指向高階思維培養(yǎng)的物理自創(chuàng)實(shí)驗(yàn)

摘 要：高階思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)中的重要內(nèi)容，培養(yǎng)高階思維要尋找突破口，并需要有效策略的支持。在“超重和失重”一節(jié)課的教學(xué)中，通過(guò)認(rèn)知沖突建立突破口，利用自創(chuàng)實(shí)驗(yàn)激發(fā)認(rèn)知沖突，運(yùn)用有效策略培養(yǎng)高階思維。

關(guān)鍵詞：高中物理；高階思維；認(rèn)知沖突；自創(chuàng)實(shí)驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2024）12-0018-4

在高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)中，科學(xué)思維培養(yǎng)是其中的重要內(nèi)容，培養(yǎng)高階思維更是科學(xué)思維的核心部分。認(rèn)知沖突能引發(fā)認(rèn)知不平衡，使學(xué)生產(chǎn)生解決沖突、獲得認(rèn)知平衡的需求，形成想學(xué)、要學(xué)、求學(xué)的自主課堂。認(rèn)知沖突是實(shí)現(xiàn)高階思維的突破口。實(shí)驗(yàn)作為揭示學(xué)生原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)與新觀念建立的重要手段，是形成學(xué)習(xí)契機(jī)的有效途徑。因此，筆者提出在高中物理教學(xué)中，從實(shí)驗(yàn)視角喚醒、凸顯、激發(fā)、內(nèi)化認(rèn)知沖突，并指向高階思維培養(yǎng)，本文以“超重和失重”教學(xué)為例開(kāi)展論述。

高階思維是一種系統(tǒng)思維模式，是需要多種認(rèn)知協(xié)同作用的思維過(guò)程，是發(fā)生在較高認(rèn)知水平層次上的智力活動(dòng)。高階思維的發(fā)生常指向開(kāi)放性的新問(wèn)題，這就導(dǎo)致個(gè)體需要根據(jù)自己的圖式，去提取與新問(wèn)題相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)，在此過(guò)程中，個(gè)體能輕松地提取那些達(dá)到自動(dòng)化水平的執(zhí)行策略或者既定規(guī)則，當(dāng)這樣的操作無(wú)法解決問(wèn)題時(shí)，個(gè)體就需要進(jìn)一步建構(gòu)能靈活調(diào)整的認(rèn)知策略，這個(gè)過(guò)程并非可以自然發(fā)生，而是需要經(jīng)歷創(chuàng)設(shè)問(wèn)題新情境、建立新舊知識(shí)關(guān)系、不同維度的信息綜合等一系列認(rèn)知操作［１］。

1 自創(chuàng)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)問(wèn)題新情境，“喚醒”沖突，澄清錯(cuò)誤前概念

奧蘇伯爾強(qiáng)調(diào)：“要探明學(xué)生已經(jīng)掌握了什么， 并據(jù)此開(kāi)展教學(xué)”［２］。那些來(lái)自學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn)的認(rèn)知，是學(xué)生憑直覺(jué)和不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕y(tǒng)計(jì)形成的，往往與科學(xué)知識(shí)相悖或不盡一致，這會(huì)阻礙新知識(shí)的建構(gòu)。因此，筆者通過(guò)自創(chuàng)實(shí)驗(yàn)來(lái)形成對(duì)這些來(lái)自于生活的先前認(rèn)知的認(rèn)知沖突，然后學(xué)生自己經(jīng)歷主動(dòng)建構(gòu)的過(guò)程，通過(guò)反思發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，有利于學(xué)生摒棄錯(cuò)誤前概念，積極主動(dòng)建構(gòu)新知識(shí)，為養(yǎng)成科學(xué)思維奠定基礎(chǔ)。

在學(xué)習(xí)“超重和失重”前，學(xué)生頭腦中對(duì)于失重問(wèn)題往往存在著宇宙中、漂浮、無(wú)重力等根深蒂固的錯(cuò)誤認(rèn)知。鑒于此，筆者自創(chuàng)了“皮筋彈弓”實(shí)驗(yàn)，具體如下：

實(shí)驗(yàn)儀器如圖 １ 所示，以手持式臺(tái)秤為基座，讓皮筋處于拉升狀態(tài)，并用重物壓住，使皮筋彈弓處于待激發(fā)狀態(tài)。

１．定性觀察并設(shè)置挑戰(zhàn)任務(wù)：?jiǎn)问炙酵凶　捌そ顝椆毖b置，通過(guò)快速下蹲的方法把皮筋發(fā)射出去。

２．設(shè)置問(wèn)題：（１）讓皮筋成功發(fā)射的關(guān)鍵物理量是哪個(gè)？

（２）皮筋發(fā)射時(shí)重物所受的重力是否發(fā)生了變化？

３．定量探究失重如圖 ２ 所示：打開(kāi)臺(tái)秤電源（改裝過(guò)帶極值記錄），重復(fù)上述挑戰(zhàn)過(guò)程，觀察記錄數(shù)據(jù)、討論交流后得出失重的力學(xué)原理，矯正錯(cuò)誤前概念。

４．極限法探究完全失重：逐漸減小皮筋拉力，多次重復(fù)挑戰(zhàn)任務(wù)，數(shù)據(jù)顯示值越來(lái)越小，觀察、交流、討論后得出完全失重的力學(xué)原理。

2 自創(chuàng)實(shí)驗(yàn)建立新舊知識(shí)的關(guān)系，生成準(zhǔn)認(rèn)知

高階思維的第二個(gè)環(huán)節(jié)是建立新舊知識(shí)間的關(guān)系，首先將分解后的先驗(yàn)知識(shí)根據(jù)其作用與新信息進(jìn)行匹配，然后通過(guò)識(shí)別背景知識(shí)在新問(wèn)題中承擔(dān)的角色，通過(guò)角色和新情境內(nèi)容之間的綁定，最后讓先驗(yàn)知識(shí)與新信息發(fā)生融合，形成對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系，從而促進(jìn)準(zhǔn)認(rèn)知的生成［１］。

對(duì)于超重的教學(xué)，學(xué)生在獲得失重概念的正確認(rèn)知后，其認(rèn)知已經(jīng)到達(dá)了由被動(dòng)向自主階段轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn)，此時(shí)學(xué)生完全有能力運(yùn)用自創(chuàng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行超重的探究設(shè)計(jì)，從而完成對(duì)超重概念的自主建構(gòu)。設(shè)計(jì)如圖 ３ 所示儀器，在彈簧秤上吸上磁片，彈簧秤下拉時(shí)，磁片被彈簧秤指針推動(dòng)。在探究超重實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，可自動(dòng)記錄下拉力的最大值，通過(guò)與重力大小比較，初步可得出超重的力學(xué)原理。通過(guò)翻閱資料、小組討論，進(jìn)一步加深認(rèn)知。

3 自創(chuàng)實(shí)驗(yàn)綜合不同維度信息，“凸顯”認(rèn)知沖突，建立科學(xué)認(rèn)知

高階思維的第三個(gè)階段是不同維度信息的綜合，即將相互關(guān)聯(lián)的新舊知識(shí)通過(guò)收集、分類(lèi)、組織和整合等方式，形成系統(tǒng)化的科學(xué)知識(shí)［１］。皮亞杰認(rèn)為：“認(rèn)知發(fā)展得以發(fā)生的主要機(jī)制是平衡，而平衡可以通過(guò)同化與順應(yīng)獲得”。學(xué)生通過(guò)前面的積累和學(xué)習(xí)建立平衡，形成準(zhǔn)認(rèn)知；接著必須再次經(jīng)歷失衡過(guò)程，打破原有平衡和認(rèn)知方式形成新平衡和建立科學(xué)認(rèn)知［３］。通過(guò)自創(chuàng)實(shí)驗(yàn)“凸顯”認(rèn)知沖突，讓學(xué)生先經(jīng)歷失衡再轉(zhuǎn)向平衡，在解決認(rèn)知沖突的同時(shí)，掌握學(xué)習(xí)方法、理解知識(shí)內(nèi)涵、提升科學(xué)素養(yǎng)，通過(guò)對(duì)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)不斷深入，讓學(xué)生的思維水平不斷向高階提升。

通過(guò)第一階段的學(xué)習(xí)，學(xué)生從力學(xué)角度對(duì)超重、失重有了一定的認(rèn)知，此時(shí)筆者結(jié)合牛頓第二定律設(shè)計(jì)“手機(jī)下落”自創(chuàng)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生“被迫”從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度認(rèn)識(shí)超重和失重，并和力學(xué)原理相互佐證。

儀器如圖４ 所示：手機(jī)裝上防水套，并安裝羽毛浮力塊；液體上層為煤焦油，下層為水。

1.操作：讓手機(jī)從一定高度自由下落進(jìn)入液體中。

2.設(shè)置問(wèn)題：下落過(guò)程是超重還是失重？

課堂反饋顯示：學(xué)生用力學(xué)原理分析，對(duì)于手機(jī)在空中階段為失重非?？隙?，但對(duì)于是否為完全失重存在一定的疑慮；對(duì)液體內(nèi)有浮力也很肯定，但由于浮力大小未知，故而無(wú)法判斷超重還是失重，通過(guò)此過(guò)程打破了學(xué)生原先的準(zhǔn)認(rèn)知。

3.Pｈｙｐｈｏｘ 定量顯示加速度，如圖 ５ 所示。

（１）手機(jī)在空中的加速度向下，為 ９．２０ ｍ/ｓ２，結(jié)合牛頓第二定律和當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣龋贸鲈诳紤]空氣阻力的情況下，手機(jī)運(yùn)動(dòng)情況不是完全失重，與力學(xué)原理結(jié)論一致，交流、討論后初步得出與運(yùn)動(dòng)學(xué)相關(guān)的失重認(rèn)知。

（２）手機(jī)在水中的加速度向下，為 ５．２９ ｍ/ｓ２，運(yùn)用動(dòng)力學(xué)知識(shí)判斷為失重，然后通過(guò)慢放和截屏，發(fā)現(xiàn)手機(jī)在水中加速下落，結(jié)合牛頓第二定律與力學(xué)原理，結(jié)論仍舊一致，建立科學(xué)新認(rèn)知。

（３）手機(jī)在油中的加速度向上，為 １．４６ ｍ/ｓ２，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)判斷為超重，然后通過(guò)慢放和截屏，發(fā)現(xiàn)手機(jī)在油中減速下落，結(jié)合牛頓第二定律可知，物體必定受到其他力的作用。查詢資料顯示煤焦油對(duì)羽毛有很強(qiáng)的黏附作用。

4 自創(chuàng)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生創(chuàng)新認(rèn)知，“激活”認(rèn)知沖突，完善科學(xué)認(rèn)知

創(chuàng)新認(rèn)知產(chǎn)生的標(biāo)志是認(rèn)知結(jié)構(gòu)的更新和拓展［１］。杜威說(shuō)過(guò)：“沖突是思考的翅膀 ”。但當(dāng)翅膀不強(qiáng)勁無(wú)法展翅遠(yuǎn)行時(shí)，就要暫且讓其棲息一下以便積蓄力量。因此，筆者巧妙設(shè)計(jì)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，成功化解了學(xué)生思維中的障礙，有效激發(fā)學(xué)生的思維靈感和創(chuàng)造力，并使之產(chǎn)生新理念、新創(chuàng)意，從而達(dá)到“激活”認(rèn)知的效果。以自創(chuàng)實(shí)驗(yàn)為立足點(diǎn)，學(xué)生通過(guò)觀察、探究、思維，形成更深層次的認(rèn)知沖突。當(dāng)原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)無(wú)法解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，學(xué)生既感到好奇，又渴望求解，從而有利于學(xué)生進(jìn)入更深層次的學(xué)習(xí)狀態(tài)，也有利于學(xué)生的思維層次向高階提升。

通過(guò)前面對(duì)于超重和失重的自創(chuàng)實(shí)驗(yàn)研究，學(xué)生掌握了自創(chuàng)實(shí)驗(yàn)探究的方法，對(duì)于超重、失重也建立了科學(xué)的認(rèn)知。但由于都在豎直方向，因此在學(xué)生對(duì)超重、失重的認(rèn)知中會(huì)埋下隱患，故而追問(wèn)：超重、失重只能發(fā)生在豎直方向嗎？引出探究任務(wù)，此時(shí)學(xué)生已經(jīng)具備自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究不同方向上超重、失重現(xiàn)象的能力。通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究小組合作交流得出結(jié)論，傾斜方向發(fā)生變速運(yùn)動(dòng)時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)超重、失重現(xiàn)象，水平方向則不會(huì)出現(xiàn)。通過(guò)小組交流和論證，教師播放相關(guān)視頻進(jìn)行驗(yàn)證，最終完善對(duì)超重、失重概念完整而正確的認(rèn)知。

5 自創(chuàng)實(shí)驗(yàn)監(jiān)督、管理、調(diào)節(jié)認(rèn)知過(guò)程，“內(nèi)化”認(rèn)知沖突，實(shí)現(xiàn)整合性認(rèn)知

高階思維過(guò)程需要元認(rèn)知能力來(lái)監(jiān)督、管理、調(diào)節(jié)認(rèn)知過(guò)程［１］。學(xué)生在遇到新問(wèn)題和新情境時(shí)，往往依據(jù)他們?cè)械慕?jīng)驗(yàn)和認(rèn)知對(duì)新問(wèn)題提出假設(shè)或給予解釋?zhuān)捎趯W(xué)生的認(rèn)知過(guò)程不夠全面，這就導(dǎo)致其預(yù)期往往與科學(xué)事實(shí)不符。此時(shí)，通過(guò)自創(chuàng)實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生甄別有用信息，從不同的視角分析問(wèn)題，帶領(lǐng)學(xué)生深入挖掘新問(wèn)題中所蘊(yùn)含的特殊內(nèi)容，進(jìn)一步推理論證，使得認(rèn)知沖突得以“內(nèi)化”，最終形成對(duì)該問(wèn)題的創(chuàng)新性、整合性認(rèn)知。

人在體重計(jì)上起立時(shí)，體重計(jì)的示數(shù)會(huì)發(fā)生變化。小管同學(xué)質(zhì)量為 ５０ ｋｇ，在腰間掛有一只加速度傳感器，顯示“＋”表示加速度方向向上，顯示“－”表示加速度方向向下，起立過(guò)程中的某時(shí)刻顯示為“＋４ ｍ/ｓ２”，那么此時(shí)體重計(jì)的讀數(shù)可能為

（ ）

Ａ．７０ ｋｇ Ｂ．５０ ｋｇ

Ｃ．６０ ｋｇ Ｄ．２０ ｋｇ

學(xué)生普遍知道用牛頓第二定律運(yùn)算，可得答案 Ａ。

錯(cuò)誤情境認(rèn)知：把起立情境當(dāng)成加速度相同的加速運(yùn)動(dòng)。

如圖 ６所示，在學(xué)生頭部、腰部、小腿處各放上一個(gè)手機(jī)，打開(kāi) Pｈｙｐｈｏｘ 軟件測(cè)加速度，讓學(xué)生加速起立，結(jié)果如圖７ 所示，頭部和腰部的加速度明顯大于小腿處的加速度。

原因分析：通過(guò)起立錄像回放對(duì)比發(fā)現(xiàn)，身體各部分運(yùn)動(dòng)時(shí)間相等，運(yùn)動(dòng)距離的不同將決定其加速度的大小，因此體重計(jì)的讀數(shù)應(yīng)該略小于７０ kｇ。

6 指向高階思維的物理自創(chuàng)實(shí)驗(yàn)反思

指向高階思維的學(xué)習(xí)課堂要根據(jù)“主體優(yōu)先，建構(gòu)思維”的原則，創(chuàng)設(shè)“學(xué)科”與“情境”相融合的實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)“立足主體地位，探尋學(xué)科本質(zhì)，感悟科學(xué)方法”的學(xué)習(xí)過(guò)程。本文以“超重和失重”為例，立足于自創(chuàng)實(shí)驗(yàn)，針對(duì)不同類(lèi)型的認(rèn)知沖突，分別采用喚醒、凸顯、激活、內(nèi)化的策略，充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，讓學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)問(wèn)題：認(rèn)知的不足、情境理解的不合理、概念的不清、規(guī)律和方法的欠缺等，通過(guò)課堂實(shí)踐，明顯提升了超重和失重概念的教學(xué)效果，能夠促進(jìn)學(xué)生高階思維的養(yǎng)成，實(shí)現(xiàn)高中物理學(xué)科育人的價(jià)值追求。

參考文獻(xiàn)：

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［２］劉建浩.基于情境認(rèn)知與學(xué)習(xí)理論的教學(xué)設(shè)計(jì)——圓周運(yùn)動(dòng)［Ｊ］．物理教師，２０１９，４０（７）：３１－３３.

［３］徐將二.基于認(rèn)知發(fā)展機(jī)制的過(guò)程設(shè)計(jì)——以“胡克定律”為例［Ｊ］．物理教師，２０１８，３９（８）：２７－３１.

（欄目編輯 趙保鋼）

收稿日期：2024-07-22

作者簡(jiǎn)介：朱銀智（1983-），男，中學(xué)高級(jí)教師，主要從事高中物理教學(xué)工作。