指向科學思維顯性化的初中物理實驗教學例析

【摘" 要】 初中階段，教師應循序漸進地培養學生的科學思維，在這一過程中，教師教學與學生學習的內在思維活動都應得以顯現。科學思維培養的顯性化，旨在清晰展現思維的發展軌跡，為優化教師教學策略與增強學生學習能力提供有力支撐。文章以“杠桿的平衡條件”實驗探究為具體案例，深入探索并實踐初中物理教學中科學思維培養顯性化的完整流程，以期為相關教育工作者提供參考。

【關鍵詞】 科學思維；實驗探究；物理實驗；杠桿的平衡條件

《義務教育物理課程標準（2022年版）》明確指出，科學思維，涵蓋模型建構、科學推理、科學論證及質疑創新等核心能力，均是物理課程致力于培養的核心素養。為此，本文以人教版八年級物理下冊第12章第1節“杠桿的平衡條件”實驗探究為例，旨在探索與實踐科學思維培養的顯性化路徑。

一、表述定性分析，明確實驗目的

首先，教師需深入了解學生學情，創設貼近學生生活的教學情境，以激活學生的相關記憶。例如，要求學生利用日常文具用品，自主建構蹺蹺板模型，進而理解并保持水平平衡的概念。通過繪制簡單圖示，學生可明確實驗目的，聚焦關鍵因素，忽略次要干擾，探究并揭示影響杠桿平衡的具體因素，以及這些因素間可能存在的關聯。在傾聽學生表述其做法或想法的過程中，教師不僅能以外在語言規范學生內在的思維流程，還應洞察學生思維發展的難點與障礙，為后續教學難度與進度的靈活調整提供可靠依據。

（一）建構模型，逆向思考

鼓勵學生運用已有經驗，利用學習用品搭建保持水平平衡的簡易蹺蹺板模型（以下簡稱“簡易蹺蹺板”）。學生應認識到，破壞與搭建模型平衡的因素是相通的，并能運用已有概念進行表述。

任務一：快速搭建簡易蹺蹺板。

情境：提供1塊橡皮、1把直尺。

問題：搭建簡易蹺蹺板的關鍵點何在？

設計意圖：引導學生意識到，即便沒有專業的實驗室設備，也能進行有趣的物理實驗。通過親手創設實驗環境，學生的注意力被迅速從日常生活現象吸引到實驗探究中。通過表述“以橡皮為支點，確保直尺左右兩側等長”的搭建思路，學生在調整情緒后迅速進入學習狀態。

任務二：破壞簡易蹺蹺板的平衡。

情境：已搭建的簡易蹺蹺板。

問題：如何破壞其平衡？為何這樣做？

設計意圖：教師觀察學生為快速“獲勝”而采取的破壞策略，學生通常選擇“保持支點（橡皮）不動，向左或向右移動直尺”來破壞平衡。就“為何這樣做”的問題，學生回答的不一致性反映了他們對重力、重心等前置概念學習效果上的差異。借此機會，師生共同復習相關知識，為后續的實驗探究奠定堅實基礎。

（二）變換模型，抓住主次

在簡易蹺蹺板上摞放橡皮的過程中，學生自然而然地聚焦橡皮（主要因素），而將直尺（次要因素）置于次要地位，以此展開實驗探究。

任務三：摞放橡皮，簡易蹺蹺板保持平衡。

情境：提供4塊規格、大小完全相同的橡皮。

問題：為何摞放橡皮后簡易蹺蹺板仍能保持平衡？

設計意圖：為了在這一變式任務中取得成功，學生利用剛學到的經驗，專注于橡皮而忽略直尺，選擇“在左右兩邊離支點最近的位置各摞放2塊橡皮”的策略。通過合理調控杠桿的五要素，學生發現“等重、等長”是模型保持平衡的關鍵。這一發現不僅加深了他們對模型的理解，還為后續認識和使用杠桿平衡裝置，如托盤天平，奠定了堅實基礎。

任務四：破壞摞放橡皮后簡易蹺蹺板的平衡狀態。

情境：破壞已摞放4塊相同橡皮的簡易蹺蹺板平衡。

問題：你猜想破壞平衡的原因可能是什么？

設計意圖：學生遷移了之前任務中的經驗，保持支點不動，嘗試“向左或向右移動直尺”“改變某一邊橡皮的數量”或“改變某一邊橡皮離支點的位置”來破壞平衡，而避免選擇“改變重心的位置”或“同時改變位置和數量”的復雜方式。學生猜想，改變橡皮（物品）的數量或其離支點的位置，甚至同時改變這兩者，都可能導致模型失衡。

（三）科學推理，思維進階

通過估計、測量計算或反復試錯，學生逐漸確信物體重量和放置位置是決定簡易蹺蹺板平衡的主要因素。他們的問題日益具體，思考路徑愈發清晰，方法也更為有效，顯示出其思維發展的上升趨勢。同時，學生也意識到模型的粗糙性，提出需要改進或直接使用實驗儀器進行深入探究。

任務五：放置文具物品，保持簡易蹺蹺板平衡。

情境：提供常見且合適的文具用品及彈簧測力計。

問題：你觀察到了什么現象？

設計意圖：規范使用或探索彈簧測力計是科學探究的重要組成部分。學生將“關注主要因素，忽略次要因素”的科學探究原則潛移默化地應用于實驗探究中。面對思維沖突，他們深入思考，通過科學推理猜想：“當簡易蹺蹺板保持平衡時，可以測量出物體重量和離支點的長度，這兩者之間似乎存在某種關系，那會是怎樣的關系呢”。受時間和條件限制，學生暫時放棄改進模型，轉而選擇使用實驗儀器和測量數據記錄表繼續探究。

（四）構建圖示，明晰目標

完成實驗后，教師指導學生繪制上述五項任務的簡明圖示，這一過程促使學生回顧所學內容，主動激活大腦中的記憶信息，并運用標注、圈劃等視覺化手段來整理和表達他們的思考。

任務六：總結杠桿平衡的影響因素。

情境：利用學習用具進行實驗。

問題：哪些因素影響杠桿的平衡？

設計意圖：在“直尺保持水平方向平衡”這一實驗條件易于控制的情境下，學生能夠清晰地歸納出“物體的重量以及物體離支點的距離是影響杠桿平衡的關鍵因素”。然而，學生在實驗過程中也可能因儀器使用不規范、力臂概念理解不透徹等問題而產生思維混亂。因此，教師需要適時介入，提供必要的學習支持，為學生后續規范使用杠桿平衡裝置進行定量測量奠定堅實基礎。

二、可視化定量測量，平衡條件數學化

（一）觀察儀器，提出猜想

在初中物理教學中，落實思維支架是有效實踐與科學創新的基礎。實驗器材不僅是物理學習的重要工具，也是物理學科學習的關鍵內容。針對某些實驗器材，學生僅知道如何正確使用是不夠的，更應深入理解器材原理，以培養科學思維。實驗器材是發明者創造性思維的結晶，蘊含著豐富的科學思想方法。因此，在活動教學中，對核心器材的深入探究尤為重要。

任務七：認識杠桿平衡裝置。

情境：展示杠桿平衡裝置。

問題：杠桿平衡裝置與托盤天平有何相似之處？它們的作用是否相同？

設計意圖：通過對比托盤天平和杠桿平衡裝置，學生可判斷托盤天平是等臂杠桿，并發現它們的相似部件“平衡螺母”。學生猜想平衡螺母的作用相同，即測量前要調節以忽略橫桿或杠桿自重，測量時則不能調節。

（二）改進表格，思維可視

圖表是思維可視化的最佳工具，對學生高階思維能力（如分析、評價、創造）的培養具有顯著幫助。

任務八：優化測量數據記錄表。

情境：分析教材中的表格。

問題：為何要優化表格？

設計意圖：在教材中測量記錄表的基礎上，進行了如下優化：在“次數”列左側增加“測量要求”“簡單圖示”“實驗條件”和“序號”四列；在原表格末列右側增加“杠桿的平衡條件數學化”和“想法或看法”兩列；測量空行數由3行擴展為15行；實驗條件（共5個）分別設定為“動力F1=阻力F2，動力臂l1=阻力臂l2”“動力F1＞阻力F2，動力臂l1＜阻力臂l2”“動力F1＜阻力F2，動力臂l1＞阻力臂l2”“隨意懸掛文具用品”和“與右（或左）物體同側豎直上提彈簧測力計”。優化后的表格更具可視化效果，能夠清晰地記錄學生的思考和實踐過程。

（三）歸納關系，數學表達

學生需分析測量數據，以歸納出杠桿的平衡條件。教師可利用計算圖形面積的方法，幫助學生理解乘法關系。

任務九：分析歸納杠桿的平衡條件。

情境：分析測量表中的數據。

問題：能否用圖像解釋杠桿平衡條件的乘法關系？

設計意圖：教師收集學生測量數據表中的特殊情況，如左邊力與力臂為1、4組合，右邊為2、2組合；或左邊為2、3組合，右邊為1、6組合等。學生在用加、減、乘、除逐一驗證測量數據可能的關系時，會發現只有乘法關系成立，從而猜想杠桿的平衡條件是“動力×動力臂=阻力×阻力臂”。教師可順勢引導：“速度的單位是米/秒，時間的單位是秒，它們相加沒有意義，但相乘會得到什么？”學生可能會頓悟：“兩個不同的量相乘，可以得到一個新的量，比如路程=速度×時間。”教師繼續引導：“矩形的面積和勻速運動物體的路程可以用圖像表示，那么杠桿平衡時能否用面積圖像表示呢。”

三、評價多元化，拓展可視化，鼓勵質疑與創新再探究

教師需依據金字塔學習和遺忘曲線理論，精心設計多種形式的作業，旨在科學評價學生的學業質量，并推動他們的學習進程。通過動手實踐，學生們收獲了自信，并急于驗證他們在實踐中產生的疑問：“當使用彈簧測力計斜向上提、斜向下拉或豎直向下拉時，杠桿是否仍然能保持平衡？如果杠桿上的施力位置不變，那么測出的值是否會一致”。在實驗探究的過程中，學生們將面臨如何對彈簧測力計進行校零、如何準確測量力臂及正確讀數等挑戰。這些問題的解決需要學生深入思考、自主構建學習支架、分工協作，并通過循序漸進的實踐來逐步攻克。

（一）持續探究，解開謎團

任務內容：設計并完成一項實驗，探究彈簧測力計與杠桿在非豎直狀態下保持水平平衡的關系。

設計意圖：通過頻繁且靈活地操作彈簧測力計，學生在規范使用的前提下，驗證杠桿平衡條件是否具有普遍性（即普適性），從而消除他們在實踐中產生的疑惑，進一步確認乘法關系的正確性。

（二）探尋古人智慧，領略文化意義

任務內容：觀察教材配圖，結合所學的杠桿知識，探討并闡述古代中國人如何利用杠桿原理，以“少用一點力氣”的方式搬運巨大的木料。

設計意圖：此處使用“少用一點力氣”而非“省力”，更貼合課程目標、單元結構以及章節內容的編排要求。此任務旨在引導學生將所學知識與歷史文化相結合，通過探尋古人的智慧，加深對杠桿原理的理解和應用。

（三）結合生活物理，強化知識運用

如圖1所示，教師可以向學生提問生活中常見的桿秤一般有兩個吊環，何種情況采用A吊環，何種情況采用B吊環？俗語“秤頭有高低”的意思是在生意中用桿秤稱量物品時，秤頭有時翹起，有時下沉，那么秤頭翹起和下沉分別有利于買家還是賣家？有商家在賣商品時，將桿秤的標準秤砣替換成質量較小的秤砣，這樣做的結果是什么？

設計意圖：桿秤是古人智慧的結晶，是杠桿在生活中的創造性應用。如今，桿秤已很少見，學生遷移應用所學知識，解決新情境中的經典問題，體現“從生活走向物理，從物理走向社會”的課程理念。

四、結語

《義務教育物理課程標準（2022年版）》明確指出，“教師應依據課程理念、課程目標和課程內容等要素，緊密結合教學的實際情況，創造性地開展物理教學，將培養學生核心素養的任務貫穿物理教學活動的始終。”探索和實踐科學思維培養的顯性化，是物理教學的一項創新嘗試。期望通過這一嘗試，使教師的教學過程、學生的思維發展以及學習進階的全貌都能夠被清晰地“看見”，從而使教與學的得失有據可查，有法可循。

■ 參考文獻：■

［1］ 李春密，蘇明義. 新版課程標準解析與教學指導初中物理［M］. 北京：北京師范大學出版社，2022.

［2］ 許光曙. 構建漸進支架實現思維進階［J］. 物理教師，2024，45（05）：35-38.

［3］ 柯清超. 超越與變革：翻轉課堂與項目學習［M］. 北京：高等教育出版社，2016.

［4］ 王正全，趙高森，董皓，等. 融合中華傳統文化的初中物理5E教學模式：以“杠桿的平衡條件”為例［J］. 物理教學探討，2023，41（04）：61-64.