思維導圖在高中物理實驗探究教學中的應用研究

摘 要：為利用思維導圖實現高中物理實驗知識可視化、學生思維可視化，文章提出實驗探究教學中以思維導圖為導航、線索、工具，有效開發學生大腦、系統串聯實驗、完成深度探索，意在激發學生興趣、完善認知結構、激活創新思維，使學生以清晰的思路和嚴謹的邏輯建構知識脈絡，全面培養其物理思維，形成終身發展所需的科學思維、動手能力和創新能力.

關鍵詞：高中物理；思維導圖；實驗教學

中圖分類號：G632"" 文獻標識碼：A"" 文章編號：1008-0333（2024）36-0075-03

收稿日期：2024-09-25

作者簡介：饒遇斌（1984.10—），男，福建省建寧人，本科，中學一級教師，從事物理教學研究.

基金項目：福建省教育科學“十三五”規劃2019年度課題“基于學科思維導圖的高中物理有效教學實踐研究” （課題編號：2019XB0914）.

思維導圖是一種將知識與思維可視化的教學工具，能夠從系統化、結構化角度出發幫助學生在實驗探究中習得知識、方法和技能，迎合課程改革需要.因此，將思維導圖合理應用到高中物理實驗探究教學中是迫切需要探究的課題.

1 以思維導圖為導航，開發大腦，激發學習興趣

實驗教學圍繞培養學生科學探究素養展開，讓學生在動手操作實驗中感受過程、學習方法與技巧，訓練學生的嚴謹思維與發散思維［1］.高中物理實驗內容復雜、繁瑣，實現教學目標的前提是開發學生大腦，使其適應實驗學習的認知程序，產生探究興趣.因此，在教學中可以直接利用思維導圖，引導學生按照導圖上提供的思維開展實驗探究.

以魯科版高二選擇性必修第一冊第1章《動量及其守恒定律》為例.教師在本章學習中組織學生分組完成“驗證動量守恒定律”實驗，在教學初直接給出關于實驗的思維導圖如圖1.

根據思維導圖，學生能夠明確本次實驗目的及探究內容，理解動量守恒定律的內涵以及彈性碰撞的特點，支持定量分析一維碰撞.在開展實驗教學時，雖然學生已掌握了動量與動量定理、碰撞與緩沖等知識，也能夠從具象的生活現象中初步感知動量守恒與彈性碰撞，并以物理語言解釋定律，但由于研究并不深入，學生缺乏專業語言與系統思維.在教師出示思維導圖后，學生便能夠了解實驗目的，發現解決目前認知中需要迫切處理的問題，進而產生興趣與探究欲望.基于此，學生可按照以下教師布置的探究任務開展實驗學習.

方案一：

【教師引導】在水平方向上進行實驗，核心器材為氣墊導軌，為了驗證動量守恒，是否需要選擇一定載體，測試碰撞前后質量是否改變？運動初速度大小與方向是否改變？

【學生總結】確定實驗器材，包括氣墊導軌、光電計時器、重物、細繩、膠布、撞針、天平、兩個滑塊、彈性碰撞架、彈簧片等.實驗步驟如下：（1）用天平測量兩個滑塊質量，作好記錄；（2）按照說明書正確安裝氣墊導軌；（3）接通電源，采用氣墊導軌配套光電計時裝置對不同碰撞情況下滑塊質量變化、初速度大小變化、方向變化進行測量［2］.

方案二：

【教師指導】在平拋運動中進行實驗，核心器材為小鋼球.實驗中，如何使小鋼球從相同水平高度落下？如何確定小球落點平均位置？

【學生總結】實驗中需要以下器材：斜槽、兩個大小相等但質量不同的小鋼球、天平、圓規、白紙、復寫紙、刻度尺、重垂線.實驗步驟如下：（1）利用天平測量小球質量，分別記作m1、m2；（2）如圖2，在桌邊固定斜槽，其末端點切線保持水平，調整裝置保證小球相碰時處于相同水平高度，碰撞瞬間入射與被碰小球的球心連線應保證與軌道末端切線平行；（3）將白紙鋪在地面上，上方鋪復寫紙；（4）根據重垂線記下位置，記作O；（5）被碰小球先落下，入射小球再落下，兩者一前一后重復落下10次，以入射小球未碰撞時的落地點為圓心，利用圓規畫出最小的圓，將10次落點圈在圓內，驗證m1OP=m1OM+m2ON是否成立.

2 以思維導圖為線索，串聯實驗，完善認知結構

建構思維導圖的過程也是思維可視化的過程.以思維導圖構建串聯整個實驗探究過程，將學生的探究思路與思維發展體現在思維導圖上，彌補認知結構上的漏洞，系統培養物理思維.

以魯科版高一必修第一冊第4章《力與平衡》為例.在本章學習中組織學生完成“探究兩個互成角度的力的合成規律”實驗.教學中直接將實驗名稱作為思維導圖的主題，按照物理實驗認知程序推進實驗，每道程序主題為思維導圖一級主題，指導學生總結每個實驗步驟，自行構建思維導圖.

第一步：確定實驗器材.引導學生閱讀教材內容，根據所提出的實驗方案分析實驗中所需器材.

第二步：分析實驗思路.引導學生結合教材內容思考“如何提供合力與分力”.實驗中兩手同時拉動小圓環，同時受到兩個力的作用，即為分力，單手向上拉小圓環的力則為合力.引導學生思考“如何保證合力、分力作用效果相同？”使學生根據書中圖示演示分析出利用合力、分力拉小圓環，且圓環橡皮條拉伸長度相同時，合力與分力相等，從而達到相同作用效果.

第三步：實踐實驗過程.引導學生按照上述兩步內容準備好實驗器材，小組合作探究，完成實驗操作，總結測分力與測合力的方法.學生操作過程中，先用圖釘在木板上固定白紙，將圓形橡皮條套入圖釘，在橡皮條上系兩條長度相同的細線.測分力時，采用兩個彈簧測力計連接細線，拉動彈簧測力計圓環，保證橡皮條為直線，統一拉到固定點位O，在白紙上標示出拉力方向，記錄彈簧測力計的示數為拉力，分別為F1與F2.測合力時，用一個彈簧測力計沿直線拉動，到固定點位O，標示拉力方向，記錄示數為拉力，記作F.

第四步：處理實驗數據.引導學生總結實驗中記錄的數據與記錄方法.回顧操作過程，學生確定需要記錄合力與分力大小、方向，拉動彈簧測力計時其示數則為拉力的大小.引導學生分析如何處理數據，能夠直觀體現出合力與分力之間的關系.學生提出根據力的圖示表示更為直觀，從而運用幾何作圖方法突出力的聯系.

第五步：分析實驗結論.引導學生根據實驗操作過程做出的力的圖示，總結分力與合力圖形之間的關系.學生觀察后提出猜想，連接表示拉力方向的箭頭，合力F是以分力F1、F2為鄰邊的平行四邊形的對角線.為驗證上述猜想，組織學生“畫一畫”，形象感知.如圖3所示，學生將三個力的箭頭以虛線連接起來，合力F為平行四邊形對角線.

第六步：總結注意事項.結合以往實驗經驗與本次操作體驗，學生總結出實驗前要先校準彈簧測力計，確定其基本情況，避免量程、分度值與實驗需求不符.讀數時必須正視刻度，操作時必須在水平面上，彈簧測力計應平行于水平面.

實驗過程中，逐步補充思維導圖，實驗完成后建構完整的思維導圖如圖4，直觀體現思維發展過程，使認知結構系統化.

3 以思維導圖為工具，深度探索，激活創新思維

高中物理實驗教學的難點在于如何引導學生創新.將思維導圖作為工具，基于知識之間的聯系，轉換物理思維；從新的方向思考實驗內容，發展創新思維.

以魯科版高三選擇性必修三第1章《分子動理論與氣體實驗定律》為例，教師在本章學習中組織學生完成“用油膜法估測油酸分子的大小”實驗.根據教師指導，學生分組進行實驗，建構以實驗思路、實驗器材、測量物理量、數據分析、注意事項為一級主題的思維導圖，并從中總結出，想要估測分子的大小，需要在油膜法中將油酸分子簡化為球形處理，默認他們處于緊密排布狀態.通過測出油膜厚度、1滴純油酸體積、1滴油酸水面上攤開面積，推理出油膜厚度=分子直徑=1滴純油酸體積/1滴油酸在水面上攤開面積，但學生本次實驗耗時過長.基于思維導圖，學生可梳理實驗器材、測量物理量、注意事項之間的關系，分析出耗時長主要因痱子粉造成.由于痱子粉不溶于水，當灑向水面出現不均勻時，無法攪拌，需要重新做實驗.基于此，教師應引導學生轉換視角創新實驗器材.根據實驗需要，灑向水面的分子不能溶于水，但應能夠攪拌，以便調整其分布狀態.目前接觸的實驗材料中，印刷碳粉不溶于水且攪拌時能夠始終漂浮在水面上，符合本次實驗需求.

4 結束語

綜上所述，在高中物理實驗探究教學中，思維導圖可以發揮啟發學生、強化思維訓練、發展創新思維等多項作用.教師應將思維導圖作為一項重要輔助工具，靈活運用于課堂引導、知識建構等環節，帶領學生深度體驗物理實驗，強化知識應用能力、物理分析思維、動手操作能力的鍛煉，自主完成系統化知識結構建構，使教學實現事半功倍的效果.

參考文獻：

［1］

邱霞.思維導圖在高中物理教學中的應用實踐［J］.考試周刊，2022（36）：137-140.

［2］ 劉世錦.思維導圖在高中物理教學中的應用研究［J］.數理化解題研究，2021（36）：46-47.

［責任編輯：李 璟］