基于批判性思維的浮力實(shí)驗(yàn)定量研究

摘 要：批判性思維是一種能力更是一種態(tài)度和價(jià)值觀，可以在很大程度上幫助學(xué)生對物理學(xué)知識的探究和學(xué)習(xí).初中物理教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)與日常生活生產(chǎn)密切相關(guān)，在浮力教學(xué)適當(dāng)滲透定量分析，是培養(yǎng)學(xué)生批判性思維的重要手段.

關(guān)鍵詞：批判性思維;浮力;定量實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：G633.7???? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）14-0051-03

作者簡介：趙小軍（1973-） ，男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，碩士，中學(xué)高級教師，研究方向：中學(xué)物理教學(xué).

1 批判性思維培養(yǎng)的意義

批判性思維和創(chuàng)新型思維是社會創(chuàng)新的重要思維能力，批判性思維比創(chuàng)新思維更加基礎(chǔ)，是創(chuàng)新性思維的前提.批判性這個(gè)詞最早源于希臘文，意思是辨別力、洞察力、判斷力.現(xiàn)代意義上批判性思維概念的提出，從杜威的反思性思維開始，即大膽質(zhì)疑、謹(jǐn)慎求證.

布魯姆提出認(rèn)知分層理論后，認(rèn)知金字塔中識記、理解、應(yīng)用、分析、評價(jià)、創(chuàng)造中后三個(gè)構(gòu)成的高階思維備受社會的重視，因?yàn)榕行运季S具備的質(zhì)疑評價(jià)、獨(dú)立判斷、提出見解的思維過程與高階思維完全契合，又因其便于測量和觀察的外顯性被作為高階思維的重要研究內(nèi)容.批判性思維基于推理重視質(zhì)疑，可以分解成三個(gè)維度：觀察分析、評價(jià)質(zhì)疑、檢驗(yàn)創(chuàng)造.

物理教學(xué)中重視批判性思維的培養(yǎng)可以提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的能力，加強(qiáng)科學(xué)辨別力、洞察力、判斷力，養(yǎng)成實(shí)事求是、追根溯源的科學(xué)素養(yǎng).同時(shí)批判性思維的培養(yǎng)能夠激發(fā)自我成就感和學(xué)習(xí)興趣，促使學(xué)生提高學(xué)習(xí)積極性，進(jìn)一步推動學(xué)習(xí)習(xí)慣和學(xué)習(xí)態(tài)度等非智力因素的發(fā)展.二十世紀(jì)80年代以來，國際上逐漸將批判性思維作為培養(yǎng)的重要內(nèi)容，提出培養(yǎng)學(xué)生會質(zhì)疑、會判斷.在教學(xué)中開展批判性思維的培養(yǎng)是物理教學(xué)重要的任務(wù)，也是未來育人的重要使命.

2 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中定性和定量關(guān)系

物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，因此是一門高度定量化的學(xué)科，理論研究的基本思想都是經(jīng)過“定性分析—定量研究”.定性分析是前提和方向，定量研究是物理研究的最后歸屬.定性分析是依據(jù)概念和觀察對事物粗略的分析研究，定量研究是在定性分析的基礎(chǔ)上使用合適的數(shù)學(xué)工具得出精確的結(jié)果，驗(yàn)證定性分析的結(jié)論.

物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，物理實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)研究的重要過程和工具，物理實(shí)驗(yàn)是先經(jīng)過簡單的定性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行猜想確定方向，進(jìn)而設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行更精確復(fù)雜的定量實(shí)驗(yàn).定性實(shí)驗(yàn)概念清晰、精度不高、方法簡單，可以訓(xùn)練學(xué)生的觀察和分析物理現(xiàn)象的能力.定量實(shí)驗(yàn)需要深入思考、明確步驟、精確實(shí)驗(yàn)、檢驗(yàn)結(jié)論、提出見解，可以對學(xué)生的思維進(jìn)行深度訓(xùn)練.二者結(jié)合可以促進(jìn)學(xué)生理解知識、訓(xùn)練思維能力、培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度，因此物理實(shí)驗(yàn)是批判性思維培養(yǎng)的重要手段.批判性思維是一種能力更是一種態(tài)度和價(jià)值觀，可以有效地促進(jìn)學(xué)生對物理學(xué)知識的探究和學(xué)習(xí).

依據(jù)批判性思維的三個(gè)維度對物理實(shí)驗(yàn)中定性、定量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分解，可以看出定性實(shí)驗(yàn)和定量實(shí)驗(yàn)在不同維度的達(dá)成上不同（見表 1）.

經(jīng)過分解比較可以看出，在質(zhì)疑、檢驗(yàn)、創(chuàng)造維度思維訓(xùn)練上，定量實(shí)驗(yàn)較定性實(shí)驗(yàn)更易達(dá)成.但是不能否定定性實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)中的重要地位，歷史上有很多具有重要意義的實(shí)驗(yàn)是定性實(shí)驗(yàn).大量的初中物理實(shí)驗(yàn)也都是定性實(shí)驗(yàn)，結(jié)合初中生認(rèn)知能力和知識水平，定性研究也更容易被初中學(xué)生掌握.從培養(yǎng)批判性思維角度看，初中可以適當(dāng)?shù)卦黾佣繉?shí)驗(yàn)在教學(xué)中的滲透，力所能及地在定性基礎(chǔ)上開展定量化研究.

3 浮力實(shí)驗(yàn)的定量化研究

浮力是初中物理的核心概念，新課教學(xué)引入大量實(shí)驗(yàn)充分體現(xiàn)了物理實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)習(xí)中的重要作用.浮力的新課教學(xué)圍繞幾個(gè)主要內(nèi)容展開，浮力的概念、稱重法測浮力、探究影響浮力大小的相關(guān)因素，最后得出阿基米德原理.

3.1 浮力教學(xué)的重要實(shí)驗(yàn)以及分類

根據(jù)浮力教學(xué)的主要內(nèi)容，一般會設(shè)計(jì)如下幾個(gè)實(shí)驗(yàn)：體驗(yàn)浮力、判斷浮力的方向、測量浮力的大小、探究影響浮力的相關(guān)因素.對這幾個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分類分析（見表2）.

通過分析可以看出，傳統(tǒng)的浮力實(shí)驗(yàn)在思維訓(xùn)練效果上以觀察、分析、評價(jià)為主，要想使學(xué)生拓展思維深度、培養(yǎng)高階思維、滲透質(zhì)疑精神和創(chuàng)造意識，需要適當(dāng)引入定量實(shí)驗(yàn).

3.2 浮力定量實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

通過分析定性實(shí)驗(yàn)中相關(guān)要素的半定量變化，進(jìn)一步分析其內(nèi)在的邏輯關(guān)系，可以充分挖掘?qū)嶒?yàn)背后的育人價(jià)值，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對批判性思維的培養(yǎng).

3.2.1 體驗(yàn)浮力實(shí)驗(yàn)的量化改進(jìn)

用封口易拉罐體驗(yàn)浮力的實(shí)驗(yàn)，利用實(shí)物降低了學(xué)生理解概念的難度，學(xué)生通過親自體驗(yàn)將易拉罐壓入水中感受浮力，避免學(xué)生生活中相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的不足對概念理解不到位，有助于學(xué)生建構(gòu)起浮力的概念.如果只停留在通過體驗(yàn)建立概念的程度，就錯(cuò)失了挖掘更豐富育人價(jià)值的機(jī)會.在學(xué)生將易拉罐壓入液體過程中，易拉罐的浸入體積會改變，引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)體會在易拉罐浸入液體的體積增加時(shí)，手部感受的反作用力的變化，猜想隨著浸入體積增加浮力逐步變大之間的定量關(guān)系.為后面進(jìn)一步思考浮力大小測量和探究影響浮力大小變化的相關(guān)因素建立一個(gè)基礎(chǔ)體驗(yàn).

3.2.2 判斷浮力方向?qū)嶒?yàn)的量化改進(jìn)

浮力方向的判斷，是根據(jù)靜止液體中懸浮的乒乓球受到重力和浮力是一對平衡力，推導(dǎo)出浮力方向是豎直向上.此實(shí)驗(yàn)簡單，但是不夠直觀也缺少中間過程，不易確定質(zhì)疑思考的方向.需要將其進(jìn)一步改進(jìn)：第一步，如圖1所示，在容器底部將棉線的一端固定，另一端連接乒乓球，加水直至棉線拉直，分析乒乓球的受力（重力、拉力、浮力）以及各力的方向;進(jìn)一步質(zhì)疑如何判斷各力方向共線？第二步，如圖2所示，在容器旁邊掛一個(gè)重錘，利用平行線原理判斷出棉線是豎直方向.第三步，將裝置放在斜面上，觀察重錘懸線和乒乓球下的懸線仍然平行（如圖3所示）.由此實(shí)驗(yàn)可以得出：乒乓球受到棉線的拉力和重力方向都是豎直向下的，二力的合力方向也是豎直向下，由平衡條件可以得到浮力與重力和拉力的合力是平衡力，方向是豎直向上.根據(jù)現(xiàn)象和分析最后得出靜止液體中的物體受到的浮力方向是豎直向上的結(jié)論.

3.2.3 探究影響浮力的相關(guān)因素1的量化改進(jìn)

在討論浮力與液體密度的關(guān)系時(shí)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是先把雞蛋放入清水中，雞蛋下沉到容器底部，然后往容器中加濃鹽水，增大液體密度使雞蛋上浮.加入濃鹽水之前雞蛋下沉，根據(jù)平衡條件可以判斷浮力等于雞蛋受到的重力與容器底部支持力之差，浮力小于重力.在加入適量濃鹽水后，雞蛋開始上浮并最終處于漂浮狀態(tài)，此時(shí)雞蛋只受重力和浮力，雞蛋處于平衡狀態(tài)，浮力等于重力.說明在液體密度增加過程中，雞蛋受到的浮力也增加了，通過定性實(shí)驗(yàn)證明液體密度與浮力大小成正相關(guān).

通過引入傳感器可以測量具體數(shù)值，對浮力與液體密度的關(guān)系進(jìn)行半定量研究.如圖4所示，在左側(cè)容器中配制一定濃度的鹽水測出密度，在右側(cè)容器中放置水.用完全相同的泡沫材料制作兩只長、寬、高完全相同的矩形泡沫塊，同側(cè)固定在兩個(gè)傳感器上，兩只傳感器固定在同一個(gè)金屬桿上（如圖4所示）.先將兩只泡沫塊完全浸入兩側(cè)液體中，并處于懸浮狀態(tài)，接通傳感器后將兩個(gè)泡沫塊同步緩慢地從兩個(gè)容器中取出，傳感器將各時(shí)刻數(shù)據(jù)繪制成兩根曲線（如圖5所示，紅色鹽水中傳感器曲線在下，水中傳感器讀數(shù)曲線在上），最后浮力消失曲線重合，傳感器讀數(shù)等于重力，二者受力完全相同.完全浸沒時(shí)受力分析（如圖6所示），此時(shí)傳感器讀數(shù)最大F′=F浮力-G.定性分析可以得出結(jié)論：完全相同的物體浸沒在密度大的液體中傳感器讀數(shù)F′更大，因兩泡沫重力完全相同，因此浮力也更大.兩傳感器讀數(shù)差值ΔF′=ΔF浮力，故完全浸沒時(shí)傳感器讀數(shù)差值等于完全浸沒時(shí)受到的浮力差值.通過測量兩種液體的密度，比較數(shù)值可以看出ΔF浮力∝Δρ.

3.2.4 探究影響浮力的相關(guān)因素2的量化改進(jìn)

在討論浮力與物體浸沒水中的哪些因素有關(guān)的判斷中，要按照控制變量法逐個(gè)分析各因素與浮力的關(guān)系.思考兩個(gè)判斷：一是觀察完全浸沒后繼續(xù)下沉?xí)r彈簧秤讀數(shù)不再改變，說明物體完全浸沒的深度不是影響浮力的相關(guān)因素.二是用長方形物體對比橫向和縱向一半浸沒時(shí)浮力一樣，但是浸入水的深度不同，說明物體非完全浸沒時(shí)深度也不是影響浮力的相關(guān)因素.通過定性實(shí)驗(yàn)可以確定浸沒體積（排開液體體積）的大小是影響浮力大小的相關(guān)因素.

通過引入傳感器讀取拉力（如圖7所示），用拉力差法計(jì)算出浮力，同時(shí)用量筒測出排開液體體積，可以定量研究浮力與排開液體體積的關(guān)系（如圖8所示）.如圖9所示，大型量筒可以讀出物體浸入液體后液面的示數(shù)，根據(jù)未浸入和浸入兩次讀數(shù)差值可以讀出排開液體體積.傳感器可以讀出物體浸入和未浸入時(shí)的拉力，二者差值就是浮力.

數(shù)據(jù)列表如圖10所示，用函數(shù)圖像可以作出浮力與V排的關(guān)系（如圖11所示），可以定量確定F浮∝V排.

在初中物理教學(xué)中在定性實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上適當(dāng)加入定量半定量實(shí)驗(yàn)可以很好地訓(xùn)練學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，增強(qiáng)科學(xué)洞察力和判斷力，培養(yǎng)批判性思維，促進(jìn)物理核心素養(yǎng)的形成.

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（收稿日期：2021-04-17）