基于學(xué)生高階思維培養(yǎng)的初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)

陳 懋

（海寧市斜橋中學(xué)，浙江 海寧 314406）

美國(guó)教育家布盧姆將思維過(guò)程從認(rèn)知角度細(xì)分為具體化為6個(gè)教學(xué)目標(biāo)，記憶、理解、應(yīng)用、分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造（表1），其中記憶、理解、應(yīng)用是低階思維，是較低層次的認(rèn)知水平，主要用于學(xué)習(xí)事實(shí)性知識(shí)或完成簡(jiǎn)單任務(wù)的能力；分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造為高階思維，是發(fā)生在較高認(rèn)知水平層次上的心智活動(dòng)或認(rèn)知能力.［1］發(fā)展高階思維需要高階學(xué)習(xí)活動(dòng)為基礎(chǔ)，以學(xué)習(xí)者為中心，以批判思維對(duì)待探究問(wèn)題為前提，以創(chuàng)新性解決問(wèn)題為根本.［2］實(shí)驗(yàn)活動(dòng)是高階學(xué)習(xí)活動(dòng)，是培養(yǎng)高階思維的重要載體.本文以“物質(zhì)的密度”學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，變走馬觀花為尋根究底，變?nèi)P(pán)接受為批判質(zhì)疑，變依葫畫(huà)瓢為拓展探究，不僅可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理興趣，而且可以幫助學(xué)生豐富感性認(rèn)識(shí)，形成正確的物理觀念，培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).

表1 布魯姆教育目標(biāo)分類表——認(rèn)知維度

1 變走馬觀花為尋根究底

科學(xué)推理是一種學(xué)生思維能力發(fā)展到一定階段之后的理性思維.［3］在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，針對(duì)教材的實(shí)驗(yàn)方案，教師稚化追問(wèn)，提出新問(wèn)題：為什么要進(jìn)行這個(gè)實(shí)驗(yàn)？實(shí)驗(yàn)方案為什么這樣設(shè)計(jì)？還有別的實(shí)驗(yàn)方法可以替代嗎？從而避免學(xué)生走馬觀花，引導(dǎo)學(xué)生在面對(duì)新問(wèn)題時(shí)如何正確分析、推理和判斷，可以培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力.

例如，在測(cè)量小石塊的密度實(shí)驗(yàn)中，教師可先通過(guò)組織學(xué)生交流討論實(shí)驗(yàn)方案，再按照教材的方案（如圖1）進(jìn)行實(shí)驗(yàn).先調(diào)節(jié)天平平衡，測(cè)出石塊的質(zhì)量，在量筒中裝入適量水，用細(xì)線把石塊緩緩浸入量筒的水中，兩次讀數(shù)的差值就是石塊的體積，最后教師稚化追問(wèn)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)推理.

圖1

問(wèn)題1：在量筒內(nèi)裝適量的水，為什么？如果水過(guò)多，或者過(guò)少，對(duì)實(shí)驗(yàn)有什么影響？經(jīng)過(guò)學(xué)生討論，大家一致認(rèn)為，水過(guò)多，量筒上方?jīng)]有刻度無(wú)法讀數(shù)，還可能水滿溢出，水過(guò)少，無(wú)法浸沒(méi)石塊，測(cè)量石塊的體積不正確.

問(wèn)題2：如果先在量筒內(nèi)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(zhì)量，可以嗎？經(jīng)過(guò)學(xué)生討論，大家一致認(rèn)為，先測(cè)石塊的體積，從量筒中取出石塊時(shí)，石塊表面會(huì)殘留部分水，再稱石塊的質(zhì)量時(shí)偏大，導(dǎo)致測(cè)出的石塊密度比真實(shí)值偏大.學(xué)生分小組活動(dòng)論證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合猜想事實(shí).

問(wèn)題3：如果石塊、鐵塊等很大，根本放不進(jìn)量筒，這個(gè)實(shí)驗(yàn)如果改進(jìn)？經(jīng)過(guò)學(xué)生討論，大家一致認(rèn)為，如圖2所示，在燒杯中加水到標(biāo)記，取出石塊，準(zhǔn)備補(bǔ)充水，將量筒中的水倒入杯中至標(biāo)記.當(dāng)然，學(xué)生認(rèn)為這種測(cè)量會(huì)帶來(lái)誤差，石頭從燒杯中取出會(huì)殘留水，體積偏大，作標(biāo)記時(shí)不準(zhǔn)確，導(dǎo)致測(cè)量的密度偏小.當(dāng)然也有學(xué)生提出，利用溢水杯，在溢水杯中裝滿水，把石塊浸沒(méi)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(wèn)題4：如果是泡沫等比水輕的物體，如何測(cè)量密度？又如果是能溶于水的食鹽、糖塊等，又如何測(cè)量密度呢？經(jīng)過(guò)學(xué)生討論，大家一致認(rèn)為，泡沫的密度比水小，可以用細(xì)鐵絲壓入水中，也可以在泡沫上捆綁小石塊等；而對(duì)于食鹽、糖等溶于水，可以選用細(xì)沙，在量筒內(nèi)放適量細(xì)沙，把糖塊放入量筒中，然后搖勻，讀出兩次的體積讀數(shù)差.

問(wèn)題5：如果在測(cè)量石塊的體積時(shí)，在量筒中裝適量的水，平視讀數(shù)，再把石塊浸入水中，俯視讀數(shù)（如圖3），則測(cè)出石塊的密度偏大還是偏??？經(jīng)過(guò)學(xué)生討論，大家一致認(rèn)為，俯視讀數(shù)，結(jié)果偏大，則石塊和水的體積偏大，導(dǎo)致石頭的體積測(cè)量值偏大，所以石頭的密度測(cè)量值偏小.

圖3

問(wèn)題是思維的源泉.學(xué)生對(duì)教材的實(shí)驗(yàn)方案有許多的疑難困惑.本案例中，教師基于學(xué)生的迷思概念，通過(guò)稚化追問(wèn)，引導(dǎo)學(xué)生解決問(wèn)題，避免學(xué)生走馬觀花，實(shí)現(xiàn)同化和順應(yīng)，不僅培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題能力，同時(shí)促進(jìn)科學(xué)知識(shí)的理解，也有利于發(fā)展學(xué)生高階思維.

2 變?nèi)P(pán)接受為質(zhì)疑創(chuàng)新

質(zhì)疑是創(chuàng)新的基礎(chǔ)，創(chuàng)新是質(zhì)疑的深化.質(zhì)疑是提出疑問(wèn)，創(chuàng)新是提出解決問(wèn)題的方法.在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師要關(guān)注實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵，注重啟發(fā)學(xué)生思考，提出自己的見(jiàn)解，通過(guò)挖掘?qū)嶒?yàn)中存在的誤差原因，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)新生成進(jìn)行質(zhì)疑反思，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)造性解決問(wèn)題，可以培養(yǎng)學(xué)生的高價(jià)思維.

例如，在測(cè)量食鹽水的密度教學(xué)中，教師設(shè)問(wèn)：根據(jù)密度公式，你認(rèn)為如何測(cè)量鹽水的密度？需要測(cè)量哪些物理量？學(xué)生認(rèn)為，需要測(cè)量食鹽水的質(zhì)量和食鹽水的體積，教師設(shè)問(wèn)：那如何測(cè)量食鹽水的質(zhì)量和食鹽水的體積呢？有學(xué)生認(rèn)為先測(cè)食鹽水的質(zhì)量，考慮到食鹽水是液體，不能直接倒在托盤(pán)上，所以先測(cè)空燒杯的質(zhì)量，把食鹽水倒入燒杯，再測(cè)食鹽水和燒杯的質(zhì)量，最后把食鹽水倒入量筒測(cè)出體積，立即有學(xué)生提出另一種方案，先測(cè)食鹽水的體積，測(cè)空燒杯的質(zhì)量，把食鹽水倒入燒杯，測(cè)燒杯和食鹽水的質(zhì)量（如圖4）.

圖4

教師設(shè)問(wèn)：你認(rèn)為哪種方案更準(zhǔn)確？有的學(xué)生認(rèn)為第1種方案好，也有學(xué)生認(rèn)為第2種方案好，但都說(shuō)不出所以然.教師提供實(shí)驗(yàn)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(bào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果.學(xué)生發(fā)現(xiàn)第1種方案普遍比第2種方案偏大.

教師追問(wèn)：兩種方案測(cè)量結(jié)果為什么不同？產(chǎn)生誤差的原因是什么？有的學(xué)生認(rèn)為第1種方案的結(jié)果錯(cuò)誤，也有學(xué)生認(rèn)為第2種方案的結(jié)果錯(cuò)誤，但說(shuō)不出所以然.教師演示：往燒杯內(nèi)倒水，然后把燒杯內(nèi)的水倒入量筒，再讓學(xué)生觀察燒杯，學(xué)生發(fā)現(xiàn)燒杯內(nèi)有少量水殘留.學(xué)生討論產(chǎn)生誤差的原因.第1種方案中，食鹽水的質(zhì)量正確，從燒杯倒入量筒時(shí)有少量食鹽水殘留，體積偏少，導(dǎo)致測(cè)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(shí)有少量食鹽水殘留，質(zhì)量偏少，導(dǎo)致測(cè)出的密度偏大.

教師追問(wèn)：那如何改進(jìn)該方案，可以減少誤差呢？學(xué)生想到，產(chǎn)生誤差的原因是傾倒液體時(shí)有殘留，經(jīng)過(guò)學(xué)生討論，大家一致認(rèn)可，在量筒內(nèi)裝適量食鹽水讀出體積V1，調(diào)平天平平衡，測(cè)出空燒杯的質(zhì)量m1，再把量筒內(nèi)食鹽水部分倒入燒杯，稱量燒杯和食鹽水的總質(zhì)量m2，讀出量筒內(nèi)剩余食鹽水的體積V2，食鹽水的質(zhì)量是m2－m1，食鹽水的體積是V1－V2，再求出密度.學(xué)生再一次測(cè)量食鹽水的密度，發(fā)現(xiàn)兩種方案的密度都比較接近.

誤差是實(shí)驗(yàn)過(guò)程的普遍現(xiàn)象.本案例，教師引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)關(guān)注物理教材實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的誤差，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià)，變?nèi)P(pán)接受為質(zhì)疑創(chuàng)新，開(kāi)展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)操作，進(jìn)行科學(xué)論證，培養(yǎng)學(xué)生問(wèn)題解決能力，學(xué)生經(jīng)歷了選擇、判斷、創(chuàng)作的過(guò)程，發(fā)展了學(xué)生的高階思維能力.

3 變“依葫蘆畫(huà)瓢”為拓展探究

探究是人在遇到問(wèn)題時(shí)產(chǎn)生的一種探求答案的欲望和伴隨而來(lái)的一系列思維和行為方式.初中學(xué)生有強(qiáng)烈的好奇心，勇于“跳一跳摘到桃”.在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師變換實(shí)驗(yàn)條件，質(zhì)疑問(wèn)難，提出新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，從而避免學(xué)生依葫蘆畫(huà)瓢，引導(dǎo)學(xué)生在面對(duì)新情境時(shí)如何正確評(píng)價(jià)、質(zhì)疑和判斷，有效地培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力.

例如，在測(cè)量密度實(shí)驗(yàn)中，教師設(shè)問(wèn)：假設(shè)只有天平、燒杯、水，如何測(cè)量牛奶的密度？因?yàn)闆](méi)有量筒，學(xué)生突然感覺(jué)無(wú)法測(cè)量牛奶的體積，但考慮到有水，可以等體積替換的方法測(cè)出牛奶的體積.學(xué)生討論得出，調(diào)節(jié)天平平衡，測(cè)出空燒杯的質(zhì)量m1，在燒杯中加滿水，測(cè)出燒杯和水的質(zhì)量m2，然后倒出水，加滿牛奶，測(cè)出牛奶和燒杯的質(zhì)量m3.牛奶的體積等于（m2－m1）/ρ，牛奶的質(zhì)量為m3－m2.

教師設(shè)問(wèn)：假設(shè)只有天平（無(wú)砝碼）、燒杯、水、量筒，如何測(cè)量酒精的密度？學(xué)生開(kāi)始竊竊私語(yǔ)，覺(jué)得好有挑戰(zhàn)性.學(xué)生討論后得出，先在量筒內(nèi)放50 m L水，調(diào)節(jié)天平平衡，將量筒內(nèi)水倒入燒杯，將燒杯放在左盤(pán)，將另一個(gè)空燒杯放在右盤(pán)，往燒杯中加酒精直到天平平衡，最后把酒精倒入量筒測(cè)出體積.

教師設(shè)問(wèn)：我們已經(jīng)測(cè)量固體和液體的密度，那么如何測(cè)量氣體的密度呢？學(xué)生自然想到，可以測(cè)量空氣的質(zhì)量，空氣的體積，但考慮空氣就有流動(dòng)性，必須在密閉環(huán)境中測(cè)量氣體的質(zhì)量和體積，但感覺(jué)無(wú)處入手.

教師提示，測(cè)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(cè)量？學(xué)生提出，空氣也可以通過(guò)排水法求體積，立即有學(xué)生補(bǔ)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(zhì)量，求出空氣的質(zhì)量.

教師設(shè)問(wèn)：那么，如何測(cè)量空氣的質(zhì)量和體積呢？經(jīng)過(guò)學(xué)生討論，大家一致認(rèn)為，用氣筒將小皮球打足氣，用天平稱出此時(shí)小皮球的質(zhì)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(nèi)空氣用乳膠管導(dǎo)入量杯內(nèi)［如圖5（乙）］，當(dāng)量杯內(nèi)收集的空氣達(dá)到量杯的最大測(cè)量值時(shí)，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(fù)10次，用托盤(pán)天平稱出放氣10次后小皮球的質(zhì)量［如圖5（丙）］.學(xué)生計(jì)算出空氣的密度約為1.4 kg/m3，學(xué)生豁然開(kāi)朗，臉上露出笑容.

圖5

教師設(shè)問(wèn)：查閱資料顯示，空氣的密度是1.29 kg/m3，而測(cè)得的結(jié)果偏大，請(qǐng)你分析造成這一偏差的原因可能是什么？學(xué)生討論得出，讀數(shù)時(shí)沒(méi)有平視凹液面的最低處，或每次量杯集滿氣體時(shí)低于水槽的液面，或漏氣等.

本案例中，基于學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，引導(dǎo)學(xué)生拓展延伸教材實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，有利于學(xué)生遇到類似陌生情境或障礙時(shí)，能靈活改變思路，并根據(jù)“最近發(fā)展區(qū)”把科學(xué)知識(shí)和科學(xué)方法遷移到新的情境中，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生遷移能力，發(fā)展學(xué)生的高價(jià)思維.

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)貫穿于整個(gè)科學(xué)學(xué)習(xí)活動(dòng)中，讓學(xué)生多角度、多維度地評(píng)價(jià)、分析、創(chuàng)造，獨(dú)立完成或合作探究，能促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)知識(shí)的理解和掌握.為了學(xué)生的終身發(fā)展需要，培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不要誤將以葫蘆畫(huà)瓢的操作當(dāng)成高階思維能力培養(yǎng)的一種有效途徑，而應(yīng)該在批判與創(chuàng)新過(guò)程中碰撞出高階思維的火花，把物理實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)變成培育高階思維能力的過(guò)程.