在科学概念的形成过程中，思维方式往往不尽相同。部分概念的形成过程主要侧重于培养学生的识记、理解和应用能力，而未能充分涉及分析、评价、创造等高阶思维能力的培养
［1］。那么，如何在概念教学中培养学生的高阶思维呢？对此，教师应创新实验设计，使学生能够对概念的相关内容获得充分的感性认识，然后将感性认识转变成实物模型，再从实物模型抽象出理想模型。还应该鼓励学生进行实验创新，让学生获得真正的证据，从实验创新中抽象出事物的本质属性，从而得出科学概念。
1 获得足够感性认识的路径
初中生的思维特点是，正处于由形象思维向抽象思维发展过程中。形象思维仍是初中生的主要思维方式
［2］。因此，在建构科学概念前，首先要让学生获得足够感性认识，以此激发他们的好奇心和强烈的探究欲。
【案例1】一枚铁钉很容易将气球刺破。然而，当100枚铁钉整齐排列成钉排，气球置于其上时，却难以被刺破。这是为什么呢？难道“人多力量大”不成立了？此时，教师脱下鞋，双脚站在钉板上。这不禁令人好奇：为什么100枚铁钉反而既不能刺破气球，也不能伤害教师的脚呢？
设计意图：以趣味实验激发学生的学习动机，引发关键问题；让学生获得丰富的感性认识，同时产生充分的好奇心和探究欲。
2 掌握概念建构的思维方法路径
科学概念，是对事物本质特征与共同属性的分析与概括。在建构概念时，需要抽象出物质的属性，进而形成对物质的具体表征
［1］。用理想的方法进行科学抽象，使片面的、零碎的知识上升为各种概念和理论，从而揭示事物本质，掌握事物发展规律。
2.1 掌握建构压力概念的思维方法
在建构概念时，不可能一蹴而就，而是需要不断地经历思维进阶。在思维进阶过程中，在学生掌握充足证据基础上，引导其建构实物模型。再帮助学生排除次要因素，聚焦于主要因素，抽象出理论模型，这样就能让学生充分理解概念的本质属性和内在规律。教师应特别注重引导学生的思维从形象向抽象方向发展，提升其感性思维能力，进而提炼出科学概念（
图1）。
在建构压力概念时，首先引导学生通过实验体验，直观感受压力的存在及其作用效果；然后，让学生建构实物模型；最后，抽象出理论模型。这一过程真正让学生理解了压力的概念：垂直作用在物体表面的力。压力大小在不同情况下跟重力有关或无关。
（1） 借实验体验获得感性认识。
【案例2】为了突破压力概念的理解障碍，可以利用电子天平进行如下实验：用天平称量出一块铜块的质量为130 g，缓慢地将电子天平的一端逐渐翘起；随着翘起角度的逐渐增大，电子天平上显示的读数不断减小，从130 g减小至108 g，再减少至74 g。学生直观地观察到，电子天平受到的来自铜块的压力在不断减小。这一实验现象有力地证明了压力与重力是两个不同的物理量。
设计意图：让学生充分体验到“你讲给我听，我会忘记；你做给我看，我会记得；让我参与，我会理解”的真正含义。同时，强调实证物理的重要性，让学生通过实验获得感性认识，进行科学抽象，从而认识事物的本质属性。
（2） 借实物模型感悟出理性思维。
【案例3】利用竹条制作如
图2所示的弓形结构，将重物置于下方的竹片上，并在其下方悬挂一个钩码来显示重力的方向。竹片会产生显著的形变，将竹片移至①②标记处，观察竹片的形变程度和形变方向，并在木板白纸上画出这两个位置所受压力的方向。力的大小：水平面
F压=
G，斜面
F压＜
G。这一实物模型让学生进一步感受到压力的本质属性，并认识到压力和重力是两个不同的物理量。
设计意图：通过实物模型，学生充分体验到重力与压力的关系。在水平位置，压力的大小等于重力；在非水平位置，压力的大小小于重力，甚至在某些情况下，压力与重力的方向也不同。这一实验还为学生提供了一个建构实物模型的案例，有助于学生进行知识迁移。
（3） 借理论模型抽象出科学概念。
在学生获得实物模型后，为了使他们真正理解压力概念的内涵，就需要进行科学抽象，揭示出事物的本质属性。建构压力的3个理论模型如
图3所示。在建构理论模型的过程中，要充分体现压力的三要素：压力的方向垂直于物体表面；压力的作用点位于被压物体表面；压力的大小在不同情况下与重力的关系不同，有时等于重力，有时小于重力，有时与重力无关。
设计意图：概念教学的最终目标，是让学生形成科学的概念。为此，进行理性思考并建构科学的理论模型，是至关重要的。这是因为，它可以让学生忽略次要因素，抓住事物的主要因素，突出事物的本质、特征与规律，让学生更清晰地理解概念，从而在概念教学中培养学生的科学思维，并为学生示范了解决问题的科学方法。
2.2 掌握建构压强概念的思维方法
科学概念相互关联，是一个有机的整体。在学习了压力概念后，再引入压强概念，就水到渠成了
［3］。各概念间存在着紧密的逻辑关系，掌握一个概念，往往为理解另一个概念奠定了基础，尤其是科学思维和科学方法的迁移和应用。压强概念的建构需要经历体验、定性、定量3个阶段，才能让学生充分理解。在定性分析的基础上，进行定量实验的创新，更能让学生充分体验到压强大小与哪些因素相关。
（1） 借实验体验获得感性认识。
【案例4】如
图4所示的两个实验，将一个气球放在钉板中央，施加大小不同的力，观察到气球发生了不同程度的形变（
图4-a）。这一现象直观地让学生体验到，压力的作用效果与压力的大小有关。接着，将一支两端形状不一样的笔同时压在两根手指之间（
图4-b），用力按压时发现：笔尖一端的手指凹陷得更深，且感觉更为疼痛。据此，学生体验到压力的作用效果与受力面积有关。那么，压力的作用效果与压力大小及受力面积之间究竟存在怎样的关系呢？这就需要通过进一步的实验研究来揭示。
（2） 以定性实验获取初步规律。
压力的效果，可能与压力的大小有关，还可能与受力面积的大小有关。你能用实验验证吗？如何设计实验方案？如何控制实验变量？如何观察压强大小？小组合作思考，得出如
图5所示方案。将小凳子放在海绵上，利用一个砝码按照图示的步骤开展实验，观察实验现象，并比较各次实验中海绵的凹陷程度
［4］。实验表明，当受力面积相同时，压力越大，压力的作用效果越明显；当压力相同时，受力面积越小，压力的作用效果越明显。是否能进一步推导出更为精确的定量结论？
设计意图：通过不停地追问，引导学生主动设计实验方案，进行变量控制；借助转换法等科学方法，得到初步的定性结论。在整个过程中，所有的设计、方案以及科学方法都由学生亲自构思与实施，能够有效培养学生的科学思维和科学素养。
（3） 借定量实验证实规律。
在得出定性结论后，为了进一步突破压强的科学概念，再进行创新实验设计——采用4根弹簧（受力面积相同），在其上方的平板上分别放置2个钩码和4个钩码进行实验，用刻度尺量出其形变程度，如
图6所示。多次实验结果显示，4个钩码的形变程度正好是2个钩码的2倍。得出结论：在受力面积一定时，压强跟压力成正比。
进一步创新实验设计：用3个钩码（压力相同），分别在其下方放置6根弹簧和3根弹簧进行实验，用刻度尺量出其形变程度，如
图7所示。实验发现：3根弹簧的形变程度正好是6根弹簧的2倍。经过多次实验后，得出结论：在压力一定时，压强跟受力面积成反比。
总结：压强跟压力成正比，跟受力面积成反比。
设计意图：在进行定性实验时，由于海绵的形变并非弹性形变，无法得出定量关系。因此，为了弥补教材实验的不足，需要寻找具有弹性形变特性的弹簧进行实验。利用轻质弹簧进行实验，可以清晰地展示压强这一科学概念的本质，帮助学生更好地建构和理解这一概念，同时给学生提供一种解决问题的方法和路径。
3 排除学习概念思维障碍的路径
在科学概念的建构过程中，学生经常会遇到各种思维障碍。那么，如何有效地排除这些思维障碍，帮助学生充分理解教材编写专家的意图呢？笔者认为，关键在于在建立科学概念后，对概念的适用范围和特殊情况进行深入的辨析和再认。以压强概念为例，在得出压强概念后，教师往往会忽略教材中一个非常关键的问题：“对于相同的支承面，压力产生的效果跟哪些因素有关？”
［4］这个问题的提出，实际上是在强调实验结论的得出都是在相同支承面的条件下进行的。
为了突破这一难点，可以引入一个真实的问题情境：同一个人站在沙滩上会留下深深的脚印，但是站在水泥地面上却没有。这是否意味着他站在沙滩上的压强明显大于站在水泥地面上的压强呢？答案显然是否定的，他站在沙滩上的压强等于甚至小于在水泥地面上的压强。通过这个案例的分析，学生就能充分理解，所有关于压强的结论都是在特定前提条件下得出的，并非适用于所有的情境。
4 理解应用、形成概念的路径
在理解概念和建构概念后，应该将科学概念结构化，使科学概念间的关系得以关联。只有这样，学生所学的知识才能得以精炼，存储得更为有序，进而在需要运用时能够更加便捷地提取出来
［3］。
比较压力的作用效果有：压力相同，比较受力面积大小；受力面积相同，比较压力大小。然而，当压力和受力面积都不同时，该如何进行比较呢？此时，可以采用“比值定义法”，参考定义密度和速度时的方法，将单位面积上受到的压力定义为压强。进一步通过定义得出压强的计算公式：p=F/S。压强的单位：N/m2。
得到压强的概念、定义和公式后，接下来的关键步骤是将这些知识应用于实际的生产生活之中。对此，教师可以让学生解释一些具体现象以及计算相关的信息和内容，来加深他们对压强概念的理解。以工程设计为教学手段，不仅可以引导学生关注社会问题，还能有效发展他们的工程设计能力。
【案例5】设计切蛋神器。请学生设计一个方便的切蛋神器，并说明设计原理。学生认为，可以用钢丝来切鸡蛋，但是在实际操作中无法将鸡蛋切得大小均等。教师展示网购的切蛋神器，让学生比较自己设计的方案和网购切蛋神器的实际应用效果。
设计意图：通过设计切蛋神器的任务，巩固学生对增大压强方法的理解，同时培养学生的工程设计能力、评价能力，在比较中体会到科学技术在改善人类生活中的重要作用。
【案例6】设计重型运输车。教师展示一张重达400多吨的风力发电机组图片，请学生设计一辆能够完成此项运输任务的运输车，并说明其设计原理。学生认为，可以通过增加运输车的轮子数量来实现。教师引导学生思考：多少个轮子才能实现安全运输？教师播放SPMT运输车（自行式模块运输车）的视频。SPMT是一种陆地上最强大的运载工具，能够运输超大型和超重型设备。
设计意图：通过设计重型运输车的任务，巩固学生对减小压强方法的理解，培养学生理论联系实际的能力，同时在观看视频的过程中感悟国之重器，增强文化自信。
5 结语
科学概念唯有通过实验应用，实现深刻理解并形成结构后，方能成为学生知识体系中的一部分；方能在教学过程中，真正体现“以生为本”的理念，真正发展学生的思维，提高学生的能力，培养学生的素养。科学概念教学过程，是一个复杂的、需要调动多因素的过程。
在整个过程中，教师需要充分发挥“主导作用”，精心创新实验设计，规划教学流程，充分激发学生的主观能动性。“创新设计实验”的核心策略是将抽象的概念转化为一系列具体的实验，这些实验能更精准地揭示事物的本质特征。也就是在将思维可视化过程中，引导学生进行证实与证伪，从而提炼出科学的概念、规律和原理。要让学生像科学家那样思考，像科学家那样创新和改进实验，像科学家那样寻找证据，始终保持其好奇心、想象力和探究欲。
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