基于發展學生思維品質的初中物理實驗設計

摘 要：教師在物理課堂教學中要重視學生思維的生成和發展，通過精心設計“異常”實驗，多向設計“情境”實驗，周密設計“階梯”實驗，巧妙設計“銜接”實驗.讓學生在實驗過程中有所思、有所獲，發展學生辯證性、靈活性、邏輯性、發散性思維品質，培養學生創新能力.

關鍵詞：初中物理;實驗設計;思維品質;創新能力

中圖分類號：G633.7???? 文獻標識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）22-0029-03

作者簡介：鄭建新（1974-），男，浙江杭州人，本科，中學高級教師，研究方向：初中科學、實驗教學.

初中物理教育，應該教會學生從物理學科的視角認識世界、解釋世界的思想方法，并且終生從中受益.物理教師會設計各種各樣巧妙的實驗突破教學難點，使整節課變成“實驗盛宴”，但對于實驗過程，卻沒有深入思考，按部就班，疏忽實驗過程中對學生思維品質的培養，學生被動歸納實驗結果，缺乏思維火花的碰撞，抑制了學生思維能力的發展.

教師應當開展富有創造力、貼近生活、自主探究的實驗教學活動，將側重點放在對學生思維和能力的培養上，讓學生能在實驗過程中有所思、有所獲，發展學生辯證性、靈活性、邏輯性、發散性思維品質，培養其創新能力，是每個物理教師不斷努力的方向.

1 精心設計“異常”實驗，發展辯證性思維品質

筆者從“認知沖突點”出發，設計“異常”實驗，讓學生親身探究，發現已有的生活經驗和新發現的現象與現實之間的不一致，思維就會陷入矛盾狀態，才能讓學生反思、審視并修正自己原有的認識及經驗，思考提出或者接受更為科學的新概念、新假設、新解釋.

1.1 杠桿平衡的變化問題

在簡單機械教學中，有很多與生活相關的簡單機械，比如指甲鉗、蹺蹺板、釣魚竿等，學生對于熟悉的現象難以產生興趣.教師只有將生活中司空見慣的情境轉化為有變化的問題，才能引發學生思考.

生活中縮小版的蹺蹺板（如圖1所示），處于平衡狀態的蹺蹺板上男孩和女孩分別坐在兩側.

問題1：如圖2所示，蹺蹺板可旋轉，當右側逆時針旋轉30度時，請你預測哪一側會掉下來？教師等待給予學生思考的時間，放手后，結果出乎學生的意料.

問題2：還有什么辦法使得蹺蹺板失去平衡.教師通過實驗引導學生從移動女孩或男孩的位置回答.

問題3：距離支點的距離不等是否一定不能平衡？實驗展示.

因為知識儲備不足，學生的直覺思維很難隨著問題的變化而做出變化，我們不能急于向學生解釋相關概念.可以提出引發思考的問題，引導學生尋找其中的原理，學生才會有探究的興趣.生活中的情境蘊含著科學原理，但由于原理的抽象以及不容易發現，不容易引起學生們的興趣，所以教師將司空見怪的情境變為有變化的情境，學生們對變化的東西始終有探究的欲望.

1.2 指南針為什么不指南

“指南針為什么能指方向”一課中大部分知識學生在小學的時候就已經學過，而且也做過相似甚至相同的實驗.到了中學，再次學習，知識沒有難度也沒有深度，難免缺少學習的熱情.因此，這種實驗必須進行創新設計.從學生“認知沖突點”出發設計實驗：指南針是否一定能指南？這會讓許多人一時難以回答.這樣就可以充分激發學生參與的熱情，點燃學生思維.而且通過這樣設計，學生不但知道沒有磁性的物體可以被磁化，有磁性的物體也能被更強的磁體改變磁極，從而突破思維定勢，使思維能力得到有效提升.

四人一組，每個人一個指南針（如圖3所示）.觀察指南針靜止時指向？課堂上許多同學還沒等指南針靜止，就迫不及待地回答：指“南北方向”.有同學不好意思地說：我的怎么不一樣？有同學說：可能是磁體之間相互干擾的緣故，建議把指南針離遠一點放，讓同學將指南針放講臺上觀察.可是移開后還是不指南.

有同學說：肯定是顏色涂反了.大家感覺很好笑.但有許多同學認同這一觀點.此時，教師拿出條形磁鐵，像變魔術一樣輕而易舉地將方向指錯的指南針方向調為正確指向.這是什么原因呢？同學們感覺更神奇.為了揭開謎底，大家主動思考，積極討論.

從學生的“認知沖突點”出發，巧妙設計和學生原有認知經驗沖突的實驗，教師提出與學生認知經驗不一致的觀點，制造矛盾，引起思想沖突，讓學生在這種思辨矛盾中獲得啟發、頓悟，跳出原來的思維框架，突破思維的局限性，更深入理解科學原理和本質.

2 多向設計“情境”實驗，發展靈活性思維品質

教師應當從學生感興趣的知識點出發，從多角度、多方位設計各種“情境”實驗， 引導學生思考現象背后的原理，領會到物理的美妙，激發學習的興趣，使學生在學習過程中真正做到看、做、思融合，從而能利用現有知識，結合已學知識去創造、去探索， 培養思維的靈活性，發展學生思維能力.

2.1 多種多樣的面鏡

生活中常見的面鏡有三種：平面鏡、凹面鏡、凸面鏡，根據它們的不同功能用在不同的場合，不同的功能源于不同的成像特點.

教師在上課同時呈現這三種面鏡（如圖4所示），此時成像的情況有正倒之分，有的放大、有的縮小、有的變形，如此豐富的現象，學生頓時覺得好奇怪，平時對平面鏡成像見怪不怪，面鏡對光路的作用都是反射，為何形成的像卻是千差萬別？面對真實的情境，就平面鏡成像而言，學生提出可研究的問題有（1）像的大小是否會改變？（2）像與鏡面的距離是否會改變？提出問題以后學生便可自行設計實驗以求證.

教師通過設計多樣的“情境”實驗，拓寬學生的思路，當學生自己觀察現象、提出疑問并轉化問題、解決問題，學生才能在實驗過程中產生靈感和頓悟，使抽象的物理概念變得明朗清晰，思維的靈活性才能得到培養.

2.2 氣體對外做功

教材中“氣體對外做功實驗”，由于在實驗中瓶塞跳起聲音大，實驗過程學生一直在期待響聲，很難仔細觀察實驗現象.有什么辦法避免聲響，又看見課本氣體對外做功實驗現象，還可以觀察過程中瓶內溫度的變化？用打氣筒向密閉空礦泉水瓶打氣（如圖5所示），觀察數顯溫度計的變化.打開氣門芯放氣，觀察瓶內的變化，注意此時觀察數顯溫度計的變化.學生觀察到氣體對外做功的溫度下降得慢，引發思考，聯系“液化放熱”，思維得以遷移.

學生在具體情境中動腦，充分借助自己的生活經驗去抽象、理解、分析物理問題;學習深入生活情境中，靈活運用所學知識去領悟、判斷、解決具體情境.借助問題情境，學生在物理與生活中穿行，感悟生活中的物理，這樣一來，現實的、具體的生活經驗可以遷移、提升為理性的、抽象的物理概念;同時物理概念也在具體的、真實的生活經驗中得到豐富與支撐，從而發展學生思維的靈活性.

3 周密設計“階梯”實驗，發展邏輯性思維品質

學生的思維往往不局限于實驗本身，在得出實驗結果后，學生往往會結合生活中一些現象進行聯想，這是學生思維發展的體現，也是發展學生思維的契機.教師應當從物理概念的疑難點出發，對實驗結果的反思、質疑和追問，逐步分解思維難點，更能發展學生邏輯性思維品質.

以液體壓強的階梯實驗為例.

教材中“液體壓強的實驗”只能說明液體對容器側壁和底部存在壓強，在學習過程中學生普遍存在的三個問題：液體對容器的上壁是否也有壓強？液體壓強與液體的重力或質量是否有關？液體壓強計為什么可以顯示液體壓強？筆者用生活中簡單實用的材料設計液體壓強的創新實驗，

既能抓住學生的眼球，又能引發學生的創新思維，往往能為課堂教學帶來意想不到的精彩.

實驗一可以說明液體對容器側壁和底部有壓強（如圖6所示）.

問題1：液體對容器的上壁是否也存在壓強？

針對問題1，設計實驗（如圖7所示），發現上壁的橡膠膜有明顯突起.可以證明液體對容器上壁存在壓強，解決問題1.

問題2產生：有哪些影響液體壓強的因素？改變實驗，把連著導管的漏斗上下移動，觀察管口橡皮膜突起程度的變化情況（如圖7所示）.實驗現象清晰可見，得出結論：液體的質量和所受重力與液體壓強大小無關，液體的深度可以影響液體壓強大小，解決問題2.

出現問題3：怎樣能直觀明顯地觀察到液體的內部壓強呢？（如圖8所示）出示實驗三：這個實驗可以觀察到液體內部存在著壓強的大小，缺陷是：玻璃管太長，不方便使用，紅色水柱位置容易發生改變，無法準確說明液體壓強的內部規律.實驗室中的壓強計就是依據此原理設計的，展示壓強計，分析壓強計的設計原理解決問題3.通過上述三個“階梯”實驗，由易到難，從淺入深，讓全體學生在“階梯”實驗中，參與思考與探索問題.“階梯”實驗的創設，能從多角度加深學生對核心知識的理解，而且學生邏輯性思維得到有效訓練，在探討問題的過程中學生產生靈感和頓悟，解決抽象的科學疑難問題.

初中學生拿到問題，通常不思考問題的意義或者未全面清晰思考，便開始著手解決問題，缺乏嚴謹的邏輯思維習慣，很容易出錯.筆者在教學中發現，根據抽象的物理問題，設計“階梯式”實驗，由簡到繁，環環相扣，層層遞進，符合學生認知心理和認知規律，使學生不僅能“知其然”，還能“知其所以然”，有效提升學生思維邏輯的嚴密程度.

4 巧妙設計“銜接”實驗，發展發散性思維品質

在教學時，從已學知識點到新的知識點時要自然銜接，否則學生會覺得莫名其妙，感覺跟不上老師的思路，課堂也會顯得很不自然.教師可以在教學中巧妙設計銜接實驗，鼓勵學生呈現真實思維，培養學生發散性思維.

4.1 挑扁擔游戲

例如：在九年級上冊第三章“杠桿”的學習過程中，教材安排先學習“杠桿的五要素”，再直接進入“杠桿平衡條件”的實驗研究.在實際教學時，會讓人感覺很莫名其妙，學杠桿為什么要學習力臂？為什么要研究杠桿平衡條件？在學生認識杠桿的時候，筆者設計如下“銜接”實驗.

用米尺當扁擔，在扁擔的兩端掛兩個黑色的塑料袋，在塑料袋里放上兩個大小不同的蘋果，使扁擔在水平位置平衡.猜一猜：哪一袋蘋果重？誰猜對了，蘋果就獎勵給誰.

在猜的時候，由于沒學過杠桿的平衡條件，許多同學認為一樣重.理由是根據當天平橫梁平衡時，說明兩邊一樣重.當教師揭曉謎底時，學生很疑惑.到底是為什么？此時，同學們帶著疑惑，帶著任務學習探究杠桿平衡條件，有效激發學生學習興趣，主動參與到學習中去.這樣的實驗設計挖掘出學生新舊知識之間的銜接點，并在這個點上以惑搭橋，在教師的引導下發現新舊知識間的聯系，訓練敏捷的思維能力，促進推理能力的發展.

4.2 如何讓飲料吸不上來

古人云：“學起于思，思源于疑.”為了讓學生體會大氣壓，筆者在課前發布“如何讓飲料吸不上來”的任務.在設計任務時我們只考慮到兩種可能，一是將一個硬質的瓶子上塞緊一個單孔橡皮塞;二是在吸管上開一個小孔.但是學生們在討論時考慮問題比較廣泛，如：吸管的粗細、吸管上所開小孔的大小、吸管上所開小孔的多少、吸力的大小等.正是這些大膽的，不受任何框框限制的、無一定方向和范圍的想法，使學生思維的觸角可以被引導到更深層次.經過學生的實驗，最終得出管子的形狀、孔的大小、孔的多少會影響飲料是否吸得上來，通過孩子們親身感受，最終得出了是受大氣壓影響的結論，這為正式開展大氣壓教學做了很好的鋪墊.因此，教師進行發散性問題設計，引導學生從多角度、多方面認識和思考，找出更多可能的答案、想法或解決方案.

初中物理教材的編制有兩種基本方式：以物理知識邏輯發展為線索的“要素式”和以科學方法為線索的“問題解決式”.前者有利于知識的傳授，有利于基礎性學力的形成，后者有利于培養學生的發展性和創造性學力.我們不能以本為本，不能認為教材中的實驗設計、活動內容就是完美的.學生的很多疑惑只有在實驗過程中得到證實，才會引發學生更深層次的思考，在反思實驗、解決疑惑的過程中，思維由淺入深得到發展.

我們應該從學生出發，對教材予以審視和重構，挖掘實驗潛能，創新設計實驗，平常中出新，新意中促思，設計一個個符合初中學生思維特點的生動、有趣、形象的實驗，以發展學生思維品質為主線進行教學，達到教師力爭“活教”學生能夠“樂學”的狀態.基于思維發展設計實驗，讓學生的思維在關鍵處閃光，掌握正確的思維方法，培養優良的思維品質，讓學生越學越聰明，越學越富有智慧.

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（收稿日期：2021-06-23）