高階思維導向的物理問題設計

田成良 朱玉囤

摘 要：在傳統(tǒng)的復習課中，教師只注重知識的訓練，不能激發(fā)學生的興趣，學生思維能力發(fā)展不足.新課改強調(diào)發(fā)展學生的科學思維，布魯姆目標分類學中則強調(diào)高階思維能力的發(fā)展.教師在教學中設置問題是促進學生高階思維能力發(fā)展的最有效手段，問題是激發(fā)學生思維的源泉，是學生持續(xù)不斷思考的動力.

關(guān)鍵詞：問題設計;單元教學;高階思維

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）04-0027-03

作者簡介：田成良（1974-），男，山東泗水人，本科，中學高級教師，中學物理特級教師，碩士生導師，物理教研員，研究方向：物理過程教學、物理科學方法教育、課堂教學藝術(shù)等;

朱玉囤（1970-），男，山東泗水人，本科，中學一級教師，研究方向：初中物理教法研究、中考試題研究.

傳統(tǒng)的單元復習只是教師對知識的總結(jié)和操練，重復已知的內(nèi)容，學生對此并不感興趣，教師只有關(guān)注學生內(nèi)部動機的激發(fā)，才能讓學生取得良好的學習效果.新課改強調(diào)發(fā)展學生的科學思維，尤其是推理、論證和質(zhì)疑創(chuàng)新等高階思維.因此，教師在課堂教學中要重組教學內(nèi)容，聚焦核心知識，設計符合學生認知的關(guān)鍵問題，用問題引領學生自主學習是發(fā)展學生高階思維的重要途徑，問題是促進學生高階思維能力發(fā)展的核心.

1 理論依據(jù)

高階思維能力是以布盧姆1956 年版的認知目標分類為基礎，經(jīng)過泰勒等學者修改后，將新目標分類中的記憶、理解和應用稱為“低級思維能力”，將分析、評價和創(chuàng)造稱為“高階思維能力”，學生通過解決問題進行學習的思想由來已久，從蘇格拉底的談話法到杜威的問題教學法、布魯姆的發(fā)現(xiàn)學習法，都是以問題為中心的學習方法.鐘啟泉教授指出：發(fā)展學生的高階思維，教師要以高階學習活動予以支持，要以學習者為中心，開展問題求解的學習活動， 形成知識共享、互動合作的學習模式.

在單元復習中，教師將學科核心知識進行合理重組，巧妙地設計成各種問題，不僅能夠激發(fā)學生探究的熱情，實現(xiàn)對所學知識的自主建構(gòu)和深度理解，而且能促進學生高階思維能力的發(fā)展.

2 設計思路

本章內(nèi)容是力學的重點知識，是學生此前學習過的“力和運動”“壓強”以及“二力平衡”等知識的延伸.浮力是力學的難點，知識綜合性強，相對抽象，因此，學生感覺這部分知識難度較大.本章從力的角度認識浮力，從力的平衡角度分析物體的浮沉，最后通過改變浮力，利用浮力更好地為人類服務.教師針對浮力知識的復習，不僅要從目的上，還要在復習的內(nèi)容、形式、方法上，都應關(guān)注使得學生“愛復習”.指向高階思維發(fā)展的單元復習策略，教師首先應當將知識結(jié)構(gòu)化，然后創(chuàng)設真實問題情境，針對重點、難點等核心知識進行設問，用問題引領學生的學習過程，學生復習的過程就是解決問題的過程.教師采用這種教學方式，能夠有效地調(diào)動學生主動參與，提高復習的實效性.為使復習目的明確，教師首先應當將任務細化，見表1.

3 教學過程

3.1 引入新課

教師首先演示在水槽中放入一大土豆，發(fā)現(xiàn)土豆下沉.然后準備放入第二個相同的土豆，讓學生預測，第二個土豆放入水中是否也會下沉？學生認為相同的土豆放入水中肯定下沉.當教師放入第二個土豆后，學生卻發(fā)現(xiàn)第二個土豆漂浮，此時學生感到驚訝，不知所措.教師展示第二個土豆的上方存在一個大洞并提出問題：為什么土豆變空心后就可以在水面漂浮？由此引入主題，如何改變物體的浮沉？

3.1.1 設計層次問題，梳理知識體系

任務一 認識菜盆中的浮力：教師將蘋果、核桃、西紅柿、大辣椒、雞蛋、土豆等物體分別放入水中，讓學生觀察它們在水中的狀態(tài)，并思考以下問題：（1）你看到什么現(xiàn)象？（2）從中可以獲得哪些跟浮力有關(guān)的信息？（3）沉底的土豆和漂浮的核桃誰受到的浮力大？

設計意圖：教師在本環(huán)節(jié)中利用生活中的蔬菜和水果，創(chuàng)設菜盆中的浮力情境，梳理浮力的知識體系，其中包含浮力的定義、產(chǎn)生原因、影響因素、物體浮沉及應用等知識.這種設計符合學生的認知經(jīng)驗，能實現(xiàn)由點到面地進行知識整合，幫助學生建構(gòu)本章的知識體系.

評析：層次性問題是將問題分解為若干個由易到難并相互聯(lián)系的子問題，從而形成層級問題.問題由簡單到復雜、由淺入深、層層遞進，能滿足不同層次學生的發(fā)展需要，解決不同層次問題.本任務中問題1、2考查學生對于知識的記憶和理解，屬于低階思維考查;問題3考查阿基米德原理的應用，鍛煉學生的推理和判斷能力，屬于高階思維能力培養(yǎng).教師通過層次性問題的引領，不僅幫助學生建構(gòu)知識體系，還實現(xiàn)學生思維由低階向高階的轉(zhuǎn)變.

3.1.2 設計開放問題，突破知識難點

任務二 讓雞蛋浮起來：如何用一塊塑料布和一根橡皮筋，讓雞蛋（土豆）浮起來？備選器材為食鹽.

設計意圖：本環(huán)節(jié)屬于開放性任務，學生可以自選器材使得杯中的雞蛋或土豆浮起來.教師引導學生分析物體浮沉的原理，可從（1）增大排開液體的體積，（2）增大液體的密度，（3）減小物體的重力，三個方面來考慮，學生可以選擇水中加鹽增大液體密度，從而增大浮力;也可以選用塑料布把雞蛋包起來放入水中，增大排開液體的體積，進而增大浮力;還可以給土豆挖空心，減小土豆所受的重力，使其浮起來.此種多元化的解決問題的路徑，利于學生思維發(fā)展.

任務三 讓礦泉水瓶沉下去：展示一個在水面上漂浮的礦泉水瓶并提出問題：有什么辦法能夠讓它沉下去？

設計思路：教師從影響物體浮沉的因素考慮，讓學生討論，并展示：（1）向瓶內(nèi)加水，增加重力，使其下沉;（2）把瓶子捏扁，減小排開液體的體積，減小浮力，使其下沉.

評析：開放性問題，學生的思維不受限制，有利于激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和問題解決能力.學生的思維在碰撞中被激活，知識被活化，高階思維能力得到發(fā)展.教師在本環(huán)節(jié)中利用兩個開放性任務，加強學生對于浮力知識的應用，突破物體的浮沉條件這一難點.學生設計方案，解決真實問題，屬于布魯姆認知目標中的創(chuàng)造層次，有利于高階思維的發(fā)展.

3.1.3 設計真實問題，加強安全教育

任務四 設計一款救生衣：創(chuàng)設一名兒童在水中游泳突然不幸沉入水底的情境，為防止類似問題發(fā)生，及時營救落水的群眾，請根據(jù)浮力知識設計一款便攜式救生衣.

設計意圖：為使落水的人實現(xiàn)迅速自救，學生會從如何增加浮力的角度展開思考，即需要增大排開水的體積.經(jīng)學生討論，形成方案：將安全氣囊壓縮后綁在手臂上，當發(fā)生危險時，迅速打開開關(guān)，自動向內(nèi)部充氣，氣囊膨脹，排開液體的體積增大，浮力增大，人被浮起來，從而實現(xiàn)自救.

評析：真實問題是指教師將問題鑲嵌于真實情境之中，學生在解決復雜問題中深化所學知識的理解，實現(xiàn)新知識建構(gòu)，并在解決問題過程中培養(yǎng)創(chuàng)新能力.本任務基于生活問題，讓學生學會改變浮力的大小，親歷發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的完整過程.設計增大浮力方案，屬于布魯姆認知目標中的創(chuàng)新級別，屬于高階思維能力培養(yǎng).另外，教師在本環(huán)節(jié)中利用落水救人問題以研發(fā)救生衣，不僅幫助學生鞏固浮力知識，還滲透生命安全教育.

3.1.4 設計變式問題，引發(fā)認知沖突

任務五 改變物體的浮沉：

演示實驗1：教師將一個裝有配重的墨水瓶，放入盛有熱水的大溢水杯中，讓學生觀察有什么現(xiàn)象發(fā)生？并解釋其原因？

設計意圖：墨水瓶放入熱水中后，開始由于瓶子的重力大于浮力，瓶子下沉.但根據(jù)物體的熱脹冷縮原理，瓶內(nèi)空氣吸熱，體積膨脹，使氣球體積膨脹，氣球體積增大，瓶子受到的浮力增大，當浮力大于重力時，墨水瓶會自行上浮.所以，墨水瓶先下降后上浮，如圖1所示.

演示實驗2：教師將一個裝有冷水的氣球，放入熱水中，觀察有什么現(xiàn)象發(fā)生？過一會，球又有什么變化？請解釋其中的原因？

設計意圖：由于水氣球內(nèi)部裝有冷水，球內(nèi)水的密度大，球外水溫高，密度小，所以水氣球會下沉.經(jīng)過一段時間，由于水氣球吸熱，內(nèi)外溫度一致時，水氣球內(nèi)外的密度也一致，受氣球體積的影響，水氣球最終將上浮.

評析：本環(huán)節(jié)是變式性問題，通過變化“非本質(zhì)屬性”，讓學生理解“本質(zhì)屬性”的一種方法.教師圍繞不同物體的浮沉進行設疑，讓學生先經(jīng)歷排開液體體積變化對浮力的影響，再經(jīng)歷液體溫度對浮力大小的影響，設計變式問題，層層遞進，暴露學生的錯誤認識，引發(fā)學生的認知沖突.學生急切地想知道液體溫度對浮力是否產(chǎn)生影響，為后續(xù)開展實驗探究奠定基礎.最后讓學生在出錯、究錯、糾錯中獲得真知，在推理和分析的過程中發(fā)展高階思維.

3.1.5 設計探究問題，培養(yǎng)實驗能力

任務六 探究液體溫度對浮力的影響：針對上述問題，有學生認為浮力大小與液體溫度有關(guān)， 能否用實驗證明你的觀點？實驗器材有圓柱體、測力計、一杯冷水、 一杯熱水，密度計、食鹽等.

設計思路：本實驗采用控制變量的思路進行研究，控制液體的密度和排開液體的體積，改變液體的溫度，測量物體所受的浮力.需要強調(diào)的是，實驗中要控制液體密度，需要向熱水中加食鹽，用密度計進行調(diào)節(jié)冷、熱水的密度相同，才能進行比較浮力大小，如圖2所示.

實驗步驟如下：

（1）將圓柱體懸掛在彈簧測力計下，靜止時記錄測力計的示數(shù)G.

（2）將圓柱體浸沒在冷水（約20℃）中，圓柱體不接觸容器，靜止時記錄測力計的示數(shù)為F1.

（3）將密度計放入冷水（約20℃）中，靜止時記錄密度計的示數(shù)為ρ1;將密度計取出后放入熱水（約90℃）中，向其加入適量食鹽使其密度ρ2=ρ1.

（4）將圓柱體浸沒在密度為ρ2的熱水中，圓柱體不接觸容器，靜止時記錄測力計的示數(shù)為F2.

結(jié)論：兩杯液體的溫度不同，而G-F1=G-F2.可以證明“浸在水中的物體所受浮力大小與液體的溫度無關(guān)”，因此，浮力大小與液體溫度有關(guān)這種說法是錯誤的.

評析：學生解答探究性問題一般沒有固定的路徑和方法，大多基于問題，開展觀察、操作、分析、綜合等活動.探究液體溫度對浮力的影響是課本內(nèi)容的延伸和拓展，探究過程具有開放性、挑戰(zhàn)性和綜合性，答案具有不確定性.學生會積極主動地參與到實驗中來，在實驗設計、分析歸納中促成高階思維發(fā)展.

3.1.6 設計拓展問題，滲透價值觀念

任務七 了解我國核潛艇發(fā)展現(xiàn)狀：觀看視頻，2019年4月在青島舉行的中國海軍成立70周年大閱兵的場景，展示我國核潛艇的航行畫面，場面震撼，激動人心.并思考以下問題.

問題1：核潛艇上浮與下沉的原理是什么？

問題2：我國核潛艇的發(fā)展你了解哪些？

問題3：誰是我國的核潛艇之父？

問題4：觀看完黃旭華的演講視頻，你有什么感想？

評析：教師在本環(huán)節(jié)中設計拓展性問題，進一步引導學生延伸學習我國核潛艇的發(fā)展現(xiàn)狀，運用浮力的相關(guān)知識，了解潛艇上浮和下沉的原理.由此介紹我國核潛艇之父——黃旭華的故事，黃旭華先生為了理想信念，隱姓埋名，30年如一日地潛心研究，為我國的核潛艇事業(yè)做出卓越貢獻.教師通過播放視頻以及設置拓展性問題，激發(fā)學生的愛國主義情懷，感悟家國情懷，樹立為祖國奉獻的科學精神.

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（收稿日期：2020-11-10）