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

      2021-10-15 15:18:50
      物理教師 2021年9期
      關(guān)鍵詞:食鹽水量筒石塊

      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.

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