促進高階思維生成的教學實踐

摘" "要：新課標強調“從生活走向物理、從物理走向社會”，以核心素養為目標，培養高階思維成了初高中物理學科的重要任務。以“水果電池”為例，它的內容涉及了物理、化學多學科知識，從培養綜合性思維、邏輯性思維、批判性思維、創新性思維等多種高階思維進行嘗試和實踐，為促進學生高階思維的發展提供案例和經驗。

關鍵詞：課堂教學；水果電池；高階思維；教學實踐

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A " " 文章編號：1003-6148（2024）1-0058-5

布魯姆將“知道”“領會”“運用”歸為低階思維，“分析”“綜合”“評價”歸為高階思維。鐘志賢認為高階思維能力是以高階思維為核心，解決疑難問題和復雜任務的能力。高階思維能力與學科課程相結合，思維能夠借助教育得以改善和提升，是可以培養和教授的。高階思維的內涵是非常豐富的，但有一點可以達成共識：高階思維是以低階思維為基礎，若沒有低階思維做地基，那么高階思維就是空中樓閣，即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識能力［１］。

１" " 高階思維的策略

在課堂中進行一定的教學設計，搭建“腳手架”——真實情境，建立生活與知識的聯系，以關鍵問題為“把手”，在學生最近發展區中提供必要的經驗或聯系，以促成其形成適于問題解決的良好的經驗結構，從而促進學生高階思維的發展。

依據真實情境，解決不良問題，培養綜合思維。提升學生高階思維是一個持久的過程，教師需要不斷變換教學方法，引導學生積極參與、主動思考，在問題中打破學生的固化思維，通過學生對問題的深入剖析，進而培養他們的高階思維。高階思維隱藏在真實的情境中，解決生活中的情境問題是學生綜合調動思維解決實際問題的過程。此過程往往需要曲折復雜的思維活動，培養高階思維往往需要建立知識與實際生活中的關聯，打通知識與生活中的壁壘，在解決問題中得到提升。

本文主要是以“水果電池”實驗為出發點，對于實驗現象產生疑問，用電解質溶液替換水果進行精確實驗來驗證自己的想法。本節課主要操作環節如圖１所示。

２" " 案例分析

２．１" " 構建內阻和電動勢的思維流程——培養高階思維發展

探究實驗主要是以學生自主探究的形式展開對物理概念的建構過程，利用“問題鏈”引導學生完成實驗，強化學生對科學方法的遷移，通過遷移促進高階思維的養成。

教師給學生提供各種水果，提出問題：水果是否可以發電。一部分學生將電極插入橘子、蘋果等水果中，將其中連接小燈泡或者二極管無明顯現象。另一部分學生將多個水果相連后，二極管發光，如圖２所示。還有的學生用電流表或者電壓表，其示數不明顯，此時學生往往認為電壓、電流太小不容易觀察。對于此現象，教師往往沒有解決不良問題，沒有針對此問題進行深入探討，錯過了對于電壓和電源的進一步認識，忽略了對學科知識本質的理解。在教學中，對隱藏現象的解釋往往是激發學生高階思維的契機，是對學生進一步科學思維培養的基礎。本節課的思維流程如圖３所示。

２．２" " 設計實驗：顯化電流、電壓——激發求知欲

首先，將銅片和鋅片插入橘子和梨中，用普通電表顯示電壓和電流的變化，效果并不明顯。為了顯化電流和電壓，在這里可以引導學生更換儀器，讓他們意識到器材的選擇也是實驗成功的關鍵。用傳感器代替普通電流表、電壓表，可以觀察實驗，分析現象。為了使實驗簡便、精確，用鹽酸作為電解液，探究鋅片和銅片插入電解液時，改變兩電極的深度和距離對于電壓和電流的影響。

２．３" " 學生分組討論：自主設計實驗——培養探究能力

教師：我們如何利用傳感器來探究水果電池的電流和電壓與哪些因素有關？

學生：水果種類、電極間距、正對面積、深度……

教師：選取哪些器材？為什么選取這些器材？如何操作？

學生１：電解液、電流傳感器、電壓傳感器、開關、金屬片。

運用控制變量的方法，保持浸入深度、電解液濃度不變，改變兩極間距，觀察實驗現象，得出結論。

學生２：保持電極間距和浸入深度不變，改變電解液的濃度，接通電路，觀察實驗現象，得出結論。

學生３：保持電極間距和電解液濃度不變，改變浸入溶液的深度，接通電路，觀察實驗現象，得出結論。

學生４：保持浸入深度和溶液濃度不變，改變兩極間距，觀察電流的變化。

學生５：保持兩極間距和溶液濃度不變，改變兩極正對面積，觀察電流的變化。

通過分組設計，進行實驗探究，再分享實驗結果，大家進行分析，嘗試解釋實驗現象，并根據實驗現象嘗試總結電池的規律和特點，提出自己的創造性觀點。

２．３．１" " 改變兩極板間距離，觀察電壓的變化——尋找原因

逐漸減小兩極間的距離（圖４），可得到表１、圖５。

由圖表可知，在保持兩極浸入鹽酸電解液深度不變的情況下，改變兩極間距離，電壓不變。

現象分析：在實驗中，學生驚奇地發現電壓大小不隨著兩極間的距離變化，這是非常震撼的。其主要原因是電壓表的電阻遠小于電壓傳感器的電阻，電壓傳感器分得了絕大部分的電壓，可近似認為等于電源的電動勢。運用歐姆定律，通過對比兩種不同電壓表的電阻，會對以后學習“電動勢”有更加深刻的認識。

２．３．２" " 改變兩極浸入稀鹽酸的深度，觀察電壓的變化——驗證

逐漸增大兩極浸入稀鹽酸的深度，觀察電壓的變化，如圖6、表2、圖7所示。

現象分析：電壓大小也不隨著兩極在稀鹽酸中深度變化而變化。說明電壓傳感器分得了絕大部分的電壓，可近似認為等于電源的電動勢。實驗現象與理論分析結果具有一致性。

２．３．３" " 改變兩極的正對面積，觀察電壓的變化——進一步驗證

逐漸增大兩極的正對面積，觀察電壓的變化，如圖8、表3、圖9所示。

現象分析：兩極板正對面積的改變也沒有改變電源的總電壓（電動勢）。除了實驗結論得到進一步驗證外，學生的認識也更加清晰。

２．３．４" " 改變鹽酸溶液濃度，觀察電壓的變化——實驗總結

適當增加鹽酸溶液濃度，兩極的正對面積和距離不變，觀察電壓的變化，如表4、圖１０所示。

現象分析及總結：

上述４個實驗目的是通過親身體驗讓學生對電壓表有一個更深刻的認識：電壓表測量的是與其并聯電路的電壓。在討論實驗現象的成因時，通過介紹電壓表的內阻和電壓傳感器的電阻，引導學生類比歐姆定律，創造性地猜測電源內部存在電阻（其原理可以后續再講）。

通過上述分析，學生自然會產生疑問：間距、正對面積、距離、電解液的濃度到底影響了哪一個量，這個量不會影響電源總電壓嗎？學生對于這個分析可能會將信將疑，接下來繼續做實驗來解決疑惑。

２．３．５" " 改變兩極間距，觀察電流的變化——尋找變化量

逐漸減小兩極間距，觀察電流的變化，如表5、圖12所示。

現象分析：通過電流傳感器可以明顯看出，在電解質溶液中兩極間距越小，電流越大。在電解質溶液總電壓一定的情況下，學生可以分析得出電解質溶液的電阻是隨著兩極間距的減小而變小的。

２．３．６" " 改變兩極正對面積，觀察電流的變化——驗證猜想

逐漸增大兩極正對面積，觀察電流的變化，如表6、圖13所示。

現象分析：在電解質溶液中兩極間的正對面積越大，電流越大。說明在電解質溶液總電壓一定的情況下，電解質溶液的電阻是隨著兩極的正對面積增大而減小。

2．４" " 分析與探討——思維升華

在這兩個實驗中，學生通過實驗數據發現：在電解液濃度一定時，電流大小可能與兩極間距離成反比，和兩極板正對面積成正比。在教師的引導下，學生會遷移到電阻的表達式——電阻定律（高中），也能立刻想到這些變化影響的是電解質溶液的電阻，也就是高中所學的內阻。在學生領會到遷移知識的喜悅的同時，進一步引導他們分析為什么電動勢的示數會沒有變化，而電流傳感器會發生變化。引導學生運用歐姆定律知識簡單解釋，教師及時給予補充和拓展。

在極板插入的過程中，隨著正對面積的增加，水果電池的內阻逐漸變小，電流會增加，因此在使用電壓表測量的過程中，指針會先大方向偏轉一下，然后偏轉角度變小后示數不變。而使用電壓傳感器替代電壓表，雖然內阻會變小，由ΔI=Ｅ/（ΔR內+R電壓），可得ΔI的變化可以忽略，因此電壓傳感器示數不變。

通過電流傳感器連接稀鹽酸電解液時，可以很直觀地發現增加兩極間距，電流變小；增加兩極間正對面積，電流變大。在認識到電壓示數不變后，很明顯引起電流變化的是電解液的內阻，其電阻大小關系與電阻的表達式是一致的。當然，此教學環節也可以說明電解液內部存在電阻。

３" " 教學啟示

“水果電池”不僅蘊含了豐富的跨學科知識，而且對于初高中物理的學習都有著重要的價值。對于初中生而言，沒有學過電動勢和內阻，但是可以用科學探究的方式進行實踐，挖掘其電流變化的關系，自然而然領會內阻的意義，有利于學生從生活中構建物理模型。有了內阻的認識，對于高中閉合電路的學習自然水到渠成。高中階段可以進一步分析使用不同設備測量水果電池的電壓的差別，深刻理解閉合電路的電壓、電流關系及理想電表的適用范圍。

“水果電池”體現了新課標中的“提高學生的科學素養，增強學生的創新意識，發展學生的自主學習能力和獨立研究能力”等要求。體現了生活中的現象從初中到高中的定量轉變，為高中更深入地搭建了思維的臺階，更好地激發高階思維的生成［４］。

參考文獻：

［１］鐘志賢．促進學習者高階思維發展的教學設計假設［Ｊ］．電化教育研究，２００４（１２）：２１－２８．

［２］劉茂軍，郭瑞，曹獻文．運用傳感器探究水果電池電動勢的實驗設計與探討［Ｊ］．物理教師，２０１７，38（５）：５１－５２．

［３］李茂．水果電池的實驗探究［Ｊ］．物理教學，２００９，31（８）：２６－２７．

［４］趙玉杰．以“水果電池”為例談“無用”知識的有用性［Ｊ］．物理教學探討，２０２０，38（４）：61－６４．

（欄目編輯" " 劉" "榮）

收稿日期：2023-08-29

作者簡介：趙海艷（1980-），女，中學一級教師，主要從事中學物理教學工作。