识的应用是基于实验的推广应用，强化物理实验教学是深化学生概念认知、提升学生物理应用意识必不可少的环节。然而，当前高中物理实验教学流于形式，无法让学生形成切身的实验体验，极大地阻碍了学生通过实验感知物理本质的过程。文章结合具身认知理论，开展了高中实验教学中增强学生的过程体验、提升物理实验教学效率的研究。

[关键词] 具身认知；物理教学；实验教学；高中物理

具身认知理论强调了环境对信息认知的影响，实质上揭示了自身体验对于深化学习印象的重要性，这与实验教学强化学生对物理现象亲身体验的初衷完全一致。因此，本文从具身认知理论出发，结合高中实验教学的材料特性及学生的实验认知心理特征，探析了具身认知理论下物理实验教学的原则、方式和策略。

一、结合实验心理，探析物理实验教学的原则

高中物理实验教学的意义在于通过实验环节实现学生积极性的提升及具身认知的强化，加深学生对物理知识本质的理解。在这一过程中，教师应关注学生的实验学习心理，遵循以下物理实验教学的原则。

（一）以生为本，引导最近发展

以生为本，引导最近发展强调教师在设计实验教学环节时应注重学生的个人发展，关注学生的心理认知发展情况，明确学生的最近发展区，促进学生实验能力及物理知识学习的发展。因此，教师应关注学生的兴趣、需求和价值观，创设与他们个人生活、个人兴趣和能力发展相关联的实验教学内容，提升物理实验教学效率。

结合学生的心理认知特点，设计与其生活相关的实验内容，学生可以更迅速地找到最近发展区，快速探究到物理知识的本质。比如，在学习“弹力”相关知识时，学生需通过实验探究弹簧弹力与形变的关系。首先通过日常生活中常见的运动员手中的弓箭、摩托车减震器中的弹簧等与弹力相关的内容，引领学生分析弹力大时弹簧的形变大小。结合学生的生活经验，助力学生对实验现象提出假设，建立最近发展区，进而通过实验设计和探究对自己的假设进行验证。在验证的过程中，为学生讲解长度测量工具游标卡尺的使用方法，数据表格的记录形式，画图分析数据的归纳方式，最后引领学生发现弹簧弹力与形变的正比关系。

（二）主动参与，实现自主建构

主动参与原则是具身认知理论的核心，只有提高学生的主动参与程度，才能有效地强化学生在实验过程的具身感受，从而助力学生的自主建构。因此，教师应把握学生的实验心理，通过优化实验环节、创设实验情境等方式强化学生在实验中的肢体感受，促发实验学习中的自主建构。

结合实验环节的设计，调动学生的多重感官，对于提升学生的主观能动性有着积极的意义。比如，在学习“力的合成”这一部分内容时，学生需通过实验探究两个互成角度的力的合成规律。实验仪器包括硬纸板、弹簧测力计、图钉等等。首先通过在一个水平的硬纸板上固定一个橡皮条，在橡皮条末端分别连接两个测力计，之后用铅笔在硬纸板上圈出一个固定位置，让两名同学分别用一个测力计和两个测力计将橡皮条拉到同一位置处，记录此时的测力计读数和测力计的方向。通过多次实验结果分析探究规律，在这一过程中，学生实际感受到了在不同对照实验中所用力的大小和拉动的方向，直观地感受力的合成规律。

（三）渗透情感，形成科学态度

正确的物理科学观念和实验科学态度是物理学科的基本素养。教师在开展实验教学时应有意识地在实验过程中融合情感态度素材，促使学生在实验进程中直观体验科学态度对于物理规律归纳总结的重要意义，从而助力学生形成科学态度。

在实验教学中渗透情感素材，不仅可以增强实验学习的趣味性，还能实现潜移默化的科学观念渗透。比如，在学习“探究物体运动与受力的关系”这一小节时，以讲故事的形式介绍物理学发展历史中对物体运动和受力之间关系的定义变更，从而理解物理学发展所面临的重重困难，培养学生勇于质疑、大胆尝试的科学态度。在此基础上鼓励学生向先贤学习，通过实践验证，自主探究得出物理学规律。在实验中以控制变量的方法，分别探析物体加速度受到物体的质量、受力大小变化的影响。在实验中通过调整小车上砝码的质量和钩码的质量实现受力大小和物体质量的调整，通过画点线图的方法发现物体的加速度大小满足公式，从而得出结论，并深刻感受到物理学发展所必需的科学精神。

二、指向实验材料，探析物理实验教学的方式

实验器材的选取是设计实验教学所面临的问题。合理的取材不仅可以简化实验流程，凸显实验现象，还可以起到培养学生创新创造意识的作用。因此，教师应优化物理实验器材选取方式，提升实验教学效率。

（一）就地取材，拓展生活资源

就地取材是最常见的一种物理实验器材优化方式。以这种方式确定的实验器具往往与学生的生活实际存在密切的关联，可以创设一种贴近生活的实验情境，助力学生在实验中调动已有经验，增强物理体验。

就地取材式的实验器材可以同时作为课堂引入环节的媒介，在创设认知冲突的同时引导学生基于实验探究解决问题。比如，在学习“动量守恒”相关内容时，设计实验对动量守恒的原理进行直观展示。为了更好地增强学生的实验体验，以弹珠或者台球作为实验器材，实现生活资源的拓展，经过多次试验验证并记录，分析其平均数可以发现两者的动量大小基本一致。

针对一些简单物理规律的总结和常见生活现象的探究，不需要教师大费周章地组织大规模实验，而是通过生活资源的拓展引入，在课堂中组织轻实验，以就地取材的方式快速探究、归纳，提升实验课堂教学效率。

（二）创意加工，寻求新颖途径

针对实验材料的创意加工，旨在培养学生的创新意识和综合实验能力。需要学生在充分理解实验原理的基础上，尝试对实验器材进行调整，得到一种新颖的实验途径，从而得到最直观的实验体验，建立具身认知架构，促进学生创新意识的形成。

引领学生对实验过程和器材进行创意加工，可以从根本上增强学生对实验原理的理解，提高学生对实验器材操作的能力。比如，在开展“验证力的平行四边形定则”这一实验时，在完成传统实验、理解力的合成原理基础上，鼓励学生结合已有的器材进行创意加工。首先对已有的实验过程进行分析，会发现本质上是通过一个不会改变的力的方向来观察在变的两个分力的情况。在此基础上，同学尝试用一根绳子跨过一个重量已知的砝码。然后用两个测力计分别拉在绳子两端，这保证两者的合力始终与重物的重力大小相等、方向相反，从而得到力的平行四边形定则的验证。在传统实验方式创意加工的过程中，学生需要深刻理解实验原理，并结合实验器材的固有特性，思考改变实验过程的方式，从而实现创新意识和创造性应用能力的提升。

（三）动手制作，进行深度探究

动手制作实验器材是具身认知理论下开展实验教学的常见方式。实验器材的动手制作可以让学生在实验课堂中有更深刻的参与感，对实验原理理解的深刻性也能随之提升，进而有效地促进学生课堂学习中的深度探究。

比如，在学习“用单摆测量重力加速度”这一小节时，组织学生自主设计单摆样式，提供材料让学生动手制作各自的实验器材。在制作的过程中，学生充分发挥创造力，将细绳穿过带孔的铁球后固定在桌子边缘，然后利用米尺和游标卡尺分别测量小球的半径r以及悬吊段细绳的长度l，得到单摆的摆线长度为L=l+r。接着，拉动小球到一个小于10°的平衡位置释放，用秒表记录小球摆动30—50次的振动周期。记录数据后将其代入公式，计算重力加速度的结果。之后改变单摆的摆长重复测量作为对照实验，计算在不同摆长下的平均值。在动手制作实验器材的过程中，学生根据不同器材处理中的细节，能够更清晰地感受到实验所蕴含的物理学原理，这对于促进学生在实验进程中的深度探究有着积极的意义。

三、聚焦核心素养，探析物理实验教学的策略

核心素养是当前教育背景下教学设计所必须考虑的因素。基于具身认知理念的物理实验教学同样要针对学生核心素养的培育，适当地改变教学策略，通过制造冲突、推理论证及小组合作等方式充分发挥实验学习的作用，实现学科观念、思维能力及道德规范等核心素养的渗透。

（一）制造冲突，深化学科观念

制造冲突旨在通过问题情境制造认知冲突，让学生感受到新信息与已有认知的不一致，进而激活学生的主观能动性，促使其在实验进程中有针对性地分析实现现象，归纳物理学规律，在“冲突—验证”的完整学习过程中实现学科观念的深化理解。

结合生活现象设置情境陷阱是一种行之有效的冲突制造方法。比如，在学习“多普勒效应”这一小节时，以常见的多普勒效应的音视频内容和学生脑海中声音振动相关的知识建立认知冲突。此时，教师及时地引导学生考虑到物体的运动这一因素，通过模拟实验观察波源与观察者之间是否存在相对运动，以及两种状态下接收到的频率变化，获取直观的多普勒效应体验。

（二）推理论证，培养思维能力

思维能力是物理学科核心素养的重要体现之一，在学生理解物理原理，并将其应用到实际问题中起着重要的作用。因此，教师应结合实验环节，引导学生在实验过程中结合数据和现象对规律本质进行推理论证，提升学生的思维能力。

比较推理是物理实验中最常见的一种推理论证方式，通过对比不同对照组的实验结果，归纳得出最终的物理规律。比如，在学习“平抛运动”这一小节时，设计实验探究平抛运动的基本原理。实验中根据物体抛出的高度、小球的质量、滑下的高度（决定了抛出时刻的速度大小），按照控制变量的方法设计对照组实验。通过对比分析，学生发现，在竖直方向上物体运动轨迹与上述三个因素均不存在关系，体现为自由落体。在水平方向上物体运动轨迹体现为匀速运动，初速度越大且下降高度越高则最终落点越远。在上述实验中，学生通过不同对照组实验结果的对比分析，可以直观地推理出平抛运动的运动特征，将其与已有的自由落体和匀速直线运动建立逻辑关系，促进推理能力的发展。

（三）小组合作，了解道德规范

物理学科具有综合性强的特点，许多实验探究活动需要学生以小组合作的形式展开。因此，教师应基于小组合作的教学策略设计实验教学，在实验中培养学生的合作探究能力，促进道德规范的渗透。

每一种物理实验都包含许多步骤，在小组合作实验中，学生相互检查、合作探究可以更有效地发挥实验学习的作用。比如，在学习“探究外力做功与动能变化”这一部分内容时，引导学生以小组的形式完成实验探究活动。以小组的形式开展物理实验，可以让每名学生都有明确的任务分工，在分工协作的氛围中高效地完成实验任务，体会到合作的重要性，从而促进他们道德规范的发展。

综上所述，具身认知理论下的实验教学可以从教学设计以及课程安排中增强实验环节的体验感，让学生在动手操作、实验设计的过程中通过手脑并用及多感官协同实现对物理现象和规律的本质认知，从而达到提升新时代学生物理学科综合素养的教学目的。

参考文献

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[2]邹小平. “双减”背景下高中物理作业设计的优化[J].数理天地（高中版），2023（6）：38-40.