基于思維進(jìn)階的高中物理實驗教學(xué)策略探究

摘要：實驗是探究科學(xué)最主要和最有效的方式，科學(xué)領(lǐng)域中幾乎所有的概念、定理、規(guī)律和公式都是從實驗中提煉和總結(jié)而來的。對一些抽象的概念、定理和規(guī)律，實驗也能做出具象的說明和解釋，所以，在科學(xué)類課程的課堂教學(xué)實踐中，實驗也是一種重要的教學(xué)載體，教師需要綜合課程教學(xué)的實際需要設(shè)計實驗與開展實驗教學(xué)，結(jié)合演示實驗或動手實驗來教學(xué)，為學(xué)生提供一個親眼觀察和親身體驗實驗的機(jī)會。文章主要圍繞思維進(jìn)階下的高中物理實驗教學(xué)展開，對思維進(jìn)階和實驗教學(xué)在發(fā)展高中生思維層面的優(yōu)勢做了介紹，探究了思維進(jìn)階下高中物理實驗教學(xué)的進(jìn)階路徑和開展策略。

關(guān)鍵詞：思維進(jìn)階；高中物理；實驗教學(xué)；開展策略

中圖分類號：g633.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼：a文章編號：1673-8918（2025）05-0128-04

經(jīng)過小學(xué)和初中的積累與鍛煉，高中生已經(jīng)基本形成了自主探究和獨(dú)立思考的能力，也更需要以自主探究和獨(dú)立思考為主體的教學(xué)實踐。而對高中物理教師來說，在以學(xué)生為中心的基本原則下開展實驗教學(xué)，既能迎合學(xué)生思維、認(rèn)知與能力發(fā)展的實際需要，又能滿足學(xué)生在課上發(fā)揮個人價值與作用的實際需求，對學(xué)生個人的成長和發(fā)展提供重要助力。所以，教師應(yīng)當(dāng)從多個不同的角度出發(fā)，全面、多元且深入地探究實驗教學(xué)的開展路徑。多角度推進(jìn)高中物理實驗教學(xué)的進(jìn)階，以更契合當(dāng)下時代學(xué)生真實水平與實際需要，促進(jìn)學(xué)生思維進(jìn)階，進(jìn)而實現(xiàn)促進(jìn)學(xué)生個性成長和全面發(fā)展的育人目標(biāo)。

一、 思維進(jìn)階概述

人的思維發(fā)展大致可以劃分為六個階段，由低到高分別是感知階段、理解階段、應(yīng)用階段、分析階段、創(chuàng)新階段和洞察階段，其中，感知是思維的最初階段，指向的是通過感官來直接獲取環(huán)境信息的思維活動；理解是感知的進(jìn)階，指向的是對感知到的信息進(jìn)行的加工；過程可以概括為通過歸納、推理等方式建立理解；應(yīng)用是理解的進(jìn)階，指向的是帶入信息與理解的問題思考與問題解答；分析是應(yīng)用的進(jìn)階，指向的是在有邏輯的推理下對不同事物、不同信息間關(guān)系的研究；創(chuàng)新是分析的進(jìn)階，指向的是基于已有事物和概念進(jìn)行的創(chuàng)造，新觀點、新方法或新產(chǎn)品都是創(chuàng)新的產(chǎn)物；洞察則是創(chuàng)新的進(jìn)階，也是思維的最高階段，指向的是對事物本質(zhì)和長遠(yuǎn)發(fā)展的前瞻性考量與判斷。而思維進(jìn)階其實就是人在認(rèn)知外部事物過程中，思維由低層向高層、由表層向內(nèi)里的逐步進(jìn)階，最終指向的就是包含分析、綜合、評價和創(chuàng)造在內(nèi)的高階思維及高階思維活動。

二、 實驗教學(xué)在發(fā)展高中生思維層面的優(yōu)勢

物理學(xué)是自然科學(xué)下主要研究物質(zhì)運(yùn)動規(guī)律和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的分支，物理學(xué)中有著一系列涉及五大領(lǐng)域的實驗，基礎(chǔ)教育中物理學(xué)科需要開展的實驗教學(xué)主要是運(yùn)動學(xué)實驗、力學(xué)實驗和電學(xué)實驗，實驗類型不同，探究的方式和主要探究的問題類型也不同，但不管是哪一領(lǐng)域下何種形式的實驗，在教學(xué)視域下都具備發(fā)展學(xué)生探究思維、創(chuàng)造思維和協(xié)作思維的優(yōu)勢，所以在培養(yǎng)學(xué)生思維的目標(biāo)與追求下，教師應(yīng)當(dāng)在課上落實實驗教學(xué)。

（一）有助于發(fā)展學(xué)生探究思維

探究思維的實際體現(xiàn)包含主動探究的意識、用探究的方式來解決問題的意識、在探究中了解事物完整樣貌的意識，以及通過探究來建立更全面、更完整的科學(xué)認(rèn)知的思維能力。而實驗就是科學(xué)探究的一種主要方式，所以實驗本身也可以是探究思維的一個表現(xiàn)平臺，探究思維能驅(qū)動學(xué)生依托實驗的探究行為，在實驗中思考探究也是學(xué)生積累知識、認(rèn)知和經(jīng)驗的一種有效方式，所以在這一視角下，實驗教學(xué)對發(fā)展高中生思維的優(yōu)勢就體現(xiàn)在發(fā)展探究思維的助力上。

（二）有助于發(fā)展學(xué)生創(chuàng)造思維

創(chuàng)造思維是一種高階思維，指向的是對舊事物的創(chuàng)新，同時也指向?qū)π率挛锏膭?chuàng)造，而創(chuàng)造這種行為本身就是人類身上十分典型的一種自主行為，人類社會的建構(gòu)和發(fā)展都源于創(chuàng)造，也都建立在持續(xù)不斷的創(chuàng)造之上。而站在個人發(fā)展的視角下，創(chuàng)造也是能推動個人個性成長和全面發(fā)展的一種有效行為。所以，在新時代的育人要求下，教師應(yīng)當(dāng)更注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造思維。基于此，實驗教學(xué)在發(fā)展高中生思維層面的又一優(yōu)勢就在于有助于發(fā)展創(chuàng)造思維。

（三）有助于發(fā)展學(xué)生協(xié)作思維

實驗教學(xué)是一種具備實踐屬性和合作屬性的教學(xué)活動，看重學(xué)生在課堂上的動手操作，也看重學(xué)生在動手操作實驗過程中的分工協(xié)作，大部分需要學(xué)生動手的實驗教學(xué)活動都采取了小組合作探究的實踐方式，學(xué)生不僅需要在操作實驗和探究實驗現(xiàn)象時分工協(xié)作，也需要在總結(jié)實驗結(jié)論時積極地討論、分享和交流意見。就學(xué)生個人的成長和發(fā)展而言，這種分工協(xié)作與交流溝通就能起到關(guān)鍵的促進(jìn)作用，所以實驗教學(xué)之于高中生思維發(fā)展的優(yōu)勢也表現(xiàn)為有助于發(fā)展學(xué)生的協(xié)作思維。

三、 思維進(jìn)階下高中物理實驗教學(xué)的進(jìn)階路徑

在教育視域下，思維進(jìn)階理念的提出源于現(xiàn)實世界的不斷發(fā)展和人才需求的持續(xù)變化，新時代需要更多有積累、有素質(zhì)和有能力的人才，因而，教師需要立足進(jìn)階，落實在知識教學(xué)過程中對學(xué)生思維的開發(fā)與培養(yǎng)，而思維進(jìn)階的具體表現(xiàn)就包括多元思維的拓展、批判性思維的形成、創(chuàng)新思維的實踐和系統(tǒng)思維的應(yīng)用。基于此，高中物理教師在開展實驗教學(xué)時，就要注重感性體驗向意識行為，再向探究實驗和高階分析的進(jìn)階。

（一）由感性體驗向意識行為進(jìn)階

感性體驗指向的是基于感覺和直覺的認(rèn)知與理解，建立在感官的真實體驗之上，在實驗教學(xué)中主要指的是基于直接觀察和認(rèn)知建構(gòu)和分析理解。而人的思維模式大致包含兩種，一種是具象思維，另一種是抽象思維，從定位上看，具象思維是基石，抽象思維是延伸，具象認(rèn)知是引導(dǎo)抽象延伸的基礎(chǔ)。基于此，在開展物理實驗教學(xué)時，教師就應(yīng)立足學(xué)生在實驗中對具象問題的呈現(xiàn)，先引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行感性體驗，再基于思維進(jìn)階的需要，引導(dǎo)學(xué)生完成感性體驗向意識行為的進(jìn)階。

（二）由意識行為向探究實驗進(jìn)階

意識行為指的是在特定情境下為達(dá)成某種目的而自覺產(chǎn)生的一種行為，建立在個體因具象而真實的現(xiàn)實產(chǎn)生的意愿和目標(biāo)之上，但對應(yīng)到實驗教學(xué)中，意識行為實際上是一種比較淺顯的思維形式，學(xué)生在操作實驗過程中產(chǎn)生的意識行為是要從實驗探究的問題中抽象出來的，大都停留在制訂初步實驗方案的表層，不涉及對方案可行性的驗證。所以，在思維進(jìn)階的需要下，高中物理教師在開展實驗教學(xué)時，還要注重引導(dǎo)學(xué)生完成由意識行為向探究實驗的進(jìn)階。

（三）由探究實驗向高階分析進(jìn)階

探究實驗指的是沿著既定實驗方案進(jìn)行的實踐探究，對應(yīng)實驗教學(xué)中動手操作實驗的環(huán)節(jié)，教師在課堂上開展實驗教學(xué)的目的主要有兩個：表層目的是深化學(xué)生對知識的理解和鞏固學(xué)生對知識的記憶，深層目的是發(fā)展學(xué)生的思維能力、探究能力和養(yǎng)成學(xué)生的探究精神，不管是表層目的還是深層目的，目的的達(dá)成都建立在學(xué)生親自操作實驗的基礎(chǔ)上。而在思維進(jìn)階的要求下，高中物理教師就應(yīng)當(dāng)基于發(fā)展學(xué)生高階思維的目標(biāo)，在開展實驗教學(xué)時更注重探究實驗向高階分析的進(jìn)階。

四、 思維進(jìn)階下高中物理實驗教學(xué)的開展策略

要推動學(xué)生的思維進(jìn)階，就要先推動學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)的轉(zhuǎn)化，第一是被動學(xué)習(xí)狀態(tài)向主動學(xué)習(xí)狀態(tài)的轉(zhuǎn)化，第二是淺層學(xué)習(xí)向深度學(xué)習(xí)狀態(tài)的轉(zhuǎn)化，不管是被動學(xué)習(xí)和主動學(xué)習(xí)，還是淺層學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)，立足點都在于對學(xué)生學(xué)習(xí)體驗和學(xué)習(xí)沉浸感的提升，教師需要先活躍學(xué)生思維和引導(dǎo)學(xué)生思考，然后再借助循序推進(jìn)的思維活動來開發(fā)學(xué)生的思維和推動學(xué)生的思維進(jìn)階。具體到實踐中，在思維進(jìn)階下開展高中物理實驗教學(xué)時，教師要先借助真實實驗情境來引導(dǎo)學(xué)生深入探究，再借助小組實驗討論來引導(dǎo)學(xué)生的思維碰撞，之后，借助實驗闖關(guān)比賽來引導(dǎo)學(xué)生的多元思考，最后，借助虛擬現(xiàn)實實驗來引導(dǎo)學(xué)生的自主創(chuàng)造，以驅(qū)動和促進(jìn)學(xué)生的思維進(jìn)階。

（一）以情境為輔助，在真實實驗情境中引導(dǎo)深入探究

情境是教學(xué)的一種輔助工具，也是能具象呈現(xiàn)抽象知識的一種輔助工具，對情境的科學(xué)創(chuàng)設(shè)與合理利用對提升教學(xué)效率和有效性都有著積極的意義，在情境的輔助下，教師能最大限度地調(diào)動學(xué)生探究的積極性和主動性，而這就更有助于學(xué)生的思維進(jìn)階。所以，高中物理教師在開展實驗教學(xué)時需要以情境為輔助，在真實實驗情境中引導(dǎo)學(xué)生深入探究。

以人教版高中物理必修一第二章第一節(jié)“實驗：探究小車速度隨時間變化的規(guī)律”的教學(xué)為例，這一章主要是對勻變速直線運(yùn)動的研究，第一節(jié)的實驗?zāi)軒椭鷮W(xué)生更快地建立對勻變速直線運(yùn)動的基本認(rèn)知，也能更恰當(dāng)?shù)匾鲋髮Α八俣扰c時間的關(guān)系”和“位移與時間的關(guān)系”的研究，從學(xué)生思維認(rèn)知的發(fā)展情況和在實驗中的動手能力來看，這一實驗也是學(xué)生有能力在小組協(xié)作中自主完成的實驗。所以，高中物理教師在課堂上的實驗教學(xué)就需要從“探究小車速度隨時間變化的規(guī)律”的實驗開始。而在思維進(jìn)階的要求下，教師要綜合勻變速直線運(yùn)動概念的生活應(yīng)用來創(chuàng)設(shè)情境，比如，電梯的上下運(yùn)動，電梯是一種便捷的上下樓工具，對電梯速度的設(shè)置既要考慮到所需花費(fèi)的時間，也要考慮到人身體的承受能力，尤其是老年人。借助帶入電梯運(yùn)動情境的探究實驗，教師能引導(dǎo)學(xué)生主動展開對“為什么在設(shè)置電梯運(yùn)行速度時要使轎廂的運(yùn)動呈勻變速直線運(yùn)動的狀態(tài)”這一問題的探究，然后再借著對問題的深入探究來發(fā)展學(xué)生的思維。

（二）以小組為單位，在實驗討論中引發(fā)思維碰撞

學(xué)生是課堂的主體，以學(xué)生為中心是課堂教學(xué)的基本原則，而學(xué)生主體在課堂教學(xué)中的體現(xiàn)主要在于為學(xué)生提供更大的探究空間、更多的探究機(jī)會，以及為學(xué)生的自主探究提供必需的支持與指導(dǎo)，以便于更高效地推動學(xué)生的思維進(jìn)階。所以，高中物理教師在開展實驗教學(xué)時還需要以小組為單位，借助實驗討論來引發(fā)學(xué)生的思維碰撞。

以人教版高中物理必修一第四章第二節(jié)“實驗：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的教學(xué)為例，這是一個力學(xué)實驗，實驗中存在著三個變量，而學(xué)生就需要使用控制變量法來探究加速度與力、質(zhì)量之間的關(guān)系，以引出對牛頓第二定律的探究。在實驗中，學(xué)生需要準(zhǔn)備打點計時器、紙帶、小車、繩、天平、一端帶定滑輪的長木板和墊木、砝碼和砝碼盤、刻度尺等工具，并組裝成一個小車兩端分別連接紙帶與砝碼，連接紙帶的一端同時連接打點計時器，連接砝碼的一端需要同定滑輪連成一線的實驗裝置，然后再通過控制質(zhì)量進(jìn)行的多次實驗來得出幾組對比數(shù)據(jù)，以供之后的分析。而在完成實驗操作和數(shù)據(jù)的收集以后，學(xué)生還需要帶入得到的數(shù)據(jù)來制作對比圖像，并對比數(shù)據(jù)和圖像來展開對“加速度與力、質(zhì)量有什么關(guān)系”這一問題的探究與討論。在此過程中，學(xué)生可以自由發(fā)表自己的想法，而不同學(xué)生基于不同視角下的觀察展開的討論就能引導(dǎo)雙方的思維碰撞，然后教師就可以借這種思維層面的碰撞來推動學(xué)生的思維進(jìn)階。

（三）以比賽為驅(qū)動，在實驗闖關(guān)比賽中引導(dǎo)多元思考

在發(fā)展個體和培養(yǎng)個體成才的視域下，雖然對知識的講解需要遵循嚴(yán)謹(jǐn)和全面的基本原則，但不代表教師只能照著模板設(shè)計同種形式的教學(xué)活動。就實驗教學(xué)而言，更多元和有趣的教學(xué)更利于發(fā)展學(xué)生思維。所以，高中物理教師在開展實驗教學(xué)時也要借實驗闖關(guān)比賽來引導(dǎo)學(xué)生多元思考。

以人教版高中物理必修二第五章第三節(jié)“實驗：探究平拋運(yùn)動的特點”的教學(xué)為例，平拋運(yùn)動是對物體在水平方向上做的勻速直線運(yùn)動和自由落體運(yùn)動的綜合性概括，物體在被平拋出去后，會先在“拋”的動作所提供的力的作用下進(jìn)行一段勻速直線運(yùn)動，然后再受重力的影響完成自由落體運(yùn)動，而從拋出物體開始，到物體落地為止，物體在空中的運(yùn)動軌跡是一條曲線，所以平拋運(yùn)動實際上就是勻變速曲線運(yùn)動，運(yùn)動中物體位移變化的軌跡被稱作拋物線。綜合平拋運(yùn)動的概念和“探究平拋運(yùn)動的特點”這一實驗的過程，教師就可以先向?qū)W生提出一系列與平拋運(yùn)動相關(guān)的問題，諸如“物體在進(jìn)行平拋運(yùn)動時會受到哪些力影響”“在拋出物體時發(fā)力的方式和提供的原始動力會如何影響物體的運(yùn)動軌跡”“是否能根據(jù)拋物線來判斷一個物體的質(zhì)量和物體被拋出時原始動力的大小”“如何根據(jù)拋物線來判斷物體所受不同力的大小”。設(shè)置好問題后，教師先讓各小組自主實驗，再讓學(xué)生用搶答加闖關(guān)的形式回答問題，以此來引導(dǎo)學(xué)生多元思考。

（四）以科技為工具，在虛擬現(xiàn)實實驗中引導(dǎo)自主創(chuàng)造

科技工具是新時代功能最全面、能發(fā)揮價值最大的教學(xué)輔助工具，在高中物理的實驗教學(xué)中，對科技工具的靈活應(yīng)用能助力課堂上的實驗教學(xué)突破傳統(tǒng)教學(xué)局限，也能為學(xué)生自主創(chuàng)造提供更多支持。所以，在開展實驗教學(xué)時，高中物理教師還要以科技為工具，引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)來引導(dǎo)創(chuàng)造。

以人教版高中物理必修二第八章第五節(jié)“實驗：驗證機(jī)械能守恒定律”的教學(xué)為例，機(jī)械能守恒定律指的是“在只有重力或彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)，動能與勢能可以相互轉(zhuǎn)化，而總的機(jī)械能保持不變”，作為物理力學(xué)的一項重要定律，機(jī)械能守恒定律充分地體現(xiàn)了力學(xué)中的能量守恒，“驗證機(jī)械能守恒定律”的實驗就是對“機(jī)械能守恒”的復(fù)現(xiàn)，以“只有重力或彈力做功”為前提，而在學(xué)校的實驗室場景中，學(xué)生在自主操作實驗時很難保證物體系統(tǒng)中只有重力和彈力做功，所以學(xué)生的實驗成功率相對較低。基于這種現(xiàn)狀，教師在思維進(jìn)階下開展實驗教學(xué)時，就有必要利用科技工具開展虛擬現(xiàn)實實驗，擁有強(qiáng)大功能的科技工具能幫助教師創(chuàng)造一個最理想的實驗環(huán)境，在沒有其他不可避免的外力的干擾下，學(xué)生也能更沉浸式地展開對機(jī)械能守恒定律的探究與驗證。與此同時，在以虛擬現(xiàn)實實驗為主體的實驗教學(xué)過程中，學(xué)生也能通過電子互動設(shè)備來同實驗“互動”，這種互動有助于激活學(xué)生思維，也能推動學(xué)生思維進(jìn)階。

五、 結(jié)論

綜上所述，實驗教學(xué)能助力學(xué)生探究思維發(fā)展、助力學(xué)生創(chuàng)新思維發(fā)展和助力學(xué)生協(xié)作思維發(fā)展，而在思維進(jìn)階理念的導(dǎo)向下，高中物理的實驗教學(xué)應(yīng)當(dāng)完成的就是由感性體驗向意識行為，再由意識行為向探究實驗，最后由探究實驗向高階分析的三層進(jìn)階，以更好地培養(yǎng)學(xué)生的高階思維和高階思維能力。從高中物理課堂上實驗教學(xué)的實踐來看，教師在設(shè)計教學(xué)活動時，要先以情境為輔助，借真實實驗情境來引導(dǎo)學(xué)生對物理的深入探究，再以小組為單位，借小組實驗討論來引發(fā)學(xué)生基于問題的思維碰撞，后以比賽為驅(qū)動，借實驗闖關(guān)比賽來引導(dǎo)學(xué)生開闊視野，最后以科技為工具，借虛擬現(xiàn)實實驗來引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用物理知識進(jìn)行自主創(chuàng)造。

參考文獻(xiàn)：

［1］林臻.高階思維在高中物理實驗中的應(yīng)用與培養(yǎng)研究［j］.名師在線，2024（27）：49-51.

［2］郭樹敏.高中物理實驗教學(xué)中促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新思維發(fā)展的策略研究［j］.數(shù)理化解題研究，2024（24）：81-83.

［3］楊發(fā)茂.基于創(chuàng)造性思維發(fā)展的高中物理實驗教學(xué)探研［j］.成才之路，2024（11）：105-108.