摘 要：阿基米德原理是中考熱點(diǎn)內(nèi)容。針對“探究浮力和排開液體重力的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)習(xí)題教學(xué)中存在的不足，筆者基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論，以利用不同物體進(jìn)行拓展實(shí)驗(yàn)以及簡化實(shí)驗(yàn)方案為兩條進(jìn)階路徑，對該實(shí)驗(yàn)習(xí)題教學(xué)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。此外，筆者在實(shí)驗(yàn)習(xí)題教學(xué)中還重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行交流評價，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維。

關(guān)鍵詞：學(xué)習(xí)進(jìn)階；高階思維；阿基米德原理

高階思維是發(fā)生在較高認(rèn)知水平層次上的心智活動或較高層次的認(rèn)知能力。［1］美國著名心理學(xué)家、教育家本杰明·布魯姆（Benjamin Bloom）將學(xué)習(xí)者的思維發(fā)展從認(rèn)知角度細(xì)化為6個層次：記憶、理解、運(yùn)用、分析、評價、創(chuàng)造。其中，分析、評價和創(chuàng)造被稱為高階思維。學(xué)習(xí)進(jìn)階是指隨著時間的不斷增加，學(xué)生對某一學(xué)習(xí)主題的思考和認(rèn)識不斷豐富、精致和深入的一種過程。［2］學(xué)習(xí)進(jìn)階理論關(guān)注學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中思維層次的進(jìn)階，對培養(yǎng)學(xué)生的高階思維具有重要的指導(dǎo)意義。

阿基米德原理是浮力的重要內(nèi)容，也是歷年來各省市中考試題的考查熱點(diǎn)之一。中考試題不僅考查學(xué)生對原理內(nèi)容的理解，還考查學(xué)生對實(shí)驗(yàn)方案的分析、設(shè)計(jì)、評價與創(chuàng)新的能力。在課程教學(xué)中，因?yàn)樵搶?shí)驗(yàn)步驟繁多且綜合性強(qiáng)，學(xué)生在學(xué)習(xí)浮力知識時可能尚未形成完整的認(rèn)識，思維還停留在較低層次，所以，教師有必要在本章內(nèi)容學(xué)習(xí)結(jié)束后，通過“探究浮力與排開液體重力的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)習(xí)題進(jìn)行進(jìn)階教學(xué)，以促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)，培養(yǎng)他們的高階思維能力。

1 實(shí)驗(yàn)習(xí)題教學(xué)進(jìn)階路徑

實(shí)驗(yàn)習(xí)題教學(xué)的進(jìn)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(jìn)行探究，二是對實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行簡化。［3］

2 進(jìn)階起點(diǎn)

教師首先幫助學(xué)生回憶實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（如圖2所示），以

建構(gòu)問題支架幫助學(xué)生降低實(shí)驗(yàn)難度。請學(xué)生思考以下問題。

問題1：實(shí)驗(yàn)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(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。

設(shè)計(jì)意圖：一些教師在該實(shí)驗(yàn)的新課教學(xué)中，以演示實(shí)驗(yàn)為主。因此在實(shí)驗(yàn)習(xí)題課上，筆者認(rèn)為有必要讓學(xué)生親自進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，以提高他們的動手實(shí)踐能力，并加深對阿基米德原理的理解，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的拓展和進(jìn)階奠定基礎(chǔ)。為了降低難度，筆者通過建構(gòu)問題支架來幫助學(xué)生攻克實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)，并通過以上兩個問題來了解和評估學(xué)生是否具備實(shí)驗(yàn)拓展所需的基礎(chǔ)知識。

3 實(shí)驗(yàn)習(xí)題拓展進(jìn)階

3.1 交流評價，培養(yǎng)批判性思維

如果讓學(xué)生按照課本上的實(shí)驗(yàn)步驟機(jī)械地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這種教學(xué)方式不利于培養(yǎng)批判性思維，而批判性思維恰恰是發(fā)展創(chuàng)造性思維的基礎(chǔ)。同時，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，讓學(xué)生相互交流并評價實(shí)驗(yàn)方案的可靠性，是培養(yǎng)高階思維中評價能力的有效途徑。

教師提問：通過剛才的實(shí)驗(yàn)直接得出結(jié)論，證據(jù)是否充足？

學(xué)生給出否定回答并說明理由：實(shí)驗(yàn)中僅探究了下沉的物體，因此有必要進(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)論更具普遍性。

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

平衡狀態(tài)，對彈簧測力計(jì)的拉力為零，因此無需測量木塊在液體中時彈簧測力計(jì)的拉力（如圖3所示）；其次，可以選擇裝有水的塑料袋（水袋）進(jìn)行懸浮實(shí)驗(yàn)，按照同樣的步驟操作；最后，得出結(jié)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(xué)生結(jié)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(shè)計(jì)意圖：新課教學(xué)時，學(xué)生認(rèn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究屬于不完全歸納，存在局限性。學(xué)生之間對實(shí)驗(yàn)探究方案進(jìn)行交流評價，并反思和改進(jìn)，使實(shí)驗(yàn)方案不斷完善，同時發(fā)展學(xué)生的批判性思維。利用漂浮物體和懸浮物體進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)探究，不僅彌補(bǔ)了新課教學(xué)時學(xué)生僅觀看演示實(shí)驗(yàn)未能實(shí)驗(yàn)操作的不足，還讓學(xué)生認(rèn)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(xué)生對阿基米德原理的理解。

3.2 設(shè)計(jì)方案，培養(yǎng)創(chuàng)造性思維

通過對實(shí)驗(yàn)方案的交流評價和質(zhì)疑批判，學(xué)生不再認(rèn)為課本上的實(shí)驗(yàn)方案就是唯一的方案，他們已經(jīng)可以去創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)方案。

教師提供以下器材：電子秤、彈簧測力計(jì)、溢水杯、量筒、大小不一的木塊（不吸水）、塑料袋（質(zhì)量可忽略）等。教師提問：是否能夠利用這些器材來進(jìn)一步簡化“探究漂浮物體的浮力和排開液體重力的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)方案？學(xué)生以小組形式進(jìn)行交流，共同設(shè)計(jì)并交流他們的實(shí)驗(yàn)方案。

方案一：可以用塑料袋替代小燒杯進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。因?yàn)樗芰洗闹亓团砰_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(shí)驗(yàn)方案可以簡化為圖4的實(shí)驗(yàn)方案。首先，用彈簧測力計(jì)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(xiàn)浮＝G木；最后，比較F浮和G排即可得出結(jié)論。

部分學(xué)生對方案二提出疑問，認(rèn)為大木塊無法直接放入量筒，而用小木塊會因?yàn)槠渲亓μ?，小于彈簧測力計(jì)的最小分度值，導(dǎo)致彈簧測力計(jì)示數(shù)過小，無法讀數(shù)。針對質(zhì)疑，有同學(xué)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(jì)。首先，利用電子秤稱量小木塊的質(zhì)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(jié)論。

有學(xué)生認(rèn)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(shù)m木，最后計(jì)算F浮并和G排進(jìn)行比較，得出結(jié)論。

部分學(xué)生認(rèn)為將方案三稍加調(diào)整可形成方案四。

方案四：用電子秤替代彈簧測力計(jì)（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??；最后觀察電子秤示數(shù)變化。若電子秤示數(shù)未發(fā)生改變，則增加的木塊質(zhì)量m木和排開的水的質(zhì)量m排相等，即G物＝G排，又因?yàn)镕?。紾物，則F浮＝G排。

設(shè)計(jì)意圖：由于漂浮的物體處于平衡狀態(tài)，與下沉物體相比，其受力相對簡單。圍繞用漂浮物體驗(yàn)證阿基米德原理的實(shí)驗(yàn)來展開進(jìn)階學(xué)習(xí)，便于學(xué)生理解。教師設(shè)計(jì)驅(qū)動問題，為用漂浮物體驗(yàn)證阿基米德原理的實(shí)驗(yàn)重新設(shè)計(jì)簡化方案，有利于讓學(xué)生產(chǎn)生積極的學(xué)習(xí)心態(tài)。學(xué)生選擇不同器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)時，需要綜合運(yùn)用已學(xué)知識，同時還需評價器材的利弊，這有利于充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性，發(fā)展高階思維。

3.3 分析推理，培養(yǎng)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(xué)生提升分析能力，發(fā)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(yàn)證阿基米德原理的問題，設(shè)計(jì)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(rèn)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(shù)變化（如圖6所示）。若示數(shù)不發(fā)生改變，即可驗(yàn)證阿基米德原理。

讓學(xué)生分析推理，思考上述兩個方案能否驗(yàn)證阿基米德原理。

方案五步驟非常簡潔，沒有出現(xiàn)任何測量的物理量，非?？简?yàn)學(xué)生對已知條件的挖掘能力和推理能力。部分同學(xué)能夠分析寫出F浮的表達(dá)式和G排的表達(dá)式，但無法識別兩個表達(dá)式的相同點(diǎn)。

完整的推理過程如下：由于盛有水的塑料袋處于懸浮狀態(tài)，故F浮＝G水；G排可以表示成G排＝ρ水V排g，又因?yàn)镚水可以寫成G水＝m水g＝ρ水V水g，在懸浮狀態(tài)時V水＝V排，最終可以得出F?。紾排這個結(jié)論，進(jìn)而成功驗(yàn)證阿基米德原理。

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

設(shè)計(jì)意圖：由于以上兩個方案的設(shè)計(jì)難度超出了學(xué)生的認(rèn)知范圍，筆者引導(dǎo)學(xué)生通過分析推理來判斷實(shí)驗(yàn)方案的可行性。這樣既降低了理解難度，又鍛煉了學(xué)生的邏輯思維能力。通過補(bǔ)充用下沉物體和懸浮物體來驗(yàn)證阿基米德原理的簡化實(shí)驗(yàn)方案，可以拓展學(xué)生的思維，加深他們對這類實(shí)驗(yàn)的理解，有助于學(xué)生總結(jié)此類實(shí)驗(yàn)的核心原理。

4 進(jìn)階終點(diǎn)評價

為了幫助學(xué)生有效地整合所學(xué)內(nèi)容，教師可以讓學(xué)生將拓展內(nèi)容整合成框架。同時，通過對學(xué)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(nèi)容的掌握程度。學(xué)生在課堂上根據(jù)個人理解繪制的知識框架如圖7所示。

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

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

（3）小李在探究物體c所受浮力的實(shí)驗(yàn)中，排除各種測量誤差因素的影響，發(fā)現(xiàn)物體c排開水的重力明顯小于它所受浮力，請分析實(shí)驗(yàn)操作中造成這種結(jié)果的原因： 。

（4）小張利用身邊的器材對小李的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)：兩個相同的彈簧測力計(jì)A和B、重物、溢水杯（由飲料瓶和吸管組成）、薄塑料杯（質(zhì)量忽略不計(jì)）等器材，裝置如圖8所示。實(shí)驗(yàn)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(jì)A的示數(shù)逐漸 _______________，彈簧測力計(jì)B的示數(shù)逐漸 _______________，若彈簧測力計(jì)A的示數(shù)變化量為ΔFA，彈簧測力計(jì)B的示數(shù)變化量為ΔFB，則它們的大小關(guān)系是ΔFA_______________（填“＞”“＝”或“＜”）ΔFB。

（5）針對兩種實(shí)驗(yàn)方案，小張實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)點(diǎn)是 _______________（填答案標(biāo)號）。

A. 彈簧測力計(jì)A的示數(shù)就是物體所受浮力的大小

B. 實(shí)驗(yàn)器材生活化，實(shí)驗(yàn)中能同步觀察彈簧測力計(jì)A、B示數(shù)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(shè)計(jì)意圖：筆者通過讓學(xué)生結(jié)合多種不同的實(shí)驗(yàn)方案來繪制框架圖，進(jìn)而思考此類實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)，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(jì)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(jì)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(zhì)量。不僅如此，筆者還引入了高質(zhì)量的中考題作為評價手段，同時培養(yǎng)學(xué)生的高階思維。該題第（3）問和第（5）問的目的是考查學(xué)生的分析能力和評價能力，第（4）問是一種創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案，旨在考查學(xué)生的創(chuàng)新能力和分析推理能力。

對于物理教學(xué)而言，實(shí)驗(yàn)是一座取之不竭的寶藏，它是培養(yǎng)學(xué)生高階思維的重要資源。教學(xué)中如果忽視實(shí)驗(yàn)過程而只重視實(shí)驗(yàn)結(jié)論，那就是本末倒置，是對教學(xué)資源的極大浪費(fèi)。教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)當(dāng)更新觀念，重視每一次實(shí)驗(yàn)教學(xué)的機(jī)會，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中充分進(jìn)行交流、評價、批評、質(zhì)疑、分析、推理，從而激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力。即使在復(fù)習(xí)階段，教師也可以利用實(shí)驗(yàn)習(xí)題來拓展教學(xué)，代替重復(fù)和機(jī)械的題海戰(zhàn)術(shù)，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)拓展教學(xué)中提升核心素養(yǎng)，發(fā)展高階思維。

參考文獻(xiàn)

［1］李貴安，鄧泓，周詳，等. 中學(xué)物理教學(xué)中高階思維能力的培養(yǎng)探究 ［J］. 物理教師， 2015， 36（8）： 2-4，13．

［2］皇甫倩，常珊珊，王后雄.美國學(xué)習(xí)進(jìn)階的研究進(jìn)展及啟示［J］.外國中小學(xué)教育，2015（8）：53-59，52

［3］齊占波，耿相亦，李銀梅.基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的初中物理實(shí)驗(yàn)習(xí)題進(jìn)階——以“固體密度的測量”專題復(fù)習(xí)為例［J］.中學(xué)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．