基于學習進階培養高階思維的初中物理實驗習題教學

摘 要：阿基米德原理是中考熱點內容。針對“探究浮力和排開液體重力的關系”實驗習題教學中存在的不足，筆者基于學習進階理論，以利用不同物體進行拓展實驗以及簡化實驗方案為兩條進階路徑，對該實驗習題教學進行了重新設計。此外，筆者在實驗習題教學中還重點引導學生進行交流評價，進而培養學生的批判性思維。

關鍵詞：學習進階；高階思維；阿基米德原理

高階思維是發生在較高認知水平層次上的心智活動或較高層次的認知能力。［1］美國著名心理學家、教育家本杰明·布魯姆（Benjamin Bloom）將學習者的思維發展從認知角度細化為6個層次：記憶、理解、運用、分析、評價、創造。其中，分析、評價和創造被稱為高階思維。學習進階是指隨著時間的不斷增加，學生對某一學習主題的思考和認識不斷豐富、精致和深入的一種過程。［2］學習進階理論關注學生在學習過程中思維層次的進階，對培養學生的高階思維具有重要的指導意義。

阿基米德原理是浮力的重要內容，也是歷年來各省市中考試題的考查熱點之一。中考試題不僅考查學生對原理內容的理解，還考查學生對實驗方案的分析、設計、評價與創新的能力。在課程教學中，因為該實驗步驟繁多且綜合性強，學生在學習浮力知識時可能尚未形成完整的認識，思維還停留在較低層次，所以，教師有必要在本章內容學習結束后，通過“探究浮力與排開液體重力的關系”的實驗習題進行進階教學，以促進學生的深度學習，培養他們的高階思維能力。

1 實驗習題教學進階路徑

實驗習題教學的進階可以從兩條路徑開展（如圖1所示），一是利用不同的物體進行探究，二是對實驗方案進行簡化。［3］

2 進階起點

教師首先幫助學生回憶實驗內容（如圖2所示），以

建構問題支架幫助學生降低實驗難度。請學生思考以下問題。

問題1：實驗的最佳順序是什么？

問題2：如何測量浸沒在水中的圓柱體所受的浮力？然后再請學生進行實驗操作。

設計意圖：一些教師在該實驗的新課教學中，以演示實驗為主。因此在實驗習題課上，筆者認為有必要讓學生親自進行實驗操作，以提高他們的動手實踐能力，并加深對阿基米德原理的理解，為后續實驗的拓展和進階奠定基礎。為了降低難度，筆者通過建構問題支架來幫助學生攻克實驗難點，并通過以上兩個問題來了解和評估學生是否具備實驗拓展所需的基礎知識。

3 實驗習題拓展進階

3.1 交流評價，培養批判性思維

如果讓學生按照課本上的實驗步驟機械地進行實驗，這種教學方式不利于培養批判性思維，而批判性思維恰恰是發展創造性思維的基礎。同時，在實驗教學中，讓學生相互交流并評價實驗方案的可靠性，是培養高階思維中評價能力的有效途徑。

教師提問：通過剛才的實驗直接得出結論，證據是否充足？

學生給出否定回答并說明理由：實驗中僅探究了下沉的物體，因此有必要進一步研究液體中漂浮或懸浮的物體所受的浮力是否等于物體排開液體的重力，這樣才能確保實驗結論更具普遍性。

學生再次進行實驗探究：首先，選擇可以在水中漂浮的木塊（不吸水）進行實驗，與之前探究浸沒在水中的圓柱體所受浮力的實驗步驟相比，由于木塊在水中漂浮時處于

平衡狀態，對彈簧測力計的拉力為零，因此無需測量木塊在液體中時彈簧測力計的拉力（如圖3所示）；其次，可以選擇裝有水的塑料袋（水袋）進行懸浮實驗，按照同樣的步驟操作；最后，得出結論，阿基米德原理適用于所有物體（包括在液體中下沉的、漂浮的或懸浮的物體）。

教師追問：對于部分浸入液體的物體，阿基米德原理是否適用？學生結合漂浮木塊可知，阿基米德原理適用于浸在液體中的物體（包括部分浸入和浸沒）。

設計意圖：新課教學時，學生認知水平有限，無法對漂浮物體和懸浮物體展開研究，僅利用下沉物體進行實驗探究屬于不完全歸納，存在局限性。學生之間對實驗探究方案進行交流評價，并反思和改進，使實驗方案不斷完善，同時發展學生的批判性思維。利用漂浮物體和懸浮物體進行多次實驗探究，不僅彌補了新課教學時學生僅觀看演示實驗未能實驗操作的不足，還讓學生認識到阿基米德原理適用于完全浸沒和部分浸入液體的物體，從而加深和完善了學生對阿基米德原理的理解。

3.2 設計方案，培養創造性思維

通過對實驗方案的交流評價和質疑批判，學生不再認為課本上的實驗方案就是唯一的方案，他們已經可以去創造性地設計新的實驗方案。

教師提供以下器材：電子秤、彈簧測力計、溢水杯、量筒、大小不一的木塊（不吸水）、塑料袋（質量可忽略）等。教師提問：是否能夠利用這些器材來進一步簡化“探究漂浮物體的浮力和排開液體重力的關系”的實驗方案？學生以小組形式進行交流，共同設計并交流他們的實驗方案。

方案一：可以用塑料袋替代小燒杯進行實驗。因為塑料袋的重力和排開水的重力相比可以忽略，所以可減少測量小燒杯重力這一步驟。

方案二：用量筒替代溢水杯和塑料袋，圖3的實驗方案可以簡化為圖4的實驗方案。首先，用彈簧測力計測量木塊的重力G木；其次，在量筒中倒入適量的水，讀出體積V1；接著，將木塊放入量筒中使其漂浮，讀出體積V2，則G排＝m排g＝ρ水（V2－V1）g，F浮＝G木；最后，比較F浮和G排即可得出結論。

部分學生對方案二提出疑問，認為大木塊無法直接放入量筒，而用小木塊會因為其重力太小，小于彈簧測力計的最小分度值，導致彈簧測力計示數過小，無法讀數。針對質疑，有同學提出方案三。

方案三：用量筒替代溢水杯，利用電子秤替代彈簧測力計。首先，利用電子秤稱量小木塊的質量m木，則F浮＝G木＝m木g；其次，在量筒中倒入適量的水并讀出體積V1；接著，將小木塊放入其中使其漂浮，讀出體積V2，則G排＝m排g＝ρ水（V2－V1）g；最后，比較F浮和G排即可得出結論。

有學生認為方案三還可以先在量筒中倒入適量的水并讀出體積V1，然后將量筒放在電子秤上，利用電子秤的去皮功能，將電子秤歸零，接著將小木塊放入量筒中使其漂浮，讀出量筒中水的體積V2以及電子秤的讀數m木，最后計算F浮并和G排進行比較，得出結論。

部分學生認為將方案三稍加調整可形成方案四。

方案四：用電子秤替代彈簧測力計（如圖5所示）。首先將溢水杯放在電子秤上并裝滿水；其次將木塊放入，使其漂浮；最后觀察電子秤示數變化。若電子秤示數未發生改變，則增加的木塊質量m木和排開的水的質量m排相等，即G物＝G排，又因為F浮＝G物，則F浮＝G排。

設計意圖：由于漂浮的物體處于平衡狀態，與下沉物體相比，其受力相對簡單。圍繞用漂浮物體驗證阿基米德原理的實驗來展開進階學習，便于學生理解。教師設計驅動問題，為用漂浮物體驗證阿基米德原理的實驗重新設計簡化方案，有利于讓學生產生積極的學習心態。學生選擇不同器材進行實驗方案的設計時，需要綜合運用已學知識，同時還需評價器材的利弊，這有利于充分發揮學生的創造性，發展高階思維。

3.3 分析推理，培養邏輯思維

推理是從一個或幾個已知判斷得出另一個新判斷的思維過程。［4］推理的過程是學生提升分析能力，發展高階思維的過程。

教師針對如何用在水中懸浮或下沉的物體來驗證阿基米德原理的問題，設計了如下簡化方案。

方案五：對于在水中懸浮的物體，可選用一只塑料袋并裝入大半袋水。將塑料袋慢慢浸入水中，若塑料袋中的水面與燒杯中的水面相平，即可認為F浮＝G排。

方案六：對于在水中下沉的物體，先將溢水杯放在電子秤上，在溢水杯中裝滿水，將物體慢慢浸入水中并懸掛固定，使其部分浸入水中，觀察電子秤示數變化（如圖6所示）。若示數不發生改變，即可驗證阿基米德原理。

讓學生分析推理，思考上述兩個方案能否驗證阿基米德原理。

方案五步驟非常簡潔，沒有出現任何測量的物理量，非常考驗學生對已知條件的挖掘能力和推理能力。部分同學能夠分析寫出F浮的表達式和G排的表達式，但無法識別兩個表達式的相同點。

完整的推理過程如下：由于盛有水的塑料袋處于懸浮狀態，故F浮＝G水；G排可以表示成G排＝ρ水V排g，又因為G水可以寫成G水＝m水g＝ρ水V水g，在懸浮狀態時V水＝V排，最終可以得出F浮＝G排這個結論，進而成功驗證阿基米德原理。

方案六考查學生是否具有力學建模分析的能力。教師可以引導學生對物體在放入溢水杯前、后分別進行受力分析，畫出受力示意圖，最后根據平衡力知識列出平衡方程，培養學生的建模分析和推理能力。

設計意圖：由于以上兩個方案的設計難度超出了學生的認知范圍，筆者引導學生通過分析推理來判斷實驗方案的可行性。這樣既降低了理解難度，又鍛煉了學生的邏輯思維能力。通過補充用下沉物體和懸浮物體來驗證阿基米德原理的簡化實驗方案，可以拓展學生的思維，加深他們對這類實驗的理解，有助于學生總結此類實驗的核心原理。

4 進階終點評價

為了幫助學生有效地整合所學內容，教師可以讓學生將拓展內容整合成框架。同時，通過對學生繪制的知識框架的完整性和邏輯性的評價，評估他們對拓展內容的掌握程度。學生在課堂上根據個人理解繪制的知識框架如圖7所示。

為了強調教學與評價的一致性，筆者精心挑選出了旨在考查學生高階思維的中考題目，在教學過程中，可以通過這些題目來檢測和評價學生的高階思維能力。

例題 （2022年棗莊中考題節選）小李同學想探究“浮力的大小跟排開液體所受重力的關系”。

（3）小李在探究物體c所受浮力的實驗中，排除各種測量誤差因素的影響，發現物體c排開水的重力明顯小于它所受浮力，請分析實驗操作中造成這種結果的原因： 。

（4）小張利用身邊的器材對小李的實驗進行改進：兩個相同的彈簧測力計A和B、重物、溢水杯（由飲料瓶和吸管組成）、薄塑料杯（質量忽略不計）等器材，裝置如圖8所示。實驗時小張逐漸向下移動水平橫桿，使重物緩慢浸入盛滿水的溢水杯中，觀察到彈簧測力計A的示數逐漸 _______________，彈簧測力計B的示數逐漸 _______________，若彈簧測力計A的示數變化量為ΔFA，彈簧測力計B的示數變化量為ΔFB，則它們的大小關系是ΔFA_______________（填“＞”“＝”或“＜”）ΔFB。

（5）針對兩種實驗方案，小張實驗裝置的優點是 _______________（填答案標號）。

A. 彈簧測力計A的示數就是物體所受浮力的大小

B. 實驗器材生活化，實驗中能同步觀察彈簧測力計A、B示數的變化

答案：（3）將物體c浸入水中之前，溢水杯中沒有加滿水（或排開的水沒有全部流入小桶） （4）變小變大 ＝ （5）B

設計意圖：筆者通過讓學生結合多種不同的實驗方案來繪制框架圖，進而思考此類實驗的本質，即不同的物體所受浮力的測量方法不同，主要涉及彈簧測力計和電子秤兩種測量工具的使用。G排的測量方法主要涉及三種情況，即彈簧測力計測量排開液體的重力、量筒測量排開液體的體積、電子秤測量排開液體的質量。不僅如此，筆者還引入了高質量的中考題作為評價手段，同時培養學生的高階思維。該題第（3）問和第（5）問的目的是考查學生的分析能力和評價能力，第（4）問是一種創新實驗方案，旨在考查學生的創新能力和分析推理能力。

對于物理教學而言，實驗是一座取之不竭的寶藏，它是培養學生高階思維的重要資源。教學中如果忽視實驗過程而只重視實驗結論，那就是本末倒置，是對教學資源的極大浪費。教師在實驗教學中應當更新觀念，重視每一次實驗教學的機會，讓學生在實驗中充分進行交流、評價、批評、質疑、分析、推理，從而激發學生的創造力。即使在復習階段，教師也可以利用實驗習題來拓展教學，代替重復和機械的題海戰術，讓學生在實驗拓展教學中提升核心素養，發展高階思維。

參考文獻

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［3］齊占波，耿相亦，李銀梅.基于學習進階的初中物理實驗習題進階——以“固體密度的測量”專題復習為例［J］.中學物理，2022，39（22）：62-65．

［4］李鴻彬.推理論證的邏輯性違悖與缺失例析［J］.物理教師，2017，38（10）：25-27．