指向高阶思维培养的物理自创实验

摘 要：高阶思维是物理学科核心素养培养中的重要内容，培养高阶思维要寻找突破口，并需要有效策略的支持。在“超重和失重”一节课的教学中，通过认知冲突建立突破口，利用自创实验激发认知冲突，运用有效策略培养高阶思维。

关键词：高中物理；高阶思维；认知冲突；自创实验

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2024）12-0018-4

在高中物理学科核心素养中，科学思维培养是其中的重要内容，培养高阶思维更是科学思维的核心部分。认知冲突能引发认知不平衡，使学生产生解决冲突、获得认知平衡的需求，形成想学、要学、求学的自主课堂。认知冲突是实现高阶思维的突破口。实验作为揭示学生原有认知结构与新观念建立的重要手段，是形成学习契机的有效途径。因此，笔者提出在高中物理教学中，从实验视角唤醒、凸显、激发、内化认知冲突，并指向高阶思维培养，本文以“超重和失重”教学为例开展论述。

高阶思维是一种系统思维模式，是需要多种认知协同作用的思维过程，是发生在较高认知水平层次上的智力活动。高阶思维的发生常指向开放性的新问题，这就导致个体需要根据自己的图式，去提取与新问题相关的经验与知识，在此过程中，个体能轻松地提取那些达到自动化水平的执行策略或者既定规则，当这样的操作无法解决问题时，个体就需要进一步建构能灵活调整的认知策略，这个过程并非可以自然发生，而是需要经历创设问题新情境、建立新旧知识关系、不同维度的信息综合等一系列认知操作［１］。

1 自创实验创设问题新情境，“唤醒”冲突，澄清错误前概念

奥苏伯尔强调：“要探明学生已经掌握了什么， 并据此开展教学”［２］。那些来自学生生活经验的认知，是学生凭直觉和不够严谨的统计形成的，往往与科学知识相悖或不尽一致，这会阻碍新知识的建构。因此，笔者通过自创实验来形成对这些来自于生活的先前认知的认知冲突，然后学生自己经历主动建构的过程，通过反思发现错误，有利于学生摒弃错误前概念，积极主动建构新知识，为养成科学思维奠定基础。

在学习“超重和失重”前，学生头脑中对于失重问题往往存在着宇宙中、漂浮、无重力等根深蒂固的错误认知。鉴于此，笔者自创了“皮筋弹弓”实验，具体如下：

实验仪器如图 １ 所示，以手持式台秤为基座，让皮筋处于拉升状态，并用重物压住，使皮筋弹弓处于待激发状态。

１．定性观察并设置挑战任务：单手水平托住“皮筋弹弓”装置，通过快速下蹲的方法把皮筋发射出去。

２．设置问题：（１）让皮筋成功发射的关键物理量是哪个？

（２）皮筋发射时重物所受的重力是否发生了变化？

３．定量探究失重如图 ２ 所示：打开台秤电源（改装过带极值记录），重复上述挑战过程，观察记录数据、讨论交流后得出失重的力学原理，矫正错误前概念。

４．极限法探究完全失重：逐渐减小皮筋拉力，多次重复挑战任务，数据显示值越来越小，观察、交流、讨论后得出完全失重的力学原理。

2 自创实验建立新旧知识的关系，生成准认知

高阶思维的第二个环节是建立新旧知识间的关系，首先将分解后的先验知识根据其作用与新信息进行匹配，然后通过识别背景知识在新问题中承担的角色，通过角色和新情境内容之间的绑定，最后让先验知识与新信息发生融合，形成对应的映射关系，从而促进准认知的生成［１］。

对于超重的教学，学生在获得失重概念的正确认知后，其认知已经到达了由被动向自主阶段转变的临界点，此时学生完全有能力运用自创实验进行超重的探究设计，从而完成对超重概念的自主建构。设计如图 ３ 所示仪器，在弹簧秤上吸上磁片，弹簧秤下拉时，磁片被弹簧秤指针推动。在探究超重实验的过程中，可自动记录下拉力的最大值，通过与重力大小比较，初步可得出超重的力学原理。通过翻阅资料、小组讨论，进一步加深认知。

3 自创实验综合不同维度信息，“凸显”认知冲突，建立科学认知

高阶思维的第三个阶段是不同维度信息的综合，即将相互关联的新旧知识通过收集、分类、组织和整合等方式，形成系统化的科学知识［１］。皮亚杰认为：“认知发展得以发生的主要机制是平衡，而平衡可以通过同化与顺应获得”。学生通过前面的积累和学习建立平衡，形成准认知；接着必须再次经历失衡过程，打破原有平衡和认知方式形成新平衡和建立科学认知［３］。通过自创实验“凸显”认知冲突，让学生先经历失衡再转向平衡，在解决认知冲突的同时，掌握学习方法、理解知识内涵、提升科学素养，通过对问题的认识不断深入，让学生的思维水平不断向高阶提升。

通过第一阶段的学习，学生从力学角度对超重、失重有了一定的认知，此时笔者结合牛顿第二定律设计“手机下落”自创实验，让学生“被迫”从运动学的角度认识超重和失重，并和力学原理相互佐证。

仪器如图４ 所示：手机装上防水套，并安装羽毛浮力块；液体上层为煤焦油，下层为水。

1.操作：让手机从一定高度自由下落进入液体中。

2.设置问题：下落过程是超重还是失重？

课堂反馈显示：学生用力学原理分析，对于手机在空中阶段为失重非常肯定，但对于是否为完全失重存在一定的疑虑；对液体内有浮力也很肯定，但由于浮力大小未知，故而无法判断超重还是失重，通过此过程打破了学生原先的准认知。

3.Pｈｙｐｈｏｘ 定量显示加速度，如图 ５ 所示。

（１）手机在空中的加速度向下，为 ９．２０ ｍ/ｓ２，结合牛顿第二定律和当地的重力加速度，得出在考虑空气阻力的情况下，手机运动情况不是完全失重，与力学原理结论一致，交流、讨论后初步得出与运动学相关的失重认知。

（２）手机在水中的加速度向下，为 ５．２９ ｍ/ｓ２，运用动力学知识判断为失重，然后通过慢放和截屏，发现手机在水中加速下落，结合牛顿第二定律与力学原理，结论仍旧一致，建立科学新认知。

（３）手机在油中的加速度向上，为 １．４６ ｍ/ｓ２，运用运动学知识判断为超重，然后通过慢放和截屏，发现手机在油中减速下落，结合牛顿第二定律可知，物体必定受到其他力的作用。查询资料显示煤焦油对羽毛有很强的黏附作用。

4 自创实验产生创新认知，“激活”认知冲突，完善科学认知

创新认知产生的标志是认知结构的更新和拓展［１］。杜威说过：“冲突是思考的翅膀 ”。但当翅膀不强劲无法展翅远行时，就要暂且让其栖息一下以便积蓄力量。因此，笔者巧妙设计了相关实验，成功化解了学生思维中的障碍，有效激发学生的思维灵感和创造力，并使之产生新理念、新创意，从而达到“激活”认知的效果。以自创实验为立足点，学生通过观察、探究、思维，形成更深层次的认知冲突。当原有的认知结构无法解释实验结果时，学生既感到好奇，又渴望求解，从而有利于学生进入更深层次的学习状态，也有利于学生的思维层次向高阶提升。

通过前面对于超重和失重的自创实验研究，学生掌握了自创实验探究的方法，对于超重、失重也建立了科学的认知。但由于都在竖直方向，因此在学生对超重、失重的认知中会埋下隐患，故而追问：超重、失重只能发生在竖直方向吗？引出探究任务，此时学生已经具备自行设计实验探究不同方向上超重、失重现象的能力。通过实验探究小组合作交流得出结论，倾斜方向发生变速运动时，也会出现超重、失重现象，水平方向则不会出现。通过小组交流和论证，教师播放相关视频进行验证，最终完善对超重、失重概念完整而正确的认知。

5 自创实验监督、管理、调节认知过程，“内化”认知冲突，实现整合性认知

高阶思维过程需要元认知能力来监督、管理、调节认知过程［１］。学生在遇到新问题和新情境时，往往依据他们原有的经验和认知对新问题提出假设或给予解释，但由于学生的认知过程不够全面，这就导致其预期往往与科学事实不符。此时，通过自创实验引导学生甄别有用信息，从不同的视角分析问题，带领学生深入挖掘新问题中所蕴含的特殊内容，进一步推理论证，使得认知冲突得以“内化”，最终形成对该问题的创新性、整合性认知。

人在体重计上起立时，体重计的示数会发生变化。小管同学质量为 ５０ ｋｇ，在腰间挂有一只加速度传感器，显示“＋”表示加速度方向向上，显示“－”表示加速度方向向下，起立过程中的某时刻显示为“＋４ ｍ/ｓ２”，那么此时体重计的读数可能为

（ ）

Ａ．７０ ｋｇ Ｂ．５０ ｋｇ

Ｃ．６０ ｋｇ Ｄ．２０ ｋｇ

学生普遍知道用牛顿第二定律运算，可得答案 Ａ。

错误情境认知：把起立情境当成加速度相同的加速运动。

如图 ６所示，在学生头部、腰部、小腿处各放上一个手机，打开 Pｈｙｐｈｏｘ 软件测加速度，让学生加速起立，结果如图７ 所示，头部和腰部的加速度明显大于小腿处的加速度。

原因分析：通过起立录像回放对比发现，身体各部分运动时间相等，运动距离的不同将决定其加速度的大小，因此体重计的读数应该略小于７０ kｇ。

6 指向高阶思维的物理自创实验反思

指向高阶思维的学习课堂要根据“主体优先，建构思维”的原则，创设“学科”与“情境”相融合的实验，体现“立足主体地位，探寻学科本质，感悟科学方法”的学习过程。本文以“超重和失重”为例，立足于自创实验，针对不同类型的认知冲突，分别采用唤醒、凸显、激活、内化的策略，充分发挥学生的主体作用，让学生自己发现问题：认知的不足、情境理解的不合理、概念的不清、规律和方法的欠缺等，通过课堂实践，明显提升了超重和失重概念的教学效果，能够促进学生高阶思维的养成，实现高中物理学科育人的价值追求。

参考文献：

［１］马淑风，杨向东.什么才是高阶思维——以“新旧知识关系建立”为核心的高阶思维概念框架［Ｊ］．华东师范大学学报（教育科学版），２０２２，１１（５）：５８－６８.

［２］刘建浩.基于情境认知与学习理论的教学设计——圆周运动［Ｊ］．物理教师，２０１９，４０（７）：３１－３３.

［３］徐将二.基于认知发展机制的过程设计——以“胡克定律”为例［Ｊ］．物理教师，２０１８，３９（８）：２７－３１.

（栏目编辑 赵保钢）

收稿日期：2024-07-22

作者简介：朱银智（1983-），男，中学高级教师，主要从事高中物理教学工作。