基于學生高階思維培養的初中物理實驗教學

陳 懋

（海寧市斜橋中學，浙江 海寧 314406）

美國教育家布盧姆將思維過程從認知角度細分為具體化為6個教學目標，記憶、理解、應用、分析、評價和創造（表1），其中記憶、理解、應用是低階思維，是較低層次的認知水平，主要用于學習事實性知識或完成簡單任務的能力；分析、評價和創造為高階思維，是發生在較高認知水平層次上的心智活動或認知能力.［1］發展高階思維需要高階學習活動為基礎，以學習者為中心，以批判思維對待探究問題為前提，以創新性解決問題為根本.［2］實驗活動是高階學習活動，是培養高階思維的重要載體.本文以“物質的密度”學生分組實驗教學為例，變走馬觀花為尋根究底，變全盤接受為批判質疑，變依葫畫瓢為拓展探究，不僅可以激發學生學習物理興趣，而且可以幫助學生豐富感性認識，形成正確的物理觀念，培養學生的高階思維能力，提高學生的科學素養.

表1 布魯姆教育目標分類表——認知維度

1 變走馬觀花為尋根究底

科學推理是一種學生思維能力發展到一定階段之后的理性思維.［3］在實驗教學中，針對教材的實驗方案，教師稚化追問，提出新問題：為什么要進行這個實驗？實驗方案為什么這樣設計？還有別的實驗方法可以替代嗎？從而避免學生走馬觀花，引導學生在面對新問題時如何正確分析、推理和判斷，可以培養學生的高階思維能力.

例如，在測量小石塊的密度實驗中，教師可先通過組織學生交流討論實驗方案，再按照教材的方案（如圖1）進行實驗.先調節天平平衡，測出石塊的質量，在量筒中裝入適量水，用細線把石塊緩緩浸入量筒的水中，兩次讀數的差值就是石塊的體積，最后教師稚化追問，引導學生進行科學推理.

圖1

問題1：在量筒內裝適量的水，為什么？如果水過多，或者過少，對實驗有什么影響？經過學生討論，大家一致認為，水過多，量筒上方沒有刻度無法讀數，還可能水滿溢出，水過少，無法浸沒石塊，測量石塊的體積不正確.

問題2：如果先在量筒內裝適量水，再把小石塊投入水中，最后把小石塊取出，稱出小石塊的質量，可以嗎？經過學生討論，大家一致認為，先測石塊的體積，從量筒中取出石塊時，石塊表面會殘留部分水，再稱石塊的質量時偏大，導致測出的石塊密度比真實值偏大.學生分小組活動論證，實驗結果符合猜想事實.

問題3：如果石塊、鐵塊等很大，根本放不進量筒，這個實驗如果改進？經過學生討論，大家一致認為，如圖2所示，在燒杯中加水到標記，取出石塊，準備補充水，將量筒中的水倒入杯中至標記.當然，學生認為這種測量會帶來誤差，石頭從燒杯中取出會殘留水，體積偏大，作標記時不準確，導致測量的密度偏小.當然也有學生提出，利用溢水杯，在溢水杯中裝滿水，把石塊浸沒水中，把溢出的水倒入量筒，水的體積就是石塊的體積.

圖2

問題4：如果是泡沫等比水輕的物體，如何測量密度？又如果是能溶于水的食鹽、糖塊等，又如何測量密度呢？經過學生討論，大家一致認為，泡沫的密度比水小，可以用細鐵絲壓入水中，也可以在泡沫上捆綁小石塊等；而對于食鹽、糖等溶于水，可以選用細沙，在量筒內放適量細沙，把糖塊放入量筒中，然后搖勻，讀出兩次的體積讀數差.

問題5：如果在測量石塊的體積時，在量筒中裝適量的水，平視讀數，再把石塊浸入水中，俯視讀數（如圖3），則測出石塊的密度偏大還是偏??？經過學生討論，大家一致認為，俯視讀數，結果偏大，則石塊和水的體積偏大，導致石頭的體積測量值偏大，所以石頭的密度測量值偏小.

圖3

問題是思維的源泉.學生對教材的實驗方案有許多的疑難困惑.本案例中，教師基于學生的迷思概念，通過稚化追問，引導學生解決問題，避免學生走馬觀花，實現同化和順應，不僅培養學生分析問題能力，同時促進科學知識的理解，也有利于發展學生高階思維.

2 變全盤接受為質疑創新

質疑是創新的基礎，創新是質疑的深化.質疑是提出疑問，創新是提出解決問題的方法.在實驗教學中，教師要關注實驗內涵，注重啟發學生思考，提出自己的見解，通過挖掘實驗中存在的誤差原因，引導學生對新生成進行質疑反思，鼓勵學生進行創造性解決問題，可以培養學生的高價思維.

例如，在測量食鹽水的密度教學中，教師設問：根據密度公式，你認為如何測量鹽水的密度？需要測量哪些物理量？學生認為，需要測量食鹽水的質量和食鹽水的體積，教師設問：那如何測量食鹽水的質量和食鹽水的體積呢？有學生認為先測食鹽水的質量，考慮到食鹽水是液體，不能直接倒在托盤上，所以先測空燒杯的質量，把食鹽水倒入燒杯，再測食鹽水和燒杯的質量，最后把食鹽水倒入量筒測出體積，立即有學生提出另一種方案，先測食鹽水的體積，測空燒杯的質量，把食鹽水倒入燒杯，測燒杯和食鹽水的質量（如圖4）.

圖4

教師設問：你認為哪種方案更準確？有的學生認為第1種方案好，也有學生認為第2種方案好，但都說不出所以然.教師提供實驗器材，要求同意第1種選第1種，同意第2種方案的選第2種，并匯報實驗結果.學生發現第1種方案普遍比第2種方案偏大.

教師追問：兩種方案測量結果為什么不同？產生誤差的原因是什么？有的學生認為第1種方案的結果錯誤，也有學生認為第2種方案的結果錯誤，但說不出所以然.教師演示：往燒杯內倒水，然后把燒杯內的水倒入量筒，再讓學生觀察燒杯，學生發現燒杯內有少量水殘留.學生討論產生誤差的原因.第1種方案中，食鹽水的質量正確，從燒杯倒入量筒時有少量食鹽水殘留，體積偏少，導致測出的密度偏大；第2種方案，食鹽水的體積正確，從量筒倒入燒杯時有少量食鹽水殘留，質量偏少，導致測出的密度偏大.

教師追問：那如何改進該方案，可以減少誤差呢？學生想到，產生誤差的原因是傾倒液體時有殘留，經過學生討論，大家一致認可，在量筒內裝適量食鹽水讀出體積V1，調平天平平衡，測出空燒杯的質量m1，再把量筒內食鹽水部分倒入燒杯，稱量燒杯和食鹽水的總質量m2，讀出量筒內剩余食鹽水的體積V2，食鹽水的質量是m2－m1，食鹽水的體積是V1－V2，再求出密度.學生再一次測量食鹽水的密度，發現兩種方案的密度都比較接近.

誤差是實驗過程的普遍現象.本案例，教師引導學生通過關注物理教材實驗產生的誤差，鼓勵學生進行評價，變全盤接受為質疑創新，開展創新實驗操作，進行科學論證，培養學生問題解決能力，學生經歷了選擇、判斷、創作的過程，發展了學生的高階思維能力.

3 變“依葫蘆畫瓢”為拓展探究

探究是人在遇到問題時產生的一種探求答案的欲望和伴隨而來的一系列思維和行為方式.初中學生有強烈的好奇心，勇于“跳一跳摘到桃”.在實驗教學中，教師變換實驗條件，質疑問難，提出新的實驗內容，從而避免學生依葫蘆畫瓢，引導學生在面對新情境時如何正確評價、質疑和判斷，有效地培養學生的高階思維能力.

例如，在測量密度實驗中，教師設問：假設只有天平、燒杯、水，如何測量牛奶的密度？因為沒有量筒，學生突然感覺無法測量牛奶的體積，但考慮到有水，可以等體積替換的方法測出牛奶的體積.學生討論得出，調節天平平衡，測出空燒杯的質量m1，在燒杯中加滿水，測出燒杯和水的質量m2，然后倒出水，加滿牛奶，測出牛奶和燒杯的質量m3.牛奶的體積等于（m2－m1）/ρ，牛奶的質量為m3－m2.

教師設問：假設只有天平（無砝碼）、燒杯、水、量筒，如何測量酒精的密度？學生開始竊竊私語，覺得好有挑戰性.學生討論后得出，先在量筒內放50 m L水，調節天平平衡，將量筒內水倒入燒杯，將燒杯放在左盤，將另一個空燒杯放在右盤，往燒杯中加酒精直到天平平衡，最后把酒精倒入量筒測出體積.

教師設問：我們已經測量固體和液體的密度，那么如何測量氣體的密度呢？學生自然想到，可以測量空氣的質量，空氣的體積，但考慮空氣就有流動性，必須在密閉環境中測量氣體的質量和體積，但感覺無處入手.

教師提示，測量小石塊的體積采用的是排水法，通常空氣也是不溶于水，那么空氣的體積可以如何測量？學生提出，空氣也可以通過排水法求體積，立即有學生補充，可以把籃球打足氣，放出氣體后通入量筒中，再稱籃球的質量，求出空氣的質量.

教師設問：那么，如何測量空氣的質量和體積呢？經過學生討論，大家一致認為，用氣筒將小皮球打足氣，用天平稱出此時小皮球的質量，將如圖5（甲）所示的量杯裝滿水后倒扣在水槽中，將皮球內空氣用乳膠管導入量杯內［如圖5（乙）］，當量杯內收集的空氣達到量杯的最大測量值時，用止水夾夾緊乳膠管.再將量杯盛滿水后重新集氣，如此反復10次，用托盤天平稱出放氣10次后小皮球的質量［如圖5（丙）］.學生計算出空氣的密度約為1.4 kg/m3，學生豁然開朗，臉上露出笑容.

圖5

教師設問：查閱資料顯示，空氣的密度是1.29 kg/m3，而測得的結果偏大，請你分析造成這一偏差的原因可能是什么？學生討論得出，讀數時沒有平視凹液面的最低處，或每次量杯集滿氣體時低于水槽的液面，或漏氣等.

本案例中，基于學生的認知規律，引導學生拓展延伸教材實驗內容，有利于學生遇到類似陌生情境或障礙時，能靈活改變思路，并根據“最近發展區”把科學知識和科學方法遷移到新的情境中，進而培養學生遷移能力，發展學生的高價思維.

4 結語

實驗教學貫穿于整個科學學習活動中，讓學生多角度、多維度地評價、分析、創造，獨立完成或合作探究，能促進學生對科學知識的理解和掌握.為了學生的終身發展需要，培養學生的高階思維能力，在實驗教學中，不要誤將以葫蘆畫瓢的操作當成高階思維能力培養的一種有效途徑，而應該在批判與創新過程中碰撞出高階思維的火花，把物理實驗環節變成培育高階思維能力的過程.