采用“三单联动法”助力实验教学，促进思维进阶

【摘要】思维进阶是物理学习的关键过程，高效的思维引导路径能有效地增强教学效果．但在当前高中实验教学中，关注思维进阶的教学设计较为缺乏.本文基于已有教学模式，提出以预习导学单、实验操作单、拓展创新单为学习辅助材料的“三单联动法”，助力高阶思维的培养，引导学生进行深度学习，发展高阶思维，取得较为理想的效果.

【关键词】高中物理；实验教学；机械能守恒

1 思维进阶的内涵

美国教育家布卢姆将思维过程从认知角度细分、具体化为６个教学目标，即记忆、理解、应用、分析、评价和创造，其中记忆、理解、应用是低阶思维，是较低层次的认知水平，主要是学习事实性知识或完成简单任务的能力；分析、评价和创造为高阶思维，是发生在较高认知水平层次上的心智活动或认知能力［１］．《普通高中物理课程标准》提出的物理学科核心素养中，科学思维是基于经验事实建构物理模型的抽象概括过程；是分析综合、推理论证在科学领域的具体运用；是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论质疑和批判，进行检验和修正，进而提出创造性见解的能力和品格［２］.由此可见，促进中学生思维进阶既是国家教育改革的方向，也应该是物理学科教学重点关注的内容.因此，本文结合“验证机械能守恒定律”教学设计，探索如何将思维进阶真正落实到高中物理课堂教学中.

2 基于思维进阶的教学模式

在常规的物理实验教学中，教师一般要先对实验的原理进行讲解，学生带着课本中的实验方案走进实验室，在小组学习的模式下按部就班地完成实验操作，对实验数据进行处理，得出实验结论，整体来看，这样的学习过程是被动的.在这种教学模式中，学生通过对课本的阅读和题目的练习能够完成对知识的记忆，也能基本理解教材中原实验的原理，但对实验步骤的分析较少，理解程度较低，几乎不涉及对实验方案的评价，更谈不上自己设计实验对规律进行验证，而且学生还表示在实验过程中会遇到自身无法解决的实际操作问题，由于学生人数较多，教师不一定能及时进行帮助.

为了消除常规教学模式的弊端，本研究提出采用“三单联动法”助力实验教学，促进学生思维进阶.“三单联动法”指在教学活动开始之前学生使用预习导学单自主学习，在实验过程中使用实验操作单进行实验操作和思考，在完成实验后使用拓展创新单拓宽视野，启发深度思考，加深对知识的理解程度.

3 基于思维进阶的教学过程及分析

“实验：验证机械能守恒定律”一节是学生在高中阶段第一次接触到“守恒”这一概念，这是物理观念中能量观这一要素的一项重要内容，也是分析、研究物理问题的一个重要思想方法，对后续能量守恒、动量守恒、电荷数守恒等知识的学习都有一定的引领作用.虽然在之前的学习中学生已经对研究对象的选择和系统机械能是否守恒有了一定认识，但对这些知识并没有亲身的体验，即思维上质疑和寻找证据论证的过程还没有实际发生，为了完成核心素养的落实和学生思维的进阶，有必要认真研究教学过程，以达到更好的教学效果.

3.1 预习导学单

为了让学生明确本节课学习的目标，教师应将课程标准中“教”的目标转化告知为学生“学”的目标，课程标准中对该部分知识的要求为“通过实验，验证机械能守恒定律”.对于学生来说过于空泛，没有能够对照检验自身是否学会的抓手，因此教师可以在预习导学单中设立如下教学目标：①能叙述课本中的两种实验思路，说出必要的实验器材；②能按步骤进行实验操作，收集到实验数据，根据实验数据的分析得出实验结论，实验误差不超过5%；③能说出产生实验误差的原因，尝试提出减小误差的实验方案.

教材首先复习了机械能守恒的条件，将实验的方向确定在了动能和重力势能的转化上，通过问题引出三个常见的机械能守恒的情境：自由落体、光滑斜面上物块的下滑、被细线悬挂小球的摆动.通过对三个情境的分析，确定需要测量的物理量和实验的原理，并且给出了两个实验的方案.如果学生直接阅读课本进行预习，前文中提出的问题在还未思考时就已经在后文的阅读中得到了答案，并未促使学生较为深入地思考，学生的思维仍然处于较为被动的状态，为了促进学生思维的运转，在预习单中应转“叙述”为“疑问”，将问题的答案暂时隐藏起来，引导学生思考.

3.2 实验操作单

虽然在进行实际操作之前学生已经学习了实验原理、实验步骤和注意事项，但是学生不会将以上内容立刻记忆完毕，在实验进行的过程中经常会忘记接下来应该做什么，教师不一定能立刻对学生进行指导，为了帮助学生顺利地完成实验，可以给学生发放实验操作单.为了引导学生思考实验操作的必要性和如此做的原因，教师还可以在实验操作单上设置问题，引导学生进行思考，深入学习.编制预习导学单如下：

8.5实验：探究机械能守恒定律实验操作单

【实验器材】

图1

铁架台（带铁夹）、电磁打点计时器、低压交流电源（4～6 V）、重物、毫米刻度尺、纸带（带夹子）、复写纸片、导线．

【实验步骤】

1．安装置：按图、将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上，接好电路．

2．打纸带：将纸带的一端用夹子固定在重物上，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时器的地方．先接通电源，后松开纸带，让重物带着纸带自由下落．更换纸带重复做3～5 次实验．

3．选纸带：选取点迹较为清晰且有两点间的距离约为2 mm 的纸带，把纸带上打出的两点间的距离为2 mm的第一个点作为起始点，记为O，在距离O点较远处再依次选出计数点1，2，3，….

4．测距离：用刻度尺测出O点到1，2，3，…的距离，即为对应下落的高度h1，h2，h3，….

【问题与思考】

1.为了尽可能控制实验满足机械能守恒的条件，应尽量减小各种阻力的影响，可以采取的措施有什么？

2.若纸带前端打点过多无法看清，应如何对实验过程进行调整？

3．计算纸带上某点速度时能否使用v＝gt或v＝2gh进行计算？

3.3 拓展创新单

大部分学生在教师、教材、实验操作单的帮助下可以完成实验，对机械能守恒定律进行验证，此时学生已经达到了课程标准的基本要求，为了促使学生思维进阶，教师还需要继续设置问题，引导学生思考.通过学生自己的动手实践和观察，以及实验操作单中设置的问题学生已经意识到纸带和打点计时器间的摩擦是误差的主要来源，而且重物带动纸带下落与打点计时器摩擦是无法完全避免的，因此为了得到更加精确的实验结果，就需要对实验方案进行优化.由于在之前的学习过程中学生知道使用气垫导轨可以有效地减小摩擦带来的影响，而且课本也给出了光滑斜面下滑的实验方案，但课本方案在实际操作中存在滑块下落高度不易测量的困难，此时可以引导学生思考如何在课本方案的基础上加以改进，克服下落高度不易测量的困难.学生结合之前探究合外力、质量与加速度关系的实验，经过思考后可以提出图2所示的实验方案，该方案可以用刻度尺轻松地测量出两光电门的间距，即槽码下降的高度，通过光电门可以较为准确地计算出滑块的速度，该方案的实验误差相对较小，而且实验原理易于理解，实验操作简单，适合高中生进行探究.

图2

图3

除上述问题，教师还可以给出其他创新实验方案，让学生根据实验方案的图像分析实验原理，思考其他方案的优缺点，例如图3所示的实验方案即可作为学生分析的素材.该方案的实验步骤为：①将质量相等的两钩码A和B通过定滑轮悬挂，在B下方悬挂一钩码C，在钩码A下方固定纸带；②打开打点计时器，释放钩码；③选取足够长且点迹清晰的纸带，选择2个足够远的点并测量两点间距，计算出两点的速度；④比较系统增加的动能和C减小的重力势能.该方案的特点在于研究对象较多，学生在分析时会因为研究对象的混淆而感到困惑，由于A与B的质量相等，则B减小的重力势能与A增加的重力势能相等，即A与B的重心位置未发生变化.通过该方案的学习可以有效地锻炼学生的思维能力，促进学生的思维进阶.

经过对上述实验方案的学习后，学生对验证机械能守恒的方法已经有了基本的认识，为了加深学生的理解，培养学生的评价意识和能力，教师可以要求学生使用思维导图的形式对各个实验方案进行总结，说出各个方案的优缺点，然后对学生总结的成果进行补充和点评.

4 结语

从教学方式上看，“三单联动法”结合了问题导学、操作指导、思维导图等多种教学方式，具有丰富课堂教学形式，能有效锤炼学生思维；从教学流程上看，该教学模式层层递进，从复习到教材阅读，再到实际操作与反思；最后以思维导图的形式进行总结，学生的思维水平在此过程中得到不断发展与提升.因此，该教学模式对当前高中物理教师培养学生高阶思维的教学设计具有一定借鉴意义.第一，基于高阶思维培养的物理实验教学设计应该结合多种教学方式，丰富课堂教学形式，适当融入各种思维活动，发挥物理实验的优势，让学生在思考与探究中发展其决策能力、问题解决能力、创造能力；第二，基于高阶思维培养的物理教学设计应该注重实际物理问题的解决，只有学生将物理知识真正应用于实际生活或科技问题情境中时，学生对于物理知识的理解才能更加深入，学生的问题解决能力等物理高阶思维能力才能得到进一步提升.

【本文系陕西省“十四五”教育科学规划2023年度课题《基于科学思维进阶的高中物理实验教学研究》的研究成果，课题批准号： SGH23Y0983】

参考文献：

［1］夏丽.高中物理实验探究课的线上教学探索——以“探究单摆的周期公式”为例［J］.物理教学，2022，44（11）：28-30+27.

［2］喻奇林，徐欢欢，阮享彬.物理课堂中“问题链”构建策略——以“大气压强”教学为例［J］.物理教学，2022，44（09）：35-37+21.

［3］黄红锦.关注实验教学，培养科学素养——浅谈高中物理实验优化教学的举措［J］.广西物理，2022，43（03）：139-141.