基于具身認知理論開展物理實驗教學的方法

[作者簡介]伏強（1978— ），男，江蘇連云港人，江陰市山觀高級中學，一級教師，研究方向為中學物理教學。

[摘 要] 物理實驗是物理學科的基礎(chǔ)，物理理論知識的學習是對實驗現(xiàn)象的歸納總結(jié)，物理知識的應用是基于實驗的推廣應用，強化物理實驗教學是深化學生概念認知、提升學生物理應用意識必不可少的環(huán)節(jié)。然而，當前高中物理實驗教學流于形式，無法讓學生形成切身的實驗體驗，極大地阻礙了學生通過實驗感知物理本質(zhì)的過程。文章結(jié)合具身認知理論，開展了高中實驗教學中增強學生的過程體驗、提升物理實驗教學效率的研究。

[關(guān)鍵詞] 具身認知；物理教學；實驗教學；高中物理

具身認知理論強調(diào)了環(huán)境對信息認知的影響，實質(zhì)上揭示了自身體驗對于深化學習印象的重要性，這與實驗教學強化學生對物理現(xiàn)象親身體驗的初衷完全一致。因此，本文從具身認知理論出發(fā)，結(jié)合高中實驗教學的材料特性及學生的實驗認知心理特征，探析了具身認知理論下物理實驗教學的原則、方式和策略。

一、結(jié)合實驗心理，探析物理實驗教學的原則

高中物理實驗教學的意義在于通過實驗環(huán)節(jié)實現(xiàn)學生積極性的提升及具身認知的強化，加深學生對物理知識本質(zhì)的理解。在這一過程中，教師應關(guān)注學生的實驗學習心理，遵循以下物理實驗教學的原則。

（一）以生為本，引導最近發(fā)展

以生為本，引導最近發(fā)展強調(diào)教師在設(shè)計實驗教學環(huán)節(jié)時應注重學生的個人發(fā)展，關(guān)注學生的心理認知發(fā)展情況，明確學生的最近發(fā)展區(qū)，促進學生實驗能力及物理知識學習的發(fā)展。因此，教師應關(guān)注學生的興趣、需求和價值觀，創(chuàng)設(shè)與他們個人生活、個人興趣和能力發(fā)展相關(guān)聯(lián)的實驗教學內(nèi)容，提升物理實驗教學效率。

結(jié)合學生的心理認知特點，設(shè)計與其生活相關(guān)的實驗內(nèi)容，學生可以更迅速地找到最近發(fā)展區(qū)，快速探究到物理知識的本質(zhì)。比如，在學習“彈力”相關(guān)知識時，學生需通過實驗探究彈簧彈力與形變的關(guān)系。首先通過日常生活中常見的運動員手中的弓箭、摩托車減震器中的彈簧等與彈力相關(guān)的內(nèi)容，引領(lǐng)學生分析彈力大時彈簧的形變大小。結(jié)合學生的生活經(jīng)驗，助力學生對實驗現(xiàn)象提出假設(shè)，建立最近發(fā)展區(qū)，進而通過實驗設(shè)計和探究對自己的假設(shè)進行驗證。在驗證的過程中，為學生講解長度測量工具游標卡尺的使用方法，數(shù)據(jù)表格的記錄形式，畫圖分析數(shù)據(jù)的歸納方式，最后引領(lǐng)學生發(fā)現(xiàn)彈簧彈力與形變的正比關(guān)系。

（二）主動參與，實現(xiàn)自主建構(gòu)

主動參與原則是具身認知理論的核心，只有提高學生的主動參與程度，才能有效地強化學生在實驗過程的具身感受，從而助力學生的自主建構(gòu)。因此，教師應把握學生的實驗心理，通過優(yōu)化實驗環(huán)節(jié)、創(chuàng)設(shè)實驗情境等方式強化學生在實驗中的肢體感受，促發(fā)實驗學習中的自主建構(gòu)。

結(jié)合實驗環(huán)節(jié)的設(shè)計，調(diào)動學生的多重感官，對于提升學生的主觀能動性有著積極的意義。比如，在學習“力的合成”這一部分內(nèi)容時，學生需通過實驗探究兩個互成角度的力的合成規(guī)律。實驗儀器包括硬紙板、彈簧測力計、圖釘?shù)鹊取Ｊ紫韧ㄟ^在一個水平的硬紙板上固定一個橡皮條，在橡皮條末端分別連接兩個測力計，之后用鉛筆在硬紙板上圈出一個固定位置，讓兩名同學分別用一個測力計和兩個測力計將橡皮條拉到同一位置處，記錄此時的測力計讀數(shù)和測力計的方向。通過多次實驗結(jié)果分析探究規(guī)律，在這一過程中，學生實際感受到了在不同對照實驗中所用力的大小和拉動的方向，直觀地感受力的合成規(guī)律。

（三）滲透情感，形成科學態(tài)度

正確的物理科學觀念和實驗科學態(tài)度是物理學科的基本素養(yǎng)。教師在開展實驗教學時應有意識地在實驗過程中融合情感態(tài)度素材，促使學生在實驗進程中直觀體驗科學態(tài)度對于物理規(guī)律歸納總結(jié)的重要意義，從而助力學生形成科學態(tài)度。

在實驗教學中滲透情感素材，不僅可以增強實驗學習的趣味性，還能實現(xiàn)潛移默化的科學觀念滲透。比如，在學習“探究物體運動與受力的關(guān)系”這一小節(jié)時，以講故事的形式介紹物理學發(fā)展歷史中對物體運動和受力之間關(guān)系的定義變更，從而理解物理學發(fā)展所面臨的重重困難，培養(yǎng)學生勇于質(zhì)疑、大膽嘗試的科學態(tài)度。在此基礎(chǔ)上鼓勵學生向先賢學習，通過實踐驗證，自主探究得出物理學規(guī)律。在實驗中以控制變量的方法，分別探析物體加速度受到物體的質(zhì)量、受力大小變化的影響。在實驗中通過調(diào)整小車上砝碼的質(zhì)量和鉤碼的質(zhì)量實現(xiàn)受力大小和物體質(zhì)量的調(diào)整，通過畫點線圖的方法發(fā)現(xiàn)物體的加速度大小滿足公式，從而得出結(jié)論，并深刻感受到物理學發(fā)展所必需的科學精神。

二、指向?qū)嶒灢牧?，探析物理實驗教學的方式

實驗器材的選取是設(shè)計實驗教學所面臨的問題。合理的取材不僅可以簡化實驗流程，凸顯實驗現(xiàn)象，還可以起到培養(yǎng)學生創(chuàng)新創(chuàng)造意識的作用。因此，教師應優(yōu)化物理實驗器材選取方式，提升實驗教學效率。

（一）就地取材，拓展生活資源

就地取材是最常見的一種物理實驗器材優(yōu)化方式。以這種方式確定的實驗器具往往與學生的生活實際存在密切的關(guān)聯(lián)，可以創(chuàng)設(shè)一種貼近生活的實驗情境，助力學生在實驗中調(diào)動已有經(jīng)驗，增強物理體驗。

就地取材式的實驗器材可以同時作為課堂引入環(huán)節(jié)的媒介，在創(chuàng)設(shè)認知沖突的同時引導學生基于實驗探究解決問題。比如，在學習“動量守恒”相關(guān)內(nèi)容時，設(shè)計實驗對動量守恒的原理進行直觀展示。為了更好地增強學生的實驗體驗，以彈珠或者臺球作為實驗器材，實現(xiàn)生活資源的拓展，經(jīng)過多次試驗驗證并記錄，分析其平均數(shù)可以發(fā)現(xiàn)兩者的動量大小基本一致。

針對一些簡單物理規(guī)律的總結(jié)和常見生活現(xiàn)象的探究，不需要教師大費周章地組織大規(guī)模實驗，而是通過生活資源的拓展引入，在課堂中組織輕實驗，以就地取材的方式快速探究、歸納，提升實驗課堂教學效率。

（二）創(chuàng)意加工，尋求新穎途徑

針對實驗材料的創(chuàng)意加工，旨在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和綜合實驗能力。需要學生在充分理解實驗原理的基礎(chǔ)上，嘗試對實驗器材進行調(diào)整，得到一種新穎的實驗途徑，從而得到最直觀的實驗體驗，建立具身認知架構(gòu)，促進學生創(chuàng)新意識的形成。

引領(lǐng)學生對實驗過程和器材進行創(chuàng)意加工，可以從根本上增強學生對實驗原理的理解，提高學生對實驗器材操作的能力。比如，在開展“驗證力的平行四邊形定則”這一實驗時，在完成傳統(tǒng)實驗、理解力的合成原理基礎(chǔ)上，鼓勵學生結(jié)合已有的器材進行創(chuàng)意加工。首先對已有的實驗過程進行分析，會發(fā)現(xiàn)本質(zhì)上是通過一個不會改變的力的方向來觀察在變的兩個分力的情況。在此基礎(chǔ)上，同學嘗試用一根繩子跨過一個重量已知的砝碼。然后用兩個測力計分別拉在繩子兩端，這保證兩者的合力始終與重物的重力大小相等、方向相反，從而得到力的平行四邊形定則的驗證。在傳統(tǒng)實驗方式創(chuàng)意加工的過程中，學生需要深刻理解實驗原理，并結(jié)合實驗器材的固有特性，思考改變實驗過程的方式，從而實現(xiàn)創(chuàng)新意識和創(chuàng)造性應用能力的提升。

（三）動手制作，進行深度探究

動手制作實驗器材是具身認知理論下開展實驗教學的常見方式。實驗器材的動手制作可以讓學生在實驗課堂中有更深刻的參與感，對實驗原理理解的深刻性也能隨之提升，進而有效地促進學生課堂學習中的深度探究。

比如，在學習“用單擺測量重力加速度”這一小節(jié)時，組織學生自主設(shè)計單擺樣式，提供材料讓學生動手制作各自的實驗器材。在制作的過程中，學生充分發(fā)揮創(chuàng)造力，將細繩穿過帶孔的鐵球后固定在桌子邊緣，然后利用米尺和游標卡尺分別測量小球的半徑r以及懸吊段細繩的長度l，得到單擺的擺線長度為L=l+r。接著，拉動小球到一個小于10°的平衡位置釋放，用秒表記錄小球擺動30—50次的振動周期。記錄數(shù)據(jù)后將其代入公式，計算重力加速度的結(jié)果。之后改變單擺的擺長重復測量作為對照實驗，計算在不同擺長下的平均值。在動手制作實驗器材的過程中，學生根據(jù)不同器材處理中的細節(jié)，能夠更清晰地感受到實驗所蘊含的物理學原理，這對于促進學生在實驗進程中的深度探究有著積極的意義。

三、聚焦核心素養(yǎng)，探析物理實驗教學的策略

核心素養(yǎng)是當前教育背景下教學設(shè)計所必須考慮的因素?；诰呱碚J知理念的物理實驗教學同樣要針對學生核心素養(yǎng)的培育，適當?shù)馗淖兘虒W策略，通過制造沖突、推理論證及小組合作等方式充分發(fā)揮實驗學習的作用，實現(xiàn)學科觀念、思維能力及道德規(guī)范等核心素養(yǎng)的滲透。

（一）制造沖突，深化學科觀念

制造沖突旨在通過問題情境制造認知沖突，讓學生感受到新信息與已有認知的不一致，進而激活學生的主觀能動性，促使其在實驗進程中有針對性地分析實現(xiàn)現(xiàn)象，歸納物理學規(guī)律，在“沖突—驗證”的完整學習過程中實現(xiàn)學科觀念的深化理解。

結(jié)合生活現(xiàn)象設(shè)置情境陷阱是一種行之有效的沖突制造方法。比如，在學習“多普勒效應”這一小節(jié)時，以常見的多普勒效應的音視頻內(nèi)容和學生腦海中聲音振動相關(guān)的知識建立認知沖突。此時，教師及時地引導學生考慮到物體的運動這一因素，通過模擬實驗觀察波源與觀察者之間是否存在相對運動，以及兩種狀態(tài)下接收到的頻率變化，獲取直觀的多普勒效應體驗。

（二）推理論證，培養(yǎng)思維能力

思維能力是物理學科核心素養(yǎng)的重要體現(xiàn)之一，在學生理解物理原理，并將其應用到實際問題中起著重要的作用。因此，教師應結(jié)合實驗環(huán)節(jié)，引導學生在實驗過程中結(jié)合數(shù)據(jù)和現(xiàn)象對規(guī)律本質(zhì)進行推理論證，提升學生的思維能力。

比較推理是物理實驗中最常見的一種推理論證方式，通過對比不同對照組的實驗結(jié)果，歸納得出最終的物理規(guī)律。比如，在學習“平拋運動”這一小節(jié)時，設(shè)計實驗探究平拋運動的基本原理。實驗中根據(jù)物體拋出的高度、小球的質(zhì)量、滑下的高度（決定了拋出時刻的速度大?。?，按照控制變量的方法設(shè)計對照組實驗。通過對比分析，學生發(fā)現(xiàn)，在豎直方向上物體運動軌跡與上述三個因素均不存在關(guān)系，體現(xiàn)為自由落體。在水平方向上物體運動軌跡體現(xiàn)為勻速運動，初速度越大且下降高度越高則最終落點越遠。在上述實驗中，學生通過不同對照組實驗結(jié)果的對比分析，可以直觀地推理出平拋運動的運動特征，將其與已有的自由落體和勻速直線運動建立邏輯關(guān)系，促進推理能力的發(fā)展。

（三）小組合作，了解道德規(guī)范

物理學科具有綜合性強的特點，許多實驗探究活動需要學生以小組合作的形式展開。因此，教師應基于小組合作的教學策略設(shè)計實驗教學，在實驗中培養(yǎng)學生的合作探究能力，促進道德規(guī)范的滲透。

每一種物理實驗都包含許多步驟，在小組合作實驗中，學生相互檢查、合作探究可以更有效地發(fā)揮實驗學習的作用。比如，在學習“探究外力做功與動能變化”這一部分內(nèi)容時，引導學生以小組的形式完成實驗探究活動。以小組的形式開展物理實驗，可以讓每名學生都有明確的任務分工，在分工協(xié)作的氛圍中高效地完成實驗任務，體會到合作的重要性，從而促進他們道德規(guī)范的發(fā)展。

綜上所述，具身認知理論下的實驗教學可以從教學設(shè)計以及課程安排中增強實驗環(huán)節(jié)的體驗感，讓學生在動手操作、實驗設(shè)計的過程中通過手腦并用及多感官協(xié)同實現(xiàn)對物理現(xiàn)象和規(guī)律的本質(zhì)認知，從而達到提升新時代學生物理學科綜合素養(yǎng)的教學目的。

參考文獻

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