基于高階思維培養的初中物理實驗教學

新版《義務教育物理課程標準》提出，教師要著重培養學生的物理核心素養，促進學生全面發展。科學思維是物理核心素養的重要組成部分，包括科學推理、科學論證等內容，而高階思維是在較高認知水平層次上的認知過程，與科學思維有著密切聯系。實驗教學是初中物理教學的重要環節，是培養學生科學思維等物理核心素養的重要途徑。新一輪課程改革以及社會對人才素養要求提高的背景下，在初中物理實驗教學中培養學生的高階思維尤為重要，本文結合教學實踐著重對此進行探討。

一、高階思維的內涵

布魯姆教育目標理論將思維的發展過程分為六個教育目標，其中分析、綜合與評價是高階思維，是在記憶等低階思維的基礎上發展而來的。美國教育學者杜威也認為思維的過程基本上是多個事件的思維序列鏈接而成的，即從提出問題到解決問題的過程需要經歷暗示、感知、收集信息、假設推理以及在實驗中檢驗假設的過程，而這一思維過程是高階思維發展的過程。另有學者認為，高水平的心智活動與認知能力即為高階思維能力，具體而言，就是學習者在學習過程中能夠持有批判性的思維態度，具有一定的創造性與實踐性思維能力。基于上述研究，本文認為高階思維是學生在學習過程中或者在實際生活中遇到問題時，能夠在已有認知與生活經驗的基礎上，通過整合信息、推理判斷、實踐創造解決問題的整個思維過程。

結合初中物理實驗教學特點，高階思維具有靈活性、批判性、創新性與深刻性的特點。其中，靈活性是指學生在初中物理實驗過程中面對問題時，能夠靈活應用所學的知識尋找解決問題的方法，并隨實驗現象或環境等因素的變化，靈活調整解決問題的思路。批判性是指學生在初中物理實驗過程中，能夠辯證地看待實驗現象或問題，對于已有的結論或實驗現象敢于質疑并提出不同的觀點，同時在物理實驗過程中及時發現自己在操作等方面的問題并加以改進。創新性是指學生在物理實驗過程中能夠打破固有思路，獨立或協作地發現和提出創新性問題及解決方案。深刻性則是指學生在面對復雜物理實驗問題時，能夠深入思考，抓住問題的本質，并明確解決問題的思路。

二、基于高階思維培養的初中物理實驗教學原則

（一）興趣導向原則

在初中物理實驗教學中激發學生的學習興趣尤為重要，學生只有對物理實驗產生濃厚的學習興趣，才能有效地在實驗過程中進行推理判斷、數據整合，并結合實驗結果創新性地提出觀點，達到培養高階思維的目的。所以，初中物理教師在實驗設計過程中應該盡可能通過一些生動有趣的演示實驗或分組實驗激發學生的學習興趣。例如，在設計浮力有關的物理實驗時，教師可以結合學生日常生活中容易獲取的物品，設計趣味性的物理小實驗，如在物理課堂上請兩名學生上臺進行演示，分別將一團橡皮泥與一顆雞蛋放入透明的水槽中，其他學生觀察橡皮泥與雞蛋靜止時在水中的位置，思考如何能夠讓橡皮泥與雞蛋浮在水面上。教師結合學生的建議以及掌握的物理知識，引導做演示實驗的學生將橡皮泥做成船狀放在水槽中，可以發現橡皮泥小船能夠成功地漂浮在水面上；在放有雞蛋的水槽中倒入大量的食用鹽，學生可以發現雞蛋會逐漸浮起來。這時，教師可以結合實驗現象得出：鹽水的密度大于雞蛋的密度，從而使雞蛋浮起來。然后，教師引導學生進行實驗探究：能否利用相同的方式使橡皮泥浮在水面上？從而激發學生的學習興趣與探究欲望。

（二）合作性與互動性原則

初中物理實驗教學需要師生共同參與其中，尤其是一些物理實驗僅依靠學生個人的能力是難以完成的，會影響課堂教學效率。同時，整合信息、推理判斷等高階思維的養成，需要學生從不同的角度去提出問題、分析實驗現象，而學生個人思考與探究性學習很難突破自身的思維定式。因此，基于高階思維培養的初中物理實驗教學設計需要教師堅持合作性與互動性原則，在課堂教學過程中加強師生之間的交流，通過小組合作的方式鼓勵學生之間的互動，讓學生在推理論證、創新實踐的過程中發揮集體的智慧，為培養學生的高階思維打下良好基礎。

（三）實踐性原則

初中物理實驗不僅是學生知識遷移與應用的過程，也是從理論教學過渡到實踐應用的重要環節，更是培養學生創意實踐高階思維的重要途徑。所以，教師在初中物理實驗教學過程中要堅持實踐性原則，結合學生的實際情況和實驗教學目標合理設計教學流程，增加學生動手操作的機會，使學生在實踐中深入理解物理現象和規律。

（四）發展性原則

基于維果斯基最近發展區理論，教師在初中物理實驗教學中培養學生的高階思維也應該遵循發展性原則。教師必須清楚地認識到，在物理課程學習的過程中，尤其是在實驗過程中，個體差異是客觀存在的。因此，教師不能放棄每一位學生，而是要結合學生的最近發展區，合理設計實驗教學內容與教學流程，進一步挖掘學生的潛力，促使學生從低階思維向高階思維轉變。在結合核心概念以及學生學情進行物理實驗教學設計過程中，教師要改變傳統的教育觀念，認識到不同層次的學生都有個性化學習以及發展的需求，因此應選擇不同的教學內容、實驗教學流程與教學方式，這樣可以使學生的學習過程循序漸進、螺旋上升，最終到達最近發展區，促進學生思維的發展。

三、基于高階思維培養的初中物理實驗教學策略

（一）以高階思維培養為導向，設計實驗教學目標

許多初中物理教師在實驗教學過程中難以有效地落實教學目標，這很大程度上是因為課標對具體教學目標的表述較為模糊，同時教師在備課階段也未能積極結合課標要求以及學生的實際情況合理設計實驗教學目標。在新一輪課程改革的背景下，為了在初中物理實驗教學中培養學生的高階思維，教師需要將高階思維的培養融入實驗教學目標的設計中，這樣可以通過有序開展實驗教學活動，在實驗教學中落實教學目標，保證實驗教學效果，從而實現提高學生物理核心素養和科學探究能力的目標。

在初中物理實驗中，學生需要認真學習實驗原理與實驗方法，了解實驗儀器的工作原理與操作方法。在實驗觀察與推理論證的過程中，學生應合理設計表格并記錄實驗數據，學會利用所記錄的數據進行分析并總結實驗結論。這樣的教學旨在培養學生的物理核心素養和探究的情感態度。在這一教學目標的基礎上，教師應該側重于高階思維培養教學目標的設計與表達。在初中物理實驗教學目標設計過程中，教師還應充分考慮初中物理教學的對象是尚未系統學習過物理知識的學生。因此，在設計實驗教學目標時要側重于物理知識與實驗技能的訓練，然后逐步提高對高階思維能力等思維層面的要求。

在對初中物理實驗教學目標進行優化的過程中，教師應充分考慮學生原有的實驗能力、教學內容與教學條件，根據物理教材內容，將實驗教學目標細化為具有層次性的教學目標。同時，教師還要根據學生的最近發展區以及現有的實驗教學條件，確定具體的課時目標。基于高階思維培養的初中物理實驗教學目標的優化應該遵循整體設計、循序漸進、個性發展的理念。

以“力和運動”這一單元為例，該單元是學生了解力的基本概念、作用效果、三要素、表示方法、力的測量、二力平衡的條件以及牛頓第一定律等力學知識的重要章節，該單元的重點實驗是重力的大小與哪些因素有關、影響滑動摩擦力大小的因素、探究二力平衡的條件、阻力對物體運動的影響等。從學生的學習基礎來看，部分學生經過一學期物理課程的學習，初步養成了物理的思維習慣，掌握了物理理論學習與實驗操作的方法，為該單元物理實驗教學奠定了基礎。在此基礎上，結合新課標以及高階思維培養要求，教師可以設計以下幾個科學論證牛頓第一定律的演示實驗教學目標：

第一，觀察小車與乒乓球的運動軌跡，結合課本內文字描述理解牛頓第一定律，了解物體的慣性。第二，通過演示小車與乒乓球的運動，對牛頓第一定律進行科學論證。學生應借助教師提供的器材自主進行實驗，推理小車最終是否做勻速直線運動，通過分析與論證環節，學生將學習理想實驗的科學研究方法，從而提高推理判斷能力。第三，通過小組交流討論實驗設計方案與實驗結果，提高“用物理的語言表達”的能力，培養整合信息等高階思維。第四，經過演示實驗及獨立操作形成實事求是、尊重自然規律的科學態度，形成將牛頓第一定律等力學知識應用于日常生活的意識，提高合作能力。

（二）理解信息，建構實驗模型

新版《義務教育物理課程標準》明確指出，教師在教學過程中要調動學生已有的經驗，引導學生利用模型分析常見的問題，培養學生的科學思維等物理核心素養。而學生利用模型分析問題的過程實際上是對有關信息搜集、描述、推理、論證的過程，是學生高階思維發展的過程。初中物理實驗教學的特點決定了教師在教學過程中能夠積極利用物理模型引導學生分析物理實驗現象，這為利用實驗模型培養學生的高階思維提供了更多可能。所以，教師在物理實驗教學過程中應該結合教學內容以及學生的實際水平，引導學生構建物理模型，利用模型以及所學知識去分析物理實驗現象以及問題。

例如，在“連通器”一課教學中，很多教師通過口述或者播放實驗視頻的方式講解連通器原理。然而，部分學生在觀看物理實驗視頻后可能對內容印象不深，這直接影響了課堂教學效果。針對這一情況，教師在實驗教學過程中，可以利用自制教具構建物理實驗模型，用亞克力板、注射器筒、橡膠軟管等制作簡易連通器模型，通過演示這一模型得出連通器原理。這樣，才能將抽象的物理規律以更直觀、更生動的方式呈現出來。教師在利用物理實驗模型直觀呈現物理原理、開展物理實驗的過程中，學生觀察、記錄與整理信息的思維活動就是發展高階思維的過程，通過對物理模型的觀察以及信息的提取與辨析，學生能夠更深刻地理解連通器工作原理。

（三）注重實踐操作，積極推理與論證

在初中物理實驗教學中，培養學生的高階思維需要教師引導其通過實踐操作論證物理原理和物理現象。這一過程不應僅限于演示實驗，而應避免單向灌輸知識。在學生自主或合作實驗的過程中，教師要積極引導他們觀察實驗過程，自主完成實驗操作，并認真記錄實驗有關的數據與現象，將實驗現象以及所記錄的數據作為論證實驗猜想或者觀點的證據。

例如，“探究電流與電壓、電阻的關系”的物理實驗教學中，在學生自主進行實驗之前，教師應該通過演示實驗引導學生結合所學知識猜想電流與電壓的關系、電流與電阻的關系，再讓學生以小組合作的形式按照之前所設計的方案自主進行實驗。當然，在這一過程中，教師應該對各小組的組長以及組員進行分工，包括實驗動手操作、實驗現象觀察、實驗數據記錄等，在巡視過程中還要了解各個小組的實驗進度，必要時通過提出問題等方式引導學生思考。在實驗操作過程中出現困難以及不理想的數據時，教師應引導學生分析原因，如學生經過相互交流與實驗操作后發現連接電路之前并未對電流表進行調零，造成后續實驗過程中電流表示數異常。在此基礎上，教師可以讓學生通過具體的實驗操作去論證連接電路前不對電流表進行調零的實驗結果，以及不同實驗操作方法對電流表示數的影響，在推理論證的過程中明確調零電流表的重要性以及正確的實驗操作步驟，從而培養學生的高階思維。

（四）課外延伸實驗，加強創新實踐

現代信息技術的快速發展需要具有創新意識與創新能力的人才。創新性是初中物理實驗教學中高階思維的一個重要特點，因此，教師在物理實驗教學過程中應關注學生創新思維的培養。課堂教學時間有限，教師可以將實驗從課內延伸至課外，為學生提供更多創新實踐的機會，引導其從生活中發現問題、提出問題，并鼓勵他們結合生活經驗與所學物理知識提出創新性想法，從而促進學生高階思維的發展。

例如，在“流體壓強”的實驗教學中，教師應該清楚地認識到生活中的許多場景都體現了這一物理原理。例如，非洲草原犬鼠挖洞，使空氣在洞穴內流通，形成天然“空調”。在課堂教學結束后，教師可以讓學生利用沙地、小鏟子等常見的材料，動手制作非洲草原犬鼠洞穴，并視頻拍攝自己的制作過程以及最終的洞穴樣貌，然后在課堂上結合所拍攝的視頻與照片講解進風口與排風口的原理。這種課外實踐活動不僅使學生能夠創新性地應用物理知識推理論證物理原理，還加強了物理實驗教學與現實生活的聯系。這符合新課改的理念，能夠將高階思維培養貫徹到初中物理實驗教學的各個環節。

四、結語

基于高階思維培養的初中物理實驗教學需要教師樹立新的教育理念，以學生為中心，重新設計實驗教學目標以及教學流程，使高階思維培養貫穿于實驗教學的整個過程，提高教學效果。

（劉 "炘）