指向科学思维显性化的初中物理实验教学例析

【摘" 要】 初中阶段，教师应循序渐进地培养学生的科学思维，在这一过程中，教师教学与学生学习的内在思维活动都应得以显现。科学思维培养的显性化，旨在清晰展现思维的发展轨迹，为优化教师教学策略与增强学生学习能力提供有力支撑。文章以“杠杆的平衡条件”实验探究为具体案例，深入探索并实践初中物理教学中科学思维培养显性化的完整流程，以期为相关教育工作者提供参考。

【关键词】 科学思维；实验探究；物理实验；杠杆的平衡条件

《义务教育物理课程标准（2022年版）》明确指出，科学思维，涵盖模型建构、科学推理、科学论证及质疑创新等核心能力，均是物理课程致力于培养的核心素养。为此，本文以人教版八年级物理下册第12章第1节“杠杆的平衡条件”实验探究为例，旨在探索与实践科学思维培养的显性化路径。

一、表述定性分析，明确实验目的

首先，教师需深入了解学生学情，创设贴近学生生活的教学情境，以激活学生的相关记忆。例如，要求学生利用日常文具用品，自主建构跷跷板模型，进而理解并保持水平平衡的概念。通过绘制简单图示，学生可明确实验目的，聚焦关键因素，忽略次要干扰，探究并揭示影响杠杆平衡的具体因素，以及这些因素间可能存在的关联。在倾听学生表述其做法或想法的过程中，教师不仅能以外在语言规范学生内在的思维流程，还应洞察学生思维发展的难点与障碍，为后续教学难度与进度的灵活调整提供可靠依据。

（一）建构模型，逆向思考

鼓励学生运用已有经验，利用学习用品搭建保持水平平衡的简易跷跷板模型（以下简称“简易跷跷板”）。学生应认识到，破坏与搭建模型平衡的因素是相通的，并能运用已有概念进行表述。

任务一：快速搭建简易跷跷板。

情境：提供1块橡皮、1把直尺。

问题：搭建简易跷跷板的关键点何在？

设计意图：引导学生意识到，即便没有专业的实验室设备，也能进行有趣的物理实验。通过亲手创设实验环境，学生的注意力被迅速从日常生活现象吸引到实验探究中。通过表述“以橡皮为支点，确保直尺左右两侧等长”的搭建思路，学生在调整情绪后迅速进入学习状态。

任务二：破坏简易跷跷板的平衡。

情境：已搭建的简易跷跷板。

问题：如何破坏其平衡？为何这样做？

设计意图：教师观察学生为快速“获胜”而采取的破坏策略，学生通常选择“保持支点（橡皮）不动，向左或向右移动直尺”来破坏平衡。就“为何这样做”的问题，学生回答的不一致性反映了他们对重力、重心等前置概念学习效果上的差异。借此机会，师生共同复习相关知识，为后续的实验探究奠定坚实基础。

（二）变换模型，抓住主次

在简易跷跷板上摞放橡皮的过程中，学生自然而然地聚焦橡皮（主要因素），而将直尺（次要因素）置于次要地位，以此展开实验探究。

任务三：摞放橡皮，简易跷跷板保持平衡。

情境：提供4块规格、大小完全相同的橡皮。

问题：为何摞放橡皮后简易跷跷板仍能保持平衡？

设计意图：为了在这一变式任务中取得成功，学生利用刚学到的经验，专注于橡皮而忽略直尺，选择“在左右两边离支点最近的位置各摞放2块橡皮”的策略。通过合理调控杠杆的五要素，学生发现“等重、等长”是模型保持平衡的关键。这一发现不仅加深了他们对模型的理解，还为后续认识和使用杠杆平衡装置，如托盘天平，奠定了坚实基础。

任务四：破坏摞放橡皮后简易跷跷板的平衡状态。

情境：破坏已摞放4块相同橡皮的简易跷跷板平衡。

问题：你猜想破坏平衡的原因可能是什么？

设计意图：学生迁移了之前任务中的经验，保持支点不动，尝试“向左或向右移动直尺”“改变某一边橡皮的数量”或“改变某一边橡皮离支点的位置”来破坏平衡，而避免选择“改变重心的位置”或“同时改变位置和数量”的复杂方式。学生猜想，改变橡皮（物品）的数量或其离支点的位置，甚至同时改变这两者，都可能导致模型失衡。

（三）科学推理，思维进阶

通过估计、测量计算或反复试错，学生逐渐确信物体重量和放置位置是决定简易跷跷板平衡的主要因素。他们的问题日益具体，思考路径愈发清晰，方法也更为有效，显示出其思维发展的上升趋势。同时，学生也意识到模型的粗糙性，提出需要改进或直接使用实验仪器进行深入探究。

任务五：放置文具物品，保持简易跷跷板平衡。

情境：提供常见且合适的文具用品及弹簧测力计。

问题：你观察到了什么现象？

设计意图：规范使用或探索弹簧测力计是科学探究的重要组成部分。学生将“关注主要因素，忽略次要因素”的科学探究原则潜移默化地应用于实验探究中。面对思维冲突，他们深入思考，通过科学推理猜想：“当简易跷跷板保持平衡时，可以测量出物体重量和离支点的长度，这两者之间似乎存在某种关系，那会是怎样的关系呢”。受时间和条件限制，学生暂时放弃改进模型，转而选择使用实验仪器和测量数据记录表继续探究。

（四）构建图示，明晰目标

完成实验后，教师指导学生绘制上述五项任务的简明图示，这一过程促使学生回顾所学内容，主动激活大脑中的记忆信息，并运用标注、圈划等视觉化手段来整理和表达他们的思考。

任务六：总结杠杆平衡的影响因素。

情境：利用学习用具进行实验。

问题：哪些因素影响杠杆的平衡？

设计意图：在“直尺保持水平方向平衡”这一实验条件易于控制的情境下，学生能够清晰地归纳出“物体的重量以及物体离支点的距离是影响杠杆平衡的关键因素”。然而，学生在实验过程中也可能因仪器使用不规范、力臂概念理解不透彻等问题而产生思维混乱。因此，教师需要适时介入，提供必要的学习支持，为学生后续规范使用杠杆平衡装置进行定量测量奠定坚实基础。

二、可视化定量测量，平衡条件数学化

（一）观察仪器，提出猜想

在初中物理教学中，落实思维支架是有效实践与科学创新的基础。实验器材不仅是物理学习的重要工具，也是物理学科学习的关键内容。针对某些实验器材，学生仅知道如何正确使用是不够的，更应深入理解器材原理，以培养科学思维。实验器材是发明者创造性思维的结晶，蕴含着丰富的科学思想方法。因此，在活动教学中，对核心器材的深入探究尤为重要。

任务七：认识杠杆平衡装置。

情境：展示杠杆平衡装置。

问题：杠杆平衡装置与托盘天平有何相似之处？它们的作用是否相同？

设计意图：通过对比托盘天平和杠杆平衡装置，学生可判断托盘天平是等臂杠杆，并发现它们的相似部件“平衡螺母”。学生猜想平衡螺母的作用相同，即测量前要调节以忽略横杆或杠杆自重，测量时则不能调节。

（二）改进表格，思维可视

图表是思维可视化的最佳工具，对学生高阶思维能力（如分析、评价、创造）的培养具有显著帮助。

任务八：优化测量数据记录表。

情境：分析教材中的表格。

问题：为何要优化表格？

设计意图：在教材中测量记录表的基础上，进行了如下优化：在“次数”列左侧增加“测量要求”“简单图示”“实验条件”和“序号”四列；在原表格末列右侧增加“杠杆的平衡条件数学化”和“想法或看法”两列；测量空行数由3行扩展为15行；实验条件（共5个）分别设定为“动力F1=阻力F2，动力臂l1=阻力臂l2”“动力F1＞阻力F2，动力臂l1＜阻力臂l2”“动力F1＜阻力F2，动力臂l1＞阻力臂l2”“随意悬挂文具用品”和“与右（或左）物体同侧竖直上提弹簧测力计”。优化后的表格更具可视化效果，能够清晰地记录学生的思考和实践过程。

（三）归纳关系，数学表达

学生需分析测量数据，以归纳出杠杆的平衡条件。教师可利用计算图形面积的方法，帮助学生理解乘法关系。

任务九：分析归纳杠杆的平衡条件。

情境：分析测量表中的数据。

问题：能否用图像解释杠杆平衡条件的乘法关系？

设计意图：教师收集学生测量数据表中的特殊情况，如左边力与力臂为1、4组合，右边为2、2组合；或左边为2、3组合，右边为1、6组合等。学生在用加、减、乘、除逐一验证测量数据可能的关系时，会发现只有乘法关系成立，从而猜想杠杆的平衡条件是“动力×动力臂=阻力×阻力臂”。教师可顺势引导：“速度的单位是米/秒，时间的单位是秒，它们相加没有意义，但相乘会得到什么？”学生可能会顿悟：“两个不同的量相乘，可以得到一个新的量，比如路程=速度×时间。”教师继续引导：“矩形的面积和匀速运动物体的路程可以用图像表示，那么杠杆平衡时能否用面积图像表示呢。”

三、评价多元化，拓展可视化，鼓励质疑与创新再探究

教师需依据金字塔学习和遗忘曲线理论，精心设计多种形式的作业，旨在科学评价学生的学业质量，并推动他们的学习进程。通过动手实践，学生们收获了自信，并急于验证他们在实践中产生的疑问：“当使用弹簧测力计斜向上提、斜向下拉或竖直向下拉时，杠杆是否仍然能保持平衡？如果杠杆上的施力位置不变，那么测出的值是否会一致”。在实验探究的过程中，学生们将面临如何对弹簧测力计进行校零、如何准确测量力臂及正确读数等挑战。这些问题的解决需要学生深入思考、自主构建学习支架、分工协作，并通过循序渐进的实践来逐步攻克。

（一）持续探究，解开谜团

任务内容：设计并完成一项实验，探究弹簧测力计与杠杆在非竖直状态下保持水平平衡的关系。

设计意图：通过频繁且灵活地操作弹簧测力计，学生在规范使用的前提下，验证杠杆平衡条件是否具有普遍性（即普适性），从而消除他们在实践中产生的疑惑，进一步确认乘法关系的正确性。

（二）探寻古人智慧，领略文化意义

任务内容：观察教材配图，结合所学的杠杆知识，探讨并阐述古代中国人如何利用杠杆原理，以“少用一点力气”的方式搬运巨大的木料。

设计意图：此处使用“少用一点力气”而非“省力”，更贴合课程目标、单元结构以及章节内容的编排要求。此任务旨在引导学生将所学知识与历史文化相结合，通过探寻古人的智慧，加深对杠杆原理的理解和应用。

（三）结合生活物理，强化知识运用

如图1所示，教师可以向学生提问生活中常见的杆秤一般有两个吊环，何种情况采用A吊环，何种情况采用B吊环？俗语“秤头有高低”的意思是在生意中用杆秤称量物品时，秤头有时翘起，有时下沉，那么秤头翘起和下沉分别有利于买家还是卖家？有商家在卖商品时，将杆秤的标准秤砣替换成质量较小的秤砣，这样做的结果是什么？

设计意图：杆秤是古人智慧的结晶，是杠杆在生活中的创造性应用。如今，杆秤已很少见，学生迁移应用所学知识，解决新情境中的经典问题，体现“从生活走向物理，从物理走向社会”的课程理念。

四、结语

《义务教育物理课程标准（2022年版）》明确指出，“教师应依据课程理念、课程目标和课程内容等要素，紧密结合教学的实际情况，创造性地开展物理教学，将培养学生核心素养的任务贯穿物理教学活动的始终。”探索和实践科学思维培养的显性化，是物理教学的一项创新尝试。期望通过这一尝试，使教师的教学过程、学生的思维发展以及学习进阶的全貌都能够被清晰地“看见”，从而使教与学的得失有据可查，有法可循。

■ 参考文献：■

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