促进高阶思维生成的教学实践

摘   要：新课标强调“从生活走向物理、从物理走向社会”，以核心素养为目标，培养高阶思维成了初高中物理学科的重要任务。以“水果电池”为例，它的内容涉及了物理、化学多学科知识，从培养综合性思维、逻辑性思维、批判性思维、创新性思维等多种高阶思维进行尝试和实践，为促进学生高阶思维的发展提供案例和经验。

关键词：课堂教学；水果电池；高阶思维；教学实践

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2024）1-0058-5

布鲁姆将“知道”“领会”“运用”归为低阶思维，“分析”“综合”“评价”归为高阶思维。钟志贤认为高阶思维能力是以高阶思维为核心，解决疑难问题和复杂任务的能力。高阶思维能力与学科课程相结合，思维能够借助教育得以改善和提升，是可以培养和教授的。高阶思维的内涵是非常丰富的，但有一点可以达成共识：高阶思维是以低阶思维为基础，若没有低阶思维做地基，那么高阶思维就是空中楼阁，即高阶思维是发生在较高认知水平层次上的心智活动或较高层次的认识能力［１］。

１    高阶思维的策略

在课堂中进行一定的教学设计，搭建“脚手架”——真实情境，建立生活与知识的联系，以关键问题为“把手”，在学生最近发展区中提供必要的经验或联系，以促成其形成适于问题解决的良好的经验结构，从而促进学生高阶思维的发展。

依据真实情境，解决不良问题，培养综合思维。提升学生高阶思维是一个持久的过程，教师需要不断变换教学方法，引导学生积极参与、主动思考，在问题中打破学生的固化思维，通过学生对问题的深入剖析，进而培养他们的高阶思维。高阶思维隐藏在真实的情境中，解决生活中的情境问题是学生综合调动思维解决实际问题的过程。此过程往往需要曲折复杂的思维活动，培养高阶思维往往需要建立知识与实际生活中的关联，打通知识与生活中的壁垒，在解决问题中得到提升。

本文主要是以“水果电池”实验为出发点，对于实验现象产生疑问，用电解质溶液替换水果进行精确实验来验证自己的想法。本节课主要操作环节如图１所示。

２    案例分析

２．１    构建内阻和电动势的思维流程——培养高阶思维发展

探究实验主要是以学生自主探究的形式展开对物理概念的建构过程，利用“问题链”引导学生完成实验，强化学生对科学方法的迁移，通过迁移促进高阶思维的养成。

教师给学生提供各种水果，提出问题：水果是否可以发电。一部分学生将电极插入橘子、苹果等水果中，将其中连接小灯泡或者二极管无明显现象。另一部分学生将多个水果相连后，二极管发光，如图２所示。还有的学生用电流表或者电压表，其示数不明显，此时学生往往认为电压、电流太小不容易观察。对于此现象，教师往往没有解决不良问题，没有针对此问题进行深入探讨，错过了对于电压和电源的进一步认识，忽略了对学科知识本质的理解。在教学中，对隐藏现象的解释往往是激发学生高阶思维的契机，是对学生进一步科学思维培养的基础。本节课的思维流程如图３所示。

２．２    设计实验：显化电流、电压——激发求知欲

首先，将铜片和锌片插入橘子和梨中，用普通电表显示电压和电流的变化，效果并不明显。为了显化电流和电压，在这里可以引导学生更换仪器，让他们意识到器材的选择也是实验成功的关键。用传感器代替普通电流表、电压表，可以观察实验，分析现象。为了使实验简便、精确，用盐酸作为电解液，探究锌片和铜片插入电解液时，改变两电极的深度和距离对于电压和电流的影响。

２．３    学生分组讨论：自主设计实验——培养探究能力

教师：我们如何利用传感器来探究水果电池的电流和电压与哪些因素有关？

学生：水果种类、电极间距、正对面积、深度……

教师：选取哪些器材？为什么选取这些器材？如何操作？

学生１：电解液、电流传感器、电压传感器、开关、金属片。

运用控制变量的方法，保持浸入深度、电解液浓度不变，改变两极间距，观察实验现象，得出结论。

学生２：保持电极间距和浸入深度不变，改变电解液的浓度，接通电路，观察实验现象，得出结论。

学生３：保持电极间距和电解液浓度不变，改变浸入溶液的深度，接通电路，观察实验现象，得出结论。

学生４：保持浸入深度和溶液浓度不变，改变两极间距，观察电流的变化。

学生５：保持两极间距和溶液浓度不变，改变两极正对面积，观察电流的变化。

通过分组设计，进行实验探究，再分享实验结果，大家进行分析，尝试解释实验现象，并根据实验现象尝试总结电池的规律和特点，提出自己的创造性观点。

２．３．１    改变两极板间距离，观察电压的变化——寻找原因

逐渐减小两极间的距离（图４），可得到表１、图５。

由图表可知，在保持两极浸入盐酸电解液深度不变的情况下，改变两极间距离，电压不变。

现象分析：在实验中，学生惊奇地发现电压大小不随着两极间的距离变化，这是非常震撼的。其主要原因是电压表的电阻远小于电压传感器的电阻，电压传感器分得了绝大部分的电压，可近似认为等于电源的电动势。运用欧姆定律，通过对比两种不同电压表的电阻，会对以后学习“电动势”有更加深刻的认识。

２．３．２    改变两极浸入稀盐酸的深度，观察电压的变化——验证

逐渐增大两极浸入稀盐酸的深度，观察电压的变化，如图6、表2、图7所示。

现象分析：电压大小也不随着两极在稀盐酸中深度变化而变化。说明电压传感器分得了绝大部分的电压，可近似认为等于电源的电动势。实验现象与理论分析结果具有一致性。

２．３．３    改变两极的正对面积，观察电压的变化——进一步验证

逐渐增大两极的正对面积，观察电压的变化，如图8、表3、图9所示。

现象分析：两极板正对面积的改变也没有改变电源的总电压（电动势）。除了实验结论得到进一步验证外，学生的认识也更加清晰。

２．３．４    改变盐酸溶液浓度，观察电压的变化——实验总结

适当增加盐酸溶液浓度，两极的正对面积和距离不变，观察电压的变化，如表4、图１０所示。

现象分析及总结：

上述４个实验目的是通过亲身体验让学生对电压表有一个更深刻的认识：电压表测量的是与其并联电路的电压。在讨论实验现象的成因时，通过介绍电压表的内阻和电压传感器的电阻，引导学生类比欧姆定律，创造性地猜测电源内部存在电阻（其原理可以后续再讲）。

通过上述分析，学生自然会产生疑问：间距、正对面积、距离、电解液的浓度到底影响了哪一个量，这个量不会影响电源总电压吗？学生对于这个分析可能会将信将疑，接下来继续做实验来解决疑惑。

２．３．５    改变两极间距，观察电流的变化——寻找变化量

逐渐减小两极间距，观察电流的变化，如表5、图12所示。

现象分析：通过电流传感器可以明显看出，在电解质溶液中两极间距越小，电流越大。在电解质溶液总电压一定的情况下，学生可以分析得出电解质溶液的电阻是随着两极间距的减小而变小的。

２．３．６    改变两极正对面积，观察电流的变化——验证猜想

逐渐增大两极正对面积，观察电流的变化，如表6、图13所示。

现象分析：在电解质溶液中两极间的正对面积越大，电流越大。说明在电解质溶液总电压一定的情况下，电解质溶液的电阻是随着两极的正对面积增大而减小。

2．４    分析与探讨——思维升华

在这两个实验中，学生通过实验数据发现：在电解液浓度一定时，电流大小可能与两极间距离成反比，和两极板正对面积成正比。在教师的引导下，学生会迁移到电阻的表达式——电阻定律（高中），也能立刻想到这些变化影响的是电解质溶液的电阻，也就是高中所学的内阻。在学生领会到迁移知识的喜悦的同时，进一步引导他们分析为什么电动势的示数会没有变化，而电流传感器会发生变化。引导学生运用欧姆定律知识简单解释，教师及时给予补充和拓展。

在极板插入的过程中，随着正对面积的增加，水果电池的内阻逐渐变小，电流会增加，因此在使用电压表测量的过程中，指针会先大方向偏转一下，然后偏转角度变小后示数不变。而使用电压传感器替代电压表，虽然内阻会变小，由ΔI=Ｅ/（ΔR内+R电压），可得ΔI的变化可以忽略，因此电压传感器示数不变。

通过电流传感器连接稀盐酸电解液时，可以很直观地发现增加两极间距，电流变小；增加两极间正对面积，电流变大。在认识到电压示数不变后，很明显引起电流变化的是电解液的内阻，其电阻大小关系与电阻的表达式是一致的。当然，此教学环节也可以说明电解液内部存在电阻。

３    教学启示

“水果电池”不仅蕴含了丰富的跨学科知识，而且对于初高中物理的学习都有着重要的价值。对于初中生而言，没有学过电动势和内阻，但是可以用科学探究的方式进行实践，挖掘其电流变化的关系，自然而然领会内阻的意义，有利于学生从生活中构建物理模型。有了内阻的认识，对于高中闭合电路的学习自然水到渠成。高中阶段可以进一步分析使用不同设备测量水果电池的电压的差别，深刻理解闭合电路的电压、电流关系及理想电表的适用范围。

“水果电池”体现了新课标中的“提高学生的科学素养，增强学生的创新意识，发展学生的自主学习能力和独立研究能力”等要求。体现了生活中的现象从初中到高中的定量转变，为高中更深入地搭建了思维的台阶，更好地激发高阶思维的生成［４］。

参考文献：

［１］钟志贤．促进学习者高阶思维发展的教学设计假设［Ｊ］．电化教育研究，２００４（１２）：２１－２８．

［２］刘茂军，郭瑞，曹献文．运用传感器探究水果电池电动势的实验设计与探讨［Ｊ］．物理教师，２０１７，38（５）：５１－５２．

［３］李茂．水果电池的实验探究［Ｊ］．物理教学，２００９，31（８）：２６－２７．

［４］赵玉杰．以“水果电池”为例谈“无用”知识的有用性［Ｊ］．物理教学探讨，２０２０，38（４）：61－６４．

（栏目编辑    刘   荣）

收稿日期：2023-08-29

作者简介：赵海艳（1980-），女，中学一级教师，主要从事中学物理教学工作。