【摘" 要】 初中階段，教師應(yīng)循序漸進(jìn)地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，在這一過(guò)程中，教師教學(xué)與學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)在思維活動(dòng)都應(yīng)得以顯現(xiàn)?？茖W(xué)思維培養(yǎng)的顯性化，旨在清晰展現(xiàn)思維的發(fā)展軌跡，為優(yōu)化教師教學(xué)策略與增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力提供有力支撐。文章以“杠桿的平衡條件”實(shí)驗(yàn)探究為具體案例，深入探索并實(shí)踐初中物理教學(xué)中科學(xué)思維培養(yǎng)顯性化的完整流程，以期為相關(guān)教育工作者提供參考。

【關(guān)鍵詞】 科學(xué)思維；實(shí)驗(yàn)探究；物理實(shí)驗(yàn)；杠桿的平衡條件

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》明確指出，科學(xué)思維，涵蓋模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證及質(zhì)疑創(chuàng)新等核心能力，均是物理課程致力于培養(yǎng)的核心素養(yǎng)。為此，本文以人教版八年級(jí)物理下冊(cè)第12章第1節(jié)“杠桿的平衡條件”實(shí)驗(yàn)探究為例，旨在探索與實(shí)踐科學(xué)思維培養(yǎng)的顯性化路徑。

一、表述定性分析，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

首先，教師需深入了解學(xué)生學(xué)情，創(chuàng)設(shè)貼近學(xué)生生活的教學(xué)情境，以激活學(xué)生的相關(guān)記憶。例如，要求學(xué)生利用日常文具用品，自主建構(gòu)蹺蹺板模型，進(jìn)而理解并保持水平平衡的概念。通過(guò)繪制簡(jiǎn)單圖示，學(xué)生可明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，聚焦關(guān)鍵因素，忽略次要干擾，探究并揭示影響杠桿平衡的具體因素，以及這些因素間可能存在的關(guān)聯(lián)。在傾聽學(xué)生表述其做法或想法的過(guò)程中，教師不僅能以外在語(yǔ)言規(guī)范學(xué)生內(nèi)在的思維流程，還應(yīng)洞察學(xué)生思維發(fā)展的難點(diǎn)與障礙，為后續(xù)教學(xué)難度與進(jìn)度的靈活調(diào)整提供可靠依據(jù)。

（一）建構(gòu)模型，逆向思考

鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用已有經(jīng)驗(yàn)，利用學(xué)習(xí)用品搭建保持水平平衡的簡(jiǎn)易蹺蹺板模型（以下簡(jiǎn)稱“簡(jiǎn)易蹺蹺板”）。學(xué)生應(yīng)認(rèn)識(shí)到，破壞與搭建模型平衡的因素是相通的，并能運(yùn)用已有概念進(jìn)行表述。

任務(wù)一：快速搭建簡(jiǎn)易蹺蹺板。

情境：提供1塊橡皮、1把直尺。

問(wèn)題：搭建簡(jiǎn)易蹺蹺板的關(guān)鍵點(diǎn)何在？

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生意識(shí)到，即便沒(méi)有專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，也能進(jìn)行有趣的物理實(shí)驗(yàn)。通過(guò)親手創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生的注意力被迅速?gòu)娜粘Ｉ瞵F(xiàn)象吸引到實(shí)驗(yàn)探究中。通過(guò)表述“以橡皮為支點(diǎn)，確保直尺左右兩側(cè)等長(zhǎng)”的搭建思路，學(xué)生在調(diào)整情緒后迅速進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)。

任務(wù)二：破壞簡(jiǎn)易蹺蹺板的平衡。

情境：已搭建的簡(jiǎn)易蹺蹺板。

問(wèn)題：如何破壞其平衡？為何這樣做？

設(shè)計(jì)意圖：教師觀察學(xué)生為快速“獲勝”而采取的破壞策略，學(xué)生通常選擇“保持支點(diǎn)（橡皮）不動(dòng)，向左或向右移動(dòng)直尺”來(lái)破壞平衡。就“為何這樣做”的問(wèn)題，學(xué)生回答的不一致性反映了他們對(duì)重力、重心等前置概念學(xué)習(xí)效果上的差異。借此機(jī)會(huì)，師生共同復(fù)習(xí)相關(guān)知識(shí)，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)探究奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（二）變換模型，抓住主次

在簡(jiǎn)易蹺蹺板上摞放橡皮的過(guò)程中，學(xué)生自然而然地聚焦橡皮（主要因素），而將直尺（次要因素）置于次要地位，以此展開實(shí)驗(yàn)探究。

任務(wù)三：摞放橡皮，簡(jiǎn)易蹺蹺板保持平衡。

情境：提供4塊規(guī)格、大小完全相同的橡皮。

問(wèn)題：為何摞放橡皮后簡(jiǎn)易蹺蹺板仍能保持平衡？

設(shè)計(jì)意圖：為了在這一變式任務(wù)中取得成功，學(xué)生利用剛學(xué)到的經(jīng)驗(yàn)，專注于橡皮而忽略直尺，選擇“在左右兩邊離支點(diǎn)最近的位置各摞放2塊橡皮”的策略。通過(guò)合理調(diào)控杠桿的五要素，學(xué)生發(fā)現(xiàn)“等重、等長(zhǎng)”是模型保持平衡的關(guān)鍵。這一發(fā)現(xiàn)不僅加深了他們對(duì)模型的理解，還為后續(xù)認(rèn)識(shí)和使用杠桿平衡裝置，如托盤天平，奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

任務(wù)四：破壞摞放橡皮后簡(jiǎn)易蹺蹺板的平衡狀態(tài)。

情境：破壞已摞放4塊相同橡皮的簡(jiǎn)易蹺蹺板平衡。

問(wèn)題：你猜想破壞平衡的原因可能是什么？

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生遷移了之前任務(wù)中的經(jīng)驗(yàn)，保持支點(diǎn)不動(dòng)，嘗試“向左或向右移動(dòng)直尺”“改變某一邊橡皮的數(shù)量”或“改變某一邊橡皮離支點(diǎn)的位置”來(lái)破壞平衡，而避免選擇“改變重心的位置”或“同時(shí)改變位置和數(shù)量”的復(fù)雜方式。學(xué)生猜想，改變橡皮（物品）的數(shù)量或其離支點(diǎn)的位置，甚至同時(shí)改變這兩者，都可能導(dǎo)致模型失衡。

（三）科學(xué)推理，思維進(jìn)階

通過(guò)估計(jì)、測(cè)量計(jì)算或反復(fù)試錯(cuò)，學(xué)生逐漸確信物體重量和放置位置是決定簡(jiǎn)易蹺蹺板平衡的主要因素。他們的問(wèn)題日益具體，思考路徑愈發(fā)清晰，方法也更為有效，顯示出其思維發(fā)展的上升趨勢(shì)。同時(shí)，學(xué)生也意識(shí)到模型的粗糙性，提出需要改進(jìn)或直接使用實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行深入探究。

任務(wù)五：放置文具物品，保持簡(jiǎn)易蹺蹺板平衡。

情境：提供常見且合適的文具用品及彈簧測(cè)力計(jì)。

問(wèn)題：你觀察到了什么現(xiàn)象？

設(shè)計(jì)意圖：規(guī)范使用或探索彈簧測(cè)力計(jì)是科學(xué)探究的重要組成部分。學(xué)生將“關(guān)注主要因素，忽略次要因素”的科學(xué)探究原則潛移默化地應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)探究中。面對(duì)思維沖突，他們深入思考，通過(guò)科學(xué)推理猜想：“當(dāng)簡(jiǎn)易蹺蹺板保持平衡時(shí)，可以測(cè)量出物體重量和離支點(diǎn)的長(zhǎng)度，這兩者之間似乎存在某種關(guān)系，那會(huì)是怎樣的關(guān)系呢”。受時(shí)間和條件限制，學(xué)生暫時(shí)放棄改進(jìn)模型，轉(zhuǎn)而選擇使用實(shí)驗(yàn)儀器和測(cè)量數(shù)據(jù)記錄表繼續(xù)探究。

（四）構(gòu)建圖示，明晰目標(biāo)

完成實(shí)驗(yàn)后，教師指導(dǎo)學(xué)生繪制上述五項(xiàng)任務(wù)的簡(jiǎn)明圖示，這一過(guò)程促使學(xué)生回顧所學(xué)內(nèi)容，主動(dòng)激活大腦中的記憶信息，并運(yùn)用標(biāo)注、圈劃等視覺(jué)化手段來(lái)整理和表達(dá)他們的思考。

任務(wù)六：總結(jié)杠桿平衡的影響因素。

情境：利用學(xué)習(xí)用具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

問(wèn)題：哪些因素影響杠桿的平衡？

設(shè)計(jì)意圖：在“直尺保持水平方向平衡”這一實(shí)驗(yàn)條件易于控制的情境下，學(xué)生能夠清晰地歸納出“物體的重量以及物體離支點(diǎn)的距離是影響杠桿平衡的關(guān)鍵因素”。然而，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也可能因儀器使用不規(guī)范、力臂概念理解不透徹等問(wèn)題而產(chǎn)生思維混亂。因此，教師需要適時(shí)介入，提供必要的學(xué)習(xí)支持，為學(xué)生后續(xù)規(guī)范使用杠桿平衡裝置進(jìn)行定量測(cè)量奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

二、可視化定量測(cè)量，平衡條件數(shù)學(xué)化

（一）觀察儀器，提出猜想

在初中物理教學(xué)中，落實(shí)思維支架是有效實(shí)踐與科學(xué)創(chuàng)新的基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)器材不僅是物理學(xué)習(xí)的重要工具，也是物理學(xué)科學(xué)習(xí)的關(guān)鍵內(nèi)容。針對(duì)某些實(shí)驗(yàn)器材，學(xué)生僅知道如何正確使用是不夠的，更應(yīng)深入理解器材原理，以培養(yǎng)科學(xué)思維。實(shí)驗(yàn)器材是發(fā)明者創(chuàng)造性思維的結(jié)晶，蘊(yùn)含著豐富的科學(xué)思想方法。因此，在活動(dòng)教學(xué)中，對(duì)核心器材的深入探究尤為重要。

任務(wù)七：認(rèn)識(shí)杠桿平衡裝置。

情境：展示杠桿平衡裝置。

問(wèn)題：杠桿平衡裝置與托盤天平有何相似之處？它們的作用是否相同？

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)對(duì)比托盤天平和杠桿平衡裝置，學(xué)生可判斷托盤天平是等臂杠桿，并發(fā)現(xiàn)它們的相似部件“平衡螺母”。學(xué)生猜想平衡螺母的作用相同，即測(cè)量前要調(diào)節(jié)以忽略橫桿或杠桿自重，測(cè)量時(shí)則不能調(diào)節(jié)。

（二）改進(jìn)表格，思維可視

圖表是思維可視化的最佳工具，對(duì)學(xué)生高階思維能力（如分析、評(píng)價(jià)、創(chuàng)造）的培養(yǎng)具有顯著幫助。

任務(wù)八：優(yōu)化測(cè)量數(shù)據(jù)記錄表。

情境：分析教材中的表格。

問(wèn)題：為何要優(yōu)化表格？

設(shè)計(jì)意圖：在教材中測(cè)量記錄表的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了如下優(yōu)化：在“次數(shù)”列左側(cè)增加“測(cè)量要求”“簡(jiǎn)單圖示”“實(shí)驗(yàn)條件”和“序號(hào)”四列；在原表格末列右側(cè)增加“杠桿的平衡條件數(shù)學(xué)化”和“想法或看法”兩列；測(cè)量空行數(shù)由3行擴(kuò)展為15行；實(shí)驗(yàn)條件（共5個(gè)）分別設(shè)定為“動(dòng)力F1=阻力F2，動(dòng)力臂l1=阻力臂l2”“動(dòng)力F1＞阻力F2，動(dòng)力臂l1＜阻力臂l2”“動(dòng)力F1＜阻力F2，動(dòng)力臂l1＞阻力臂l2”“隨意懸掛文具用品”和“與右（或左）物體同側(cè)豎直上提彈簧測(cè)力計(jì)”。優(yōu)化后的表格更具可視化效果，能夠清晰地記錄學(xué)生的思考和實(shí)踐過(guò)程。

（三）歸納關(guān)系，數(shù)學(xué)表達(dá)

學(xué)生需分析測(cè)量數(shù)據(jù)，以歸納出杠桿的平衡條件。教師可利用計(jì)算圖形面積的方法，幫助學(xué)生理解乘法關(guān)系。

任務(wù)九：分析歸納杠桿的平衡條件。

情境：分析測(cè)量表中的數(shù)據(jù)。

問(wèn)題：能否用圖像解釋杠桿平衡條件的乘法關(guān)系？

設(shè)計(jì)意圖：教師收集學(xué)生測(cè)量數(shù)據(jù)表中的特殊情況，如左邊力與力臂為1、4組合，右邊為2、2組合；或左邊為2、3組合，右邊為1、6組合等。學(xué)生在用加、減、乘、除逐一驗(yàn)證測(cè)量數(shù)據(jù)可能的關(guān)系時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)只有乘法關(guān)系成立，從而猜想杠桿的平衡條件是“動(dòng)力×動(dòng)力臂=阻力×阻力臂”。教師可順勢(shì)引導(dǎo)：“速度的單位是米/秒，時(shí)間的單位是秒，它們相加沒(méi)有意義，但相乘會(huì)得到什么？”學(xué)生可能會(huì)頓悟：“兩個(gè)不同的量相乘，可以得到一個(gè)新的量，比如路程=速度×?xí)r間?！苯處熇^續(xù)引導(dǎo)：“矩形的面積和勻速運(yùn)動(dòng)物體的路程可以用圖像表示，那么杠桿平衡時(shí)能否用面積圖像表示呢。”

三、評(píng)價(jià)多元化，拓展可視化，鼓勵(lì)質(zhì)疑與創(chuàng)新再探究

教師需依據(jù)金字塔學(xué)習(xí)和遺忘曲線理論，精心設(shè)計(jì)多種形式的作業(yè)，旨在科學(xué)評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)業(yè)質(zhì)量，并推動(dòng)他們的學(xué)習(xí)進(jìn)程。通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐，學(xué)生們收獲了自信，并急于驗(yàn)證他們?cè)趯?shí)踐中產(chǎn)生的疑問(wèn)：“當(dāng)使用彈簧測(cè)力計(jì)斜向上提、斜向下拉或豎直向下拉時(shí)，杠桿是否仍然能保持平衡？如果杠桿上的施力位置不變，那么測(cè)出的值是否會(huì)一致”。在實(shí)驗(yàn)探究的過(guò)程中，學(xué)生們將面臨如何對(duì)彈簧測(cè)力計(jì)進(jìn)行校零、如何準(zhǔn)確測(cè)量力臂及正確讀數(shù)等挑戰(zhàn)。這些問(wèn)題的解決需要學(xué)生深入思考、自主構(gòu)建學(xué)習(xí)支架、分工協(xié)作，并通過(guò)循序漸進(jìn)的實(shí)踐來(lái)逐步攻克。

（一）持續(xù)探究，解開謎團(tuán)

任務(wù)內(nèi)容：設(shè)計(jì)并完成一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，探究彈簧測(cè)力計(jì)與杠桿在非豎直狀態(tài)下保持水平平衡的關(guān)系。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)頻繁且靈活地操作彈簧測(cè)力計(jì)，學(xué)生在規(guī)范使用的前提下，驗(yàn)證杠桿平衡條件是否具有普遍性（即普適性），從而消除他們?cè)趯?shí)踐中產(chǎn)生的疑惑，進(jìn)一步確認(rèn)乘法關(guān)系的正確性。

（二）探尋古人智慧，領(lǐng)略文化意義

任務(wù)內(nèi)容：觀察教材配圖，結(jié)合所學(xué)的杠桿知識(shí)，探討并闡述古代中國(guó)人如何利用杠桿原理，以“少用一點(diǎn)力氣”的方式搬運(yùn)巨大的木料。

設(shè)計(jì)意圖：此處使用“少用一點(diǎn)力氣”而非“省力”，更貼合課程目標(biāo)、單元結(jié)構(gòu)以及章節(jié)內(nèi)容的編排要求。此任務(wù)旨在引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)知識(shí)與歷史文化相結(jié)合，通過(guò)探尋古人的智慧，加深對(duì)杠桿原理的理解和應(yīng)用。

（三）結(jié)合生活物理，強(qiáng)化知識(shí)運(yùn)用

如圖1所示，教師可以向?qū)W生提問(wèn)生活中常見的桿秤一般有兩個(gè)吊環(huán)，何種情況采用A吊環(huán)，何種情況采用B吊環(huán)？俗語(yǔ)“秤頭有高低”的意思是在生意中用桿秤稱量物品時(shí)，秤頭有時(shí)翹起，有時(shí)下沉，那么秤頭翹起和下沉分別有利于買家還是賣家？有商家在賣商品時(shí)，將桿秤的標(biāo)準(zhǔn)秤砣替換成質(zhì)量較小的秤砣，這樣做的結(jié)果是什么？

設(shè)計(jì)意圖：桿秤是古人智慧的結(jié)晶，是杠桿在生活中的創(chuàng)造性應(yīng)用。如今，桿秤已很少見，學(xué)生遷移應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，解決新情境中的經(jīng)典問(wèn)題，體現(xiàn)“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”的課程理念。

四、結(jié)語(yǔ)

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》明確指出，“教師應(yīng)依據(jù)課程理念、課程目標(biāo)和課程內(nèi)容等要素，緊密結(jié)合教學(xué)的實(shí)際情況，創(chuàng)造性地開展物理教學(xué)，將培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的任務(wù)貫穿物理教學(xué)活動(dòng)的始終?！碧剿骱蛯?shí)踐科學(xué)思維培養(yǎng)的顯性化，是物理教學(xué)的一項(xiàng)創(chuàng)新嘗試。期望通過(guò)這一嘗試，使教師的教學(xué)過(guò)程、學(xué)生的思維發(fā)展以及學(xué)習(xí)進(jìn)階的全貌都能夠被清晰地“看見”，從而使教與學(xué)的得失有據(jù)可查，有法可循。

■ 參考文獻(xiàn)：■

［1］ 李春密，蘇明義. 新版課程標(biāo)準(zhǔn)解析與教學(xué)指導(dǎo)初中物理［M］. 北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

［2］ 許光曙. 構(gòu)建漸進(jìn)支架實(shí)現(xiàn)思維進(jìn)階［J］. 物理教師，2024，45（05）：35-38.

［3］ 柯清超. 超越與變革：翻轉(zhuǎn)課堂與項(xiàng)目學(xué)習(xí)［M］. 北京：高等教育出版社，2016.

［4］ 王正全，趙高森，董皓，等. 融合中華傳統(tǒng)文化的初中物理5E教學(xué)模式：以“杠桿的平衡條件”為例［J］. 物理教學(xué)探討，2023，41（04）：61-64.