【摘要】思維進(jìn)階是物理學(xué)習(xí)的關(guān)鍵過程，高效的思維引導(dǎo)路徑能有效地增強(qiáng)教學(xué)效果．但在當(dāng)前高中實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，關(guān)注思維進(jìn)階的教學(xué)設(shè)計(jì)較為缺乏.本文基于已有教學(xué)模式，提出以預(yù)習(xí)導(dǎo)學(xué)單、實(shí)驗(yàn)操作單、拓展創(chuàng)新單為學(xué)習(xí)輔助材料的“三單聯(lián)動(dòng)法”，助力高階思維的培養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，發(fā)展高階思維，取得較為理想的效果.

【關(guān)鍵詞】高中物理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；機(jī)械能守恒

1 思維進(jìn)階的內(nèi)涵

美國教育家布盧姆將思維過程從認(rèn)知角度細(xì)分、具體化為６個(gè)教學(xué)目標(biāo)，即記憶、理解、應(yīng)用、分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造，其中記憶、理解、應(yīng)用是低階思維，是較低層次的認(rèn)知水平，主要是學(xué)習(xí)事實(shí)性知識(shí)或完成簡單任務(wù)的能力；分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造為高階思維，是發(fā)生在較高認(rèn)知水平層次上的心智活動(dòng)或認(rèn)知能力［１］．《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》提出的物理學(xué)科核心素養(yǎng)中，科學(xué)思維是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)物理模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證在科學(xué)領(lǐng)域的具體運(yùn)用；是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對(duì)不同觀點(diǎn)和結(jié)論質(zhì)疑和批判，進(jìn)行檢驗(yàn)和修正，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力和品格［２］.由此可見，促進(jìn)中學(xué)生思維進(jìn)階既是國家教育改革的方向，也應(yīng)該是物理學(xué)科教學(xué)重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容.因此，本文結(jié)合“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”教學(xué)設(shè)計(jì)，探索如何將思維進(jìn)階真正落實(shí)到高中物理課堂教學(xué)中.

2 基于思維進(jìn)階的教學(xué)模式

在常規(guī)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師一般要先對(duì)實(shí)驗(yàn)的原理進(jìn)行講解，學(xué)生帶著課本中的實(shí)驗(yàn)方案走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，在小組學(xué)習(xí)的模式下按部就班地完成實(shí)驗(yàn)操作，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，整體來看，這樣的學(xué)習(xí)過程是被動(dòng)的.在這種教學(xué)模式中，學(xué)生通過對(duì)課本的閱讀和題目的練習(xí)能夠完成對(duì)知識(shí)的記憶，也能基本理解教材中原實(shí)驗(yàn)的原理，但對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟的分析較少，理解程度較低，幾乎不涉及對(duì)實(shí)驗(yàn)方案的評(píng)價(jià)，更談不上自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)規(guī)律進(jìn)行驗(yàn)證，而且學(xué)生還表示在實(shí)驗(yàn)過程中會(huì)遇到自身無法解決的實(shí)際操作問題，由于學(xué)生人數(shù)較多，教師不一定能及時(shí)進(jìn)行幫助.

為了消除常規(guī)教學(xué)模式的弊端，本研究提出采用“三單聯(lián)動(dòng)法”助力實(shí)驗(yàn)教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生思維進(jìn)階.“三單聯(lián)動(dòng)法”指在教學(xué)活動(dòng)開始之前學(xué)生使用預(yù)習(xí)導(dǎo)學(xué)單自主學(xué)習(xí)，在實(shí)驗(yàn)過程中使用實(shí)驗(yàn)操作單進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和思考，在完成實(shí)驗(yàn)后使用拓展創(chuàng)新單拓寬視野，啟發(fā)深度思考，加深對(duì)知識(shí)的理解程度.

3 基于思維進(jìn)階的教學(xué)過程及分析

“實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”一節(jié)是學(xué)生在高中階段第一次接觸到“守恒”這一概念，這是物理觀念中能量觀這一要素的一項(xiàng)重要內(nèi)容，也是分析、研究物理問題的一個(gè)重要思想方法，對(duì)后續(xù)能量守恒、動(dòng)量守恒、電荷數(shù)守恒等知識(shí)的學(xué)習(xí)都有一定的引領(lǐng)作用.雖然在之前的學(xué)習(xí)中學(xué)生已經(jīng)對(duì)研究對(duì)象的選擇和系統(tǒng)機(jī)械能是否守恒有了一定認(rèn)識(shí)，但對(duì)這些知識(shí)并沒有親身的體驗(yàn)，即思維上質(zhì)疑和尋找證據(jù)論證的過程還沒有實(shí)際發(fā)生，為了完成核心素養(yǎng)的落實(shí)和學(xué)生思維的進(jìn)階，有必要認(rèn)真研究教學(xué)過程，以達(dá)到更好的教學(xué)效果.

3.1 預(yù)習(xí)導(dǎo)學(xué)單

為了讓學(xué)生明確本節(jié)課學(xué)習(xí)的目標(biāo)，教師應(yīng)將課程標(biāo)準(zhǔn)中“教”的目標(biāo)轉(zhuǎn)化告知為學(xué)生“學(xué)”的目標(biāo)，課程標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)該部分知識(shí)的要求為“通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”.對(duì)于學(xué)生來說過于空泛，沒有能夠?qū)φ諜z驗(yàn)自身是否學(xué)會(huì)的抓手，因此教師可以在預(yù)習(xí)導(dǎo)學(xué)單中設(shè)立如下教學(xué)目標(biāo)：①能敘述課本中的兩種實(shí)驗(yàn)思路，說出必要的實(shí)驗(yàn)器材；②能按步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，收集到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，實(shí)驗(yàn)誤差不超過5%；③能說出產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差的原因，嘗試提出減小誤差的實(shí)驗(yàn)方案.

教材首先復(fù)習(xí)了機(jī)械能守恒的條件，將實(shí)驗(yàn)的方向確定在了動(dòng)能和重力勢(shì)能的轉(zhuǎn)化上，通過問題引出三個(gè)常見的機(jī)械能守恒的情境：自由落體、光滑斜面上物塊的下滑、被細(xì)線懸掛小球的擺動(dòng).通過對(duì)三個(gè)情境的分析，確定需要測量的物理量和實(shí)驗(yàn)的原理，并且給出了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的方案.如果學(xué)生直接閱讀課本進(jìn)行預(yù)習(xí)，前文中提出的問題在還未思考時(shí)就已經(jīng)在后文的閱讀中得到了答案，并未促使學(xué)生較為深入地思考，學(xué)生的思維仍然處于較為被動(dòng)的狀態(tài)，為了促進(jìn)學(xué)生思維的運(yùn)轉(zhuǎn)，在預(yù)習(xí)單中應(yīng)轉(zhuǎn)“敘述”為“疑問”，將問題的答案暫時(shí)隱藏起來，引導(dǎo)學(xué)生思考.

3.2 實(shí)驗(yàn)操作單

雖然在進(jìn)行實(shí)際操作之前學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟和注意事項(xiàng)，但是學(xué)生不會(huì)將以上內(nèi)容立刻記憶完畢，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的過程中經(jīng)常會(huì)忘記接下來應(yīng)該做什么，教師不一定能立刻對(duì)學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)，為了幫助學(xué)生順利地完成實(shí)驗(yàn)，可以給學(xué)生發(fā)放實(shí)驗(yàn)操作單.為了引導(dǎo)學(xué)生思考實(shí)驗(yàn)操作的必要性和如此做的原因，教師還可以在實(shí)驗(yàn)操作單上設(shè)置問題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考，深入學(xué)習(xí).編制預(yù)習(xí)導(dǎo)學(xué)單如下：

8.5實(shí)驗(yàn)：探究機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)操作單

【實(shí)驗(yàn)器材】

圖1

鐵架臺(tái)（帶鐵夾）、電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、低壓交流電源（4～6 V）、重物、毫米刻度尺、紙帶（帶夾子）、復(fù)寫紙片、導(dǎo)線．

【實(shí)驗(yàn)步驟】

1．安裝置：按圖、將檢查、調(diào)整好的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器豎直固定在鐵架臺(tái)上，接好電路．

2．打紙帶：將紙帶的一端用夾子固定在重物上，另一端穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的限位孔，用手提著紙帶使重物靜止在靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的地方．先接通電源，后松開紙帶，讓重物帶著紙帶自由下落．更換紙帶重復(fù)做3～5 次實(shí)驗(yàn)．

3．選紙帶：選取點(diǎn)跡較為清晰且有兩點(diǎn)間的距離約為2 mm 的紙帶，把紙帶上打出的兩點(diǎn)間的距離為2 mm的第一個(gè)點(diǎn)作為起始點(diǎn)，記為O，在距離O點(diǎn)較遠(yuǎn)處再依次選出計(jì)數(shù)點(diǎn)1，2，3，….

4．測距離：用刻度尺測出O點(diǎn)到1，2，3，…的距離，即為對(duì)應(yīng)下落的高度h1，h2，h3，….

【問題與思考】

1.為了盡可能控制實(shí)驗(yàn)滿足機(jī)械能守恒的條件，應(yīng)盡量減小各種阻力的影響，可以采取的措施有什么？

2.若紙帶前端打點(diǎn)過多無法看清，應(yīng)如何對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行調(diào)整？

3．計(jì)算紙帶上某點(diǎn)速度時(shí)能否使用v＝gt或v＝2gh進(jìn)行計(jì)算？

3.3 拓展創(chuàng)新單

大部分學(xué)生在教師、教材、實(shí)驗(yàn)操作單的幫助下可以完成實(shí)驗(yàn)，對(duì)機(jī)械能守恒定律進(jìn)行驗(yàn)證，此時(shí)學(xué)生已經(jīng)達(dá)到了課程標(biāo)準(zhǔn)的基本要求，為了促使學(xué)生思維進(jìn)階，教師還需要繼續(xù)設(shè)置問題，引導(dǎo)學(xué)生思考.通過學(xué)生自己的動(dòng)手實(shí)踐和觀察，以及實(shí)驗(yàn)操作單中設(shè)置的問題學(xué)生已經(jīng)意識(shí)到紙帶和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器間的摩擦是誤差的主要來源，而且重物帶動(dòng)紙帶下落與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器摩擦是無法完全避免的，因此為了得到更加精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，就需要對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行優(yōu)化.由于在之前的學(xué)習(xí)過程中學(xué)生知道使用氣墊導(dǎo)軌可以有效地減小摩擦帶來的影響，而且課本也給出了光滑斜面下滑的實(shí)驗(yàn)方案，但課本方案在實(shí)際操作中存在滑塊下落高度不易測量的困難，此時(shí)可以引導(dǎo)學(xué)生思考如何在課本方案的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，克服下落高度不易測量的困難.學(xué)生結(jié)合之前探究合外力、質(zhì)量與加速度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過思考后可以提出圖2所示的實(shí)驗(yàn)方案，該方案可以用刻度尺輕松地測量出兩光電門的間距，即槽碼下降的高度，通過光電門可以較為準(zhǔn)確地計(jì)算出滑塊的速度，該方案的實(shí)驗(yàn)誤差相對(duì)較小，而且實(shí)驗(yàn)原理易于理解，實(shí)驗(yàn)操作簡單，適合高中生進(jìn)行探究.

圖2

圖3

除上述問題，教師還可以給出其他創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案，讓學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案的圖像分析實(shí)驗(yàn)原理，思考其他方案的優(yōu)缺點(diǎn)，例如圖3所示的實(shí)驗(yàn)方案即可作為學(xué)生分析的素材.該方案的實(shí)驗(yàn)步驟為：①將質(zhì)量相等的兩鉤碼A和B通過定滑輪懸掛，在B下方懸掛一鉤碼C，在鉤碼A下方固定紙帶；②打開打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，釋放鉤碼；③選取足夠長且點(diǎn)跡清晰的紙帶，選擇2個(gè)足夠遠(yuǎn)的點(diǎn)并測量兩點(diǎn)間距，計(jì)算出兩點(diǎn)的速度；④比較系統(tǒng)增加的動(dòng)能和C減小的重力勢(shì)能.該方案的特點(diǎn)在于研究對(duì)象較多，學(xué)生在分析時(shí)會(huì)因?yàn)檠芯繉?duì)象的混淆而感到困惑，由于A與B的質(zhì)量相等，則B減小的重力勢(shì)能與A增加的重力勢(shì)能相等，即A與B的重心位置未發(fā)生變化.通過該方案的學(xué)習(xí)可以有效地鍛煉學(xué)生的思維能力，促進(jìn)學(xué)生的思維進(jìn)階.

經(jīng)過對(duì)上述實(shí)驗(yàn)方案的學(xué)習(xí)后，學(xué)生對(duì)驗(yàn)證機(jī)械能守恒的方法已經(jīng)有了基本的認(rèn)識(shí)，為了加深學(xué)生的理解，培養(yǎng)學(xué)生的評(píng)價(jià)意識(shí)和能力，教師可以要求學(xué)生使用思維導(dǎo)圖的形式對(duì)各個(gè)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行總結(jié)，說出各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，然后對(duì)學(xué)生總結(jié)的成果進(jìn)行補(bǔ)充和點(diǎn)評(píng).

4 結(jié)語

從教學(xué)方式上看，“三單聯(lián)動(dòng)法”結(jié)合了問題導(dǎo)學(xué)、操作指導(dǎo)、思維導(dǎo)圖等多種教學(xué)方式，具有豐富課堂教學(xué)形式，能有效錘煉學(xué)生思維；從教學(xué)流程上看，該教學(xué)模式層層遞進(jìn)，從復(fù)習(xí)到教材閱讀，再到實(shí)際操作與反思；最后以思維導(dǎo)圖的形式進(jìn)行總結(jié)，學(xué)生的思維水平在此過程中得到不斷發(fā)展與提升.因此，該教學(xué)模式對(duì)當(dāng)前高中物理教師培養(yǎng)學(xué)生高階思維的教學(xué)設(shè)計(jì)具有一定借鑒意義.第一，基于高階思維培養(yǎng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)該結(jié)合多種教學(xué)方式，豐富課堂教學(xué)形式，適當(dāng)融入各種思維活動(dòng)，發(fā)揮物理實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)，讓學(xué)生在思考與探究中發(fā)展其決策能力、問題解決能力、創(chuàng)造能力；第二，基于高階思維培養(yǎng)的物理教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)該注重實(shí)際物理問題的解決，只有學(xué)生將物理知識(shí)真正應(yīng)用于實(shí)際生活或科技問題情境中時(shí)，學(xué)生對(duì)于物理知識(shí)的理解才能更加深入，學(xué)生的問題解決能力等物理高階思維能力才能得到進(jìn)一步提升.

【本文系陜西省“十四五”教育科學(xué)規(guī)劃2023年度課題《基于科學(xué)思維進(jìn)階的高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究》的研究成果，課題批準(zhǔn)號(hào)： SGH23Y0983】

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