指向高階思維培養的物理自創實驗

摘 要：高階思維是物理學科核心素養培養中的重要內容，培養高階思維要尋找突破口，并需要有效策略的支持。在“超重和失重”一節課的教學中，通過認知沖突建立突破口，利用自創實驗激發認知沖突，運用有效策略培養高階思維。

關鍵詞：高中物理；高階思維；認知沖突；自創實驗

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2024）12-0018-4

在高中物理學科核心素養中，科學思維培養是其中的重要內容，培養高階思維更是科學思維的核心部分。認知沖突能引發認知不平衡，使學生產生解決沖突、獲得認知平衡的需求，形成想學、要學、求學的自主課堂。認知沖突是實現高階思維的突破口。實驗作為揭示學生原有認知結構與新觀念建立的重要手段，是形成學習契機的有效途徑。因此，筆者提出在高中物理教學中，從實驗視角喚醒、凸顯、激發、內化認知沖突，并指向高階思維培養，本文以“超重和失重”教學為例開展論述。

高階思維是一種系統思維模式，是需要多種認知協同作用的思維過程，是發生在較高認知水平層次上的智力活動。高階思維的發生常指向開放性的新問題，這就導致個體需要根據自己的圖式，去提取與新問題相關的經驗與知識，在此過程中，個體能輕松地提取那些達到自動化水平的執行策略或者既定規則，當這樣的操作無法解決問題時，個體就需要進一步建構能靈活調整的認知策略，這個過程并非可以自然發生，而是需要經歷創設問題新情境、建立新舊知識關系、不同維度的信息綜合等一系列認知操作［１］。

1 自創實驗創設問題新情境，“喚醒”沖突，澄清錯誤前概念

奧蘇伯爾強調：“要探明學生已經掌握了什么， 并據此開展教學”［２］。那些來自學生生活經驗的認知，是學生憑直覺和不夠嚴謹的統計形成的，往往與科學知識相悖或不盡一致，這會阻礙新知識的建構。因此，筆者通過自創實驗來形成對這些來自于生活的先前認知的認知沖突，然后學生自己經歷主動建構的過程，通過反思發現錯誤，有利于學生摒棄錯誤前概念，積極主動建構新知識，為養成科學思維奠定基礎。

在學習“超重和失重”前，學生頭腦中對于失重問題往往存在著宇宙中、漂浮、無重力等根深蒂固的錯誤認知。鑒于此，筆者自創了“皮筋彈弓”實驗，具體如下：

實驗儀器如圖 １ 所示，以手持式臺秤為基座，讓皮筋處于拉升狀態，并用重物壓住，使皮筋彈弓處于待激發狀態。

１．定性觀察并設置挑戰任務：單手水平托住“皮筋彈弓”裝置，通過快速下蹲的方法把皮筋發射出去。

２．設置問題：（１）讓皮筋成功發射的關鍵物理量是哪個？

（２）皮筋發射時重物所受的重力是否發生了變化？

３．定量探究失重如圖 ２ 所示：打開臺秤電源（改裝過帶極值記錄），重復上述挑戰過程，觀察記錄數據、討論交流后得出失重的力學原理，矯正錯誤前概念。

４．極限法探究完全失重：逐漸減小皮筋拉力，多次重復挑戰任務，數據顯示值越來越小，觀察、交流、討論后得出完全失重的力學原理。

2 自創實驗建立新舊知識的關系，生成準認知

高階思維的第二個環節是建立新舊知識間的關系，首先將分解后的先驗知識根據其作用與新信息進行匹配，然后通過識別背景知識在新問題中承擔的角色，通過角色和新情境內容之間的綁定，最后讓先驗知識與新信息發生融合，形成對應的映射關系，從而促進準認知的生成［１］。

對于超重的教學，學生在獲得失重概念的正確認知后，其認知已經到達了由被動向自主階段轉變的臨界點，此時學生完全有能力運用自創實驗進行超重的探究設計，從而完成對超重概念的自主建構。設計如圖 ３ 所示儀器，在彈簧秤上吸上磁片，彈簧秤下拉時，磁片被彈簧秤指針推動。在探究超重實驗的過程中，可自動記錄下拉力的最大值，通過與重力大小比較，初步可得出超重的力學原理。通過翻閱資料、小組討論，進一步加深認知。

3 自創實驗綜合不同維度信息，“凸顯”認知沖突，建立科學認知

高階思維的第三個階段是不同維度信息的綜合，即將相互關聯的新舊知識通過收集、分類、組織和整合等方式，形成系統化的科學知識［１］。皮亞杰認為：“認知發展得以發生的主要機制是平衡，而平衡可以通過同化與順應獲得”。學生通過前面的積累和學習建立平衡，形成準認知；接著必須再次經歷失衡過程，打破原有平衡和認知方式形成新平衡和建立科學認知［３］。通過自創實驗“凸顯”認知沖突，讓學生先經歷失衡再轉向平衡，在解決認知沖突的同時，掌握學習方法、理解知識內涵、提升科學素養，通過對問題的認識不斷深入，讓學生的思維水平不斷向高階提升。

通過第一階段的學習，學生從力學角度對超重、失重有了一定的認知，此時筆者結合牛頓第二定律設計“手機下落”自創實驗，讓學生“被迫”從運動學的角度認識超重和失重，并和力學原理相互佐證。

儀器如圖４ 所示：手機裝上防水套，并安裝羽毛浮力塊；液體上層為煤焦油，下層為水。

1.操作：讓手機從一定高度自由下落進入液體中。

2.設置問題：下落過程是超重還是失重？

課堂反饋顯示：學生用力學原理分析，對于手機在空中階段為失重非常肯定，但對于是否為完全失重存在一定的疑慮；對液體內有浮力也很肯定，但由于浮力大小未知，故而無法判斷超重還是失重，通過此過程打破了學生原先的準認知。

3.Pｈｙｐｈｏｘ 定量顯示加速度，如圖 ５ 所示。

（１）手機在空中的加速度向下，為 ９．２０ ｍ/ｓ２，結合牛頓第二定律和當地的重力加速度，得出在考慮空氣阻力的情況下，手機運動情況不是完全失重，與力學原理結論一致，交流、討論后初步得出與運動學相關的失重認知。

（２）手機在水中的加速度向下，為 ５．２９ ｍ/ｓ２，運用動力學知識判斷為失重，然后通過慢放和截屏，發現手機在水中加速下落，結合牛頓第二定律與力學原理，結論仍舊一致，建立科學新認知。

（３）手機在油中的加速度向上，為 １．４６ ｍ/ｓ２，運用運動學知識判斷為超重，然后通過慢放和截屏，發現手機在油中減速下落，結合牛頓第二定律可知，物體必定受到其他力的作用。查詢資料顯示煤焦油對羽毛有很強的黏附作用。

4 自創實驗產生創新認知，“激活”認知沖突，完善科學認知

創新認知產生的標志是認知結構的更新和拓展［１］。杜威說過：“沖突是思考的翅膀 ”。但當翅膀不強勁無法展翅遠行時，就要暫且讓其棲息一下以便積蓄力量。因此，筆者巧妙設計了相關實驗，成功化解了學生思維中的障礙，有效激發學生的思維靈感和創造力，并使之產生新理念、新創意，從而達到“激活”認知的效果。以自創實驗為立足點，學生通過觀察、探究、思維，形成更深層次的認知沖突。當原有的認知結構無法解釋實驗結果時，學生既感到好奇，又渴望求解，從而有利于學生進入更深層次的學習狀態，也有利于學生的思維層次向高階提升。

通過前面對于超重和失重的自創實驗研究，學生掌握了自創實驗探究的方法，對于超重、失重也建立了科學的認知。但由于都在豎直方向，因此在學生對超重、失重的認知中會埋下隱患，故而追問：超重、失重只能發生在豎直方向嗎？引出探究任務，此時學生已經具備自行設計實驗探究不同方向上超重、失重現象的能力。通過實驗探究小組合作交流得出結論，傾斜方向發生變速運動時，也會出現超重、失重現象，水平方向則不會出現。通過小組交流和論證，教師播放相關視頻進行驗證，最終完善對超重、失重概念完整而正確的認知。

5 自創實驗監督、管理、調節認知過程，“內化”認知沖突，實現整合性認知

高階思維過程需要元認知能力來監督、管理、調節認知過程［１］。學生在遇到新問題和新情境時，往往依據他們原有的經驗和認知對新問題提出假設或給予解釋，但由于學生的認知過程不夠全面，這就導致其預期往往與科學事實不符。此時，通過自創實驗引導學生甄別有用信息，從不同的視角分析問題，帶領學生深入挖掘新問題中所蘊含的特殊內容，進一步推理論證，使得認知沖突得以“內化”，最終形成對該問題的創新性、整合性認知。

人在體重計上起立時，體重計的示數會發生變化。小管同學質量為 ５０ ｋｇ，在腰間掛有一只加速度傳感器，顯示“＋”表示加速度方向向上，顯示“－”表示加速度方向向下，起立過程中的某時刻顯示為“＋４ ｍ/ｓ２”，那么此時體重計的讀數可能為

（ ）

Ａ．７０ ｋｇ Ｂ．５０ ｋｇ

Ｃ．６０ ｋｇ Ｄ．２０ ｋｇ

學生普遍知道用牛頓第二定律運算，可得答案 Ａ。

錯誤情境認知：把起立情境當成加速度相同的加速運動。

如圖 ６所示，在學生頭部、腰部、小腿處各放上一個手機，打開 Pｈｙｐｈｏｘ 軟件測加速度，讓學生加速起立，結果如圖７ 所示，頭部和腰部的加速度明顯大于小腿處的加速度。

原因分析：通過起立錄像回放對比發現，身體各部分運動時間相等，運動距離的不同將決定其加速度的大小，因此體重計的讀數應該略小于７０ kｇ。

6 指向高階思維的物理自創實驗反思

指向高階思維的學習課堂要根據“主體優先，建構思維”的原則，創設“學科”與“情境”相融合的實驗，體現“立足主體地位，探尋學科本質，感悟科學方法”的學習過程。本文以“超重和失重”為例，立足于自創實驗，針對不同類型的認知沖突，分別采用喚醒、凸顯、激活、內化的策略，充分發揮學生的主體作用，讓學生自己發現問題：認知的不足、情境理解的不合理、概念的不清、規律和方法的欠缺等，通過課堂實踐，明顯提升了超重和失重概念的教學效果，能夠促進學生高階思維的養成，實現高中物理學科育人的價值追求。

參考文獻：

［１］馬淑風，楊向東.什么才是高階思維——以“新舊知識關系建立”為核心的高階思維概念框架［Ｊ］．華東師范大學學報（教育科學版），２０２２，１１（５）：５８－６８.

［２］劉建浩.基于情境認知與學習理論的教學設計——圓周運動［Ｊ］．物理教師，２０１９，４０（７）：３１－３３.

［３］徐將二.基于認知發展機制的過程設計——以“胡克定律”為例［Ｊ］．物理教師，２０１８，３９（８）：２７－３１.

（欄目編輯 趙保鋼）

收稿日期：2024-07-22

作者簡介：朱銀智（1983-），男，中學高級教師，主要從事高中物理教學工作。