侧重学生思维发展的科学探究教学——以苏科版初中物理“探究杠杆的平衡条件”教学为例

江苏省木渎高级中学（215101） 陈 华

科学探究是人类探索和了解自然、获得科学知识的方法，也是学生学习科学的主要方式之一。科学探究教学为学生提供充分的探究学习机会，逐步培养学生收集和处理科学信息的能力、获取新知识的能力、分析问题和解决问题的能力以及交流与合作的能力，让学生形成尊重事实、善于质疑的科学态度［1］。

初中物理教材根据初中生的思维特点将科学探究列入“课程内容”，引导学生参与教学过程，让学生经历与科学工作者相似的探究过程，主动获取物理知识，领悟科学探究方法，发展科学探究能力，体验科学探究的乐趣，养成实事求是的科学态度和勇于创新的科学精神。科学探究教学注重培养学生的学习能力、创新精神、实践能力以及批判性思维和创造性思维能力。因此，初中物理科学探究是一个学习过程，是一种学习方式和科学研究方法，是一种学习科学知识、发展科学思维、形成科学态度的手段和途径，还是一种综合的、关键的科学能力和素养。

一、科学探究的要义

依据《义务教育物理课程标准（2011 年版）》，科学探究包含提出问题、猜想与假设、设计实验与制订计划、进行实验与收集证据、分析与论证、评估、交流与合作等要素［2］。提出问题要从实验现象出发；猜想与假设是基于部分事实得出的不确定的结论，需要经验事实支撑；设计实验是为了寻找证据，使结论更可靠；收集证据和交流评价需要尊重证据和进阶评价，在证据走向主张的过程中，使思维得到不断进阶。

深思科学探究过程，可以将科学探究归纳为问题、证据、解释、交流这四个方面。结合近年来思维进阶的研究成果，科学探究的要义可以设计为问题、证据、评价，同步思维进阶的范式如图1 所示。物理前概念的形成是学生思维发展的第一层境界，这个阶段学生受经验影响较大，思维波动性强，处于人云亦云、缺少独立见解的阶段。科学探究要素中“提出问题”“猜想与假设”是学生思维第一层境界的表征。发现不同，纠正错误前概念，建立科学概念，是学生思维的第二层境界，这个阶段需要学生学会思考，形成自己的思考方法。科学探究要素中“设计实验与制订计划”“进行实验与收集证据”是学生思维第二层境界的状态。取长补短，完善认知，巩固概念，是思维的第三层境界，这个阶段需要学生学习经典思维模型并灵活应用。科学探究要素中“分析与论证”“评估”“交流与合作”是学生思维第三层境界的修炼。创造、创新是学生思维发展的第四层境界，这个阶段需要学生建立自己的思维模型，构建思维体系。化繁为简是学生思维发展的第五层境界，这个阶段需要学生用思维体系去解决问题［3］。科学探究过程中领悟到的方法、发展的能力、养成的科学态度和科学精神不同程度升华着学生思维的第四、第五层境界，影响着学生发现问题、提出问题的意识和能力。

图1

二、科学探究教学案例与诠释

以“探究杠杆的平衡条件”（苏科版教材九年级上册第十一章“简单机械和功”）教学为例。

师：杠杆静止或匀速转动，我们就说此时杠杆处于平衡状态。如图2和图3所示的跷跷板就都处于平衡状态。（感官与物理现象的实际接触是从生活走向物理的表现，也是顺应学生思维的开始。）

图2

图3

师：影响杠杆平衡的因素有哪些呢？（降低教学起点，在真实的情境中启发学生思维。）

生1：与作用在杠杆上的力的大小有关。

生2：与作用在杠杆上的力的方向有关。

生3：与作用在杠杆上的力的个数有关。

生4：与力到支点的距离有关。

生5：与力的作用点到支点的距离有关。

（上述教学中，提问接地气，猜想有依据，故能激发学生的学习兴趣，调动学生的学习积极性。学生进入课堂前或多或少地了解过相关物理现象，已经具有一些经验和认知，通过设问和追问唤醒学生的经验，鼓励学生结合已知进行推测，根据学生的回答判断学生学习的起点。）

师：二力平衡要满足一定的条件，杠杆平衡是不是也要满足一定的条件？（类比教学，唤起同理心，激发求知欲。）

生：那是肯定的。（知识认同转向教学认同。）

师：那么，杠杆平衡的条件是什么呢？（问题之所以成为问题，可能是因为认知冲突，也可能是认知的升级需要，所以提出问题要尊重学生的思维起点和认知逻辑。）

生1：可能是“两个力大小相等”。

生2：可能是“动力×支点到动力作用点的距离=阻力×支点到阻力作用点的距离”。

生3：可能是“动力+支点到动力作用点的距离=阻力+支点到阻力作用点的距离”。

生4：可能是“动力+动力臂=阻力+阻力臂”。

生5：可能是“动力×动力臂=阻力×阻力臂”。

（猜想是基于部分事实的不确定结论，是对发现的解释，与学生的经验、前概念和能力有关，猜想不是假想，更不是瞎想，要有一定的经验基础和社会事实支撑，适当的时候可以对猜想进行追问，追问依据或理由是什么。）

师：如何得到杠杆平衡的条件呢？（感性认识与认识对象之间是直接的，具有直接性；理性思维是认识主体通过抽象思维对感性材料进行加工而获得的，它与认识对象之间是间接的，具有间接性。）

生：设计实验，寻找证据。（怎样把一个新颖的理念转化为实践操作的力量是教师需要思考的问题；在制订计划、设计实验时应把发现问题和解决问题的权力交给学生；在探究教学的过程中找到切入点。）

师：如何设计实验？需要哪些器材？如何进行实验？（设计实验是研究方法，也是一种动手能力。通过设计、改进、优化，寻找证据，发展学生的思维。）

生1：找一把带刻度的直尺当杠杆，悬挂钩码施加作用力，改变钩码的个数，改变作用力的大小，改变钩码的悬挂位置，改变力的作用距离。（从跷跷板中抽象出杠杆模型，是从具象到抽象的过程，是科学思维的进阶。力的变化转化为钩码的个数，距离的改变转化为悬挂位置的改变，这是教学的回归，是从生活走向物理的过程。）

生2：一边挂钩码，一边可以用弹簧测力计施加拉力，因为钩码对杠杆只能施加竖直向下的拉力，而弹簧测力计可以施加不同方向上的拉力，如图4所示。（用弹簧测力计代替钩码对杠杆施加拉力，便于学生认识力臂，知道力臂是支点到力的作用线的距离，而不是支点到力的作用点的距离。实验创新可以是方法创新，也可以是器材创新。）

图4

生3：改变动力、阻力、力的作用点和力的方向，进行多次实验，避免实验结论的偶然性。（多次实验不是重复实验，要变换实验维度，尽可能地多考虑实验证据的可能性，使结论具有一般性。）

师：我们动手做实验前，杠杆的自重需不需要考虑？（设计实验时，关注点在主要因素和关键内容上，偏理想化一些，一旦实验方案具体化，一些实际问题就会随之出现。消除实验器材自身带来的影响是实验证据可靠的保证。）

生：支点两侧不等重时，杠杆不会静止。（学生受经验影响做出的判断是感性的，制造认知冲突才能突破前概念的约束。）

师：是这样吗？让我们动手做实验，让杠杆两边不等长，即重心偏离支点，看杠杆能否静止，判断杠杆能否处于平衡状态。（实验时有意让杠杆从水平位置释放，让学生看到杠杆从水平位置发生转动，最终杠杆也能静止。学生在惊讶的同时，也会产生顿悟：重心偏离支点，重力会使杠杆转动。但是，当重心过支点时，杠杆的重力与支点对杠杆的支持力会平衡。）

生：不挂重物时，让杠杆的重心过支点，杠杆的重力对杠杆的转动没有影响了吗？

师：如果杠杆在水平位置上没有发生转动说明什么？（将任务镶嵌在问题中，发现不同是纠正前概念、建立新概念的关键。）

生：说明重心过支点，就可以消除杠杆重力对杠杆平衡探究实验的影响了。（发现学习是最有效的学习方法，符合学生的思维进阶规律。学生通过参与实验设计和实验评价，不断纠正错误的前概念，建立正确的认识，形成自己的思考方法，获得新知。）

师：通过给杠杆加平衡螺母，调节平衡螺母位置使杠杆在水平位置平衡不就是消除杠杆重力对实验的影响吗？（实验的设计可以不断完善，要尊重学生的元认知和思维发展规律。）

生：调节托盘天平横梁上的平衡螺母也是消除横梁重力对实验的影响。

师：消除了杠杆重力对实验的影响，现在我们通过加挂钩码、调整钩码的悬挂位置来探究杠杆的平衡条件，如图5所示。（杠杆静止在不同位置都是平衡的，由一般到特殊，提供经典思维模型更符合学生的认知习惯。先演示杠杆不在水平位置平衡的情况，让学生根据实验数据寻找杠杆平衡的规律。首先让学生认识杠杆平衡条件与二力平衡条件是不同的；其次让学生认识到杠杆平衡不仅仅与力的大小有关，还与距离有关。）

图5

生：杠杆的平衡条件是“动力乘以动力作用点到支点的距离等于阻力乘以阻力作用点到支点的距离”。（用钩码探究杠杆的平衡条件得出这个结论是正常的，也是学生在分析实验数据基础上得出的实验结论，是学生的重要发现，也是他们概括思维的体现。虽然离正确的结论还有一段距离，但教师也要给予一定的肯定；通过追问“你是怎么得出结论的”，鼓励学生进行自我评价和相互评价。）

师：我们把一侧的作用力换成弹簧测力计的拉力来验证刚才得出的结论是否正确。（变“探究”为“验证”是对学生得出结论的尊重。钩码对杠杆的拉力只能竖直向下，有局限性，用弹簧测力计代替钩码，变特殊为一般。）

生：弹簧测力计竖直向下拉时，动力乘以动力作用点到支点的距离仍然等于阻力乘以阻力作用点到支点的距离；当弹簧测力计斜拉时，动力乘以动力作用点到支点的距离不等于阻力乘以阻力作用点到支点的距离。（竖直向下拉变为斜拉，力的作用点没有改变，力臂却发生了改变，启发学生进一步探究力与力臂乘积的关系。以学习的方式呈现评价，用基于思维进阶的分析继续探究。）

师：对比竖直向下拉和斜拉，对于杠杆，除了力的大小发生了变化，力臂也发生了变化，如图6 所示。既然“动力乘以动力作用点到支点的距离不总是等于阻力乘以阻力作用点到支点的距离”，我们不妨探究“动力乘以动力臂和阻力乘以阻力臂的关系”。（先探后教，先学后教，既可以激发学生的学习兴趣，触发学生思维，又能暴露学生的前概念，便于教师进行精准教学。）

图6

生：当拉力的方向为竖直向下时，如果杠杆不在水平位置平衡，测量力臂不方便，如图7 所示。如果保持杠杆在水平位置平衡，力臂就是力的作用点到支点的距离，可以直接读出力臂的大小。（把发现的权力还给学生，可以培养学生的独立思维和科学解决问题的能力。通过过程评价，提升学生解释证据的能力。）

图7

师：杠杆在水平位置平衡时，测量竖直拉力的力臂比较方便，杠杆在其他位置静止也可能是平衡的，那么，杠杆的平衡条件应该是什么呢？（“学生说错不是错，不让学生说才是错”，“怕学生出错的课不是好课，让学生暴露问题的课才是好课”。）

生：杠杆的平衡条件应该是“动力乘以动力臂等于阻力乘以阻力臂”。（思维主要是抽象概括与逻辑分析的一种认知过程，它是学生接受知识、发现知识和建构知识的基本前提。）

师：杠杆的平衡条件是“动力乘以动力臂等于阻力乘以阻力臂”，为什么开始实验时可以得出“动力乘以动力作用点到支点的距离等于阻力乘以阻力作用点到支点的距离”的结论？（学科知识绝不是展现教材现成的结论和论证，而是重在揭示隐含在其中的精彩而又独特的思维过程，并引导学生深入到学科知识的发现和再发现中去［4］。）

生：通过画图，结合数学知识发现动力臂和阻力臂之比正好等于动力作用点到支点的距离与阻力作用点到支点的距离的比，如图8 所示。（学习的过程必定是思考的过程。把教材上的智慧转化为自己的智慧，学生才能真正理解和掌握学科知识。）

图8

师：利用现有的实验器材，动手验证“杠杆的平衡条件”。（物理教师必须明确教给学生什么知识，让学生学到什么，能做到师退生进，真正把主动权交给学生，把发现问题的权力交给学生，让物理课曲径通幽，引人入胜。教师教给学生的是思维，不是结论；收获的是智慧，不是呆滞；培养的是学生，不是考生。）

三、科学探究：物理课堂的理性教学

理性与感性相对，理性是成长的需要，是成熟的标志。感性是认识的低级阶段，是理性认识的基础。物理教学从认识物理现象开始，到揭示物理规律，再到物理应用，就是引领学生从感性到理性，形成必备品格和关键能力的过程。

理性教学的目标是把学生培养成具有独立思考能力和科学思维能力的人。理性教学主张有思维进阶，其核心目标就是在教学中渗透基于过程和思考的科学思维的培育。基于理性的学，需要涵养性情，在丰富感性认识的同时通过抽象思维对感性材料进行加工，从现象中揭示本质，从偶然性中揭示必然性，完成认识过程的一次飞跃。

科学探究教学通过创设情境，在丰富学生感官的同时引发学生思考，进而让学生发现并提出问题；通过设计实验、制订计划，重视学生个体思维的不平衡性，从培养“感觉”开始，激发学生探究的兴趣和热情，使学生自觉成为学习的主体；通过实验并收集证据，获得真实的体验，得到真切的感悟和理解，促进学生能力提升；通过分析、论证和交流评估，把发现问题的权力交给学生，将评价任务与思维进阶融合在一起，学生会对他人的论证方式产生反应，会根据外界评价不断地进行自我调整，从而养成实事求是的科学态度和科学精神；在解释证据的过程中，学生会感受到用物理科学方法理解大自然的美好，在评价中树立基于证据的科学论证和推理，培育出具有独立判断能力和思考能力的理性人［5］。

四、结束语

传统教学减少了学生的思维参与，学生无须思考，只需听讲和死记硬背就能掌握知识。通过不同类型的问题，引导学生讨论、探求解题的方法，然后再通过反复练习加以巩固，以应对考试时同类型的解答。但这种教学不是培养“思路”，而是培养“套路”；不是让学生掌握思维规律，而是使学生形成思维定式，实际上，这是对学生智慧的扼杀。

科学探究既是学生的学习目标，又是重要的教学方式。科学探究的形式是多种多样的，在学生的科学探究中，可涉及所有的要素，也可只涉及部分要素。科学探究遵循学生认知规律和思维发展规律，是构建理性课堂的重要形式。

科学探究立足于改善学生的思维品质，是符合学生年龄特点的，是基于思维层级论和进化论而产生的思维进阶实践。关注学生的思维差异，重视个体思维发展的不平衡性，表现为重视个体的思维品质、思维水平，包括个体的先天和后天发育的差异。在实际教学中，教师应从丰富“感官”开始，激发学生探究的兴趣和热情，使学生成为学习的主人。科学探究不以机械训练的方式训练学生的思维，而是把教学变得有趣、快乐，把学生的知识学习与技能培养相融合，将知识学习和情感态度与价值观教育相融合。