摘 要：阿基米德原理是中考熱點(diǎn)內(nèi)容。針對(duì)“探究浮力和排開(kāi)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(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)方案為兩條進(jìn)階路徑，對(duì)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(píng)價(jià)，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(dòng)或較高層次的認(rèn)知能力。［1］美國(guó)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(gè)層次：記憶、理解、運(yùn)用、分析、評(píng)價(jià)、創(chuàng)造。其中，分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造被稱為高階思維。學(xué)習(xí)進(jìn)階是指隨著時(shí)間的不斷增加，學(xué)生對(duì)某一學(xué)習(xí)主題的思考和認(rèn)識(shí)不斷豐富、精致和深入的一種過(guò)程。［2］學(xué)習(xí)進(jìn)階理論關(guān)注學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中思維層次的進(jìn)階，對(duì)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(lái)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(duì)原理內(nèi)容的理解，還考查學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)方案的分析、設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)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(shí)時(shí)可能尚未形成完整的認(rèn)識(shí)，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(guò)“探究浮力與排開(kāi)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(kāi)展（如圖1所示），一是利用不同的物體進(jìn)行探究，二是對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行簡(jiǎn)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(wèn)題支架幫助學(xué)生降低實(shí)驗(yàn)難度。請(qǐng)學(xué)生思考以下問(wèn)題。

問(wèn)題1：實(shí)驗(yàn)的最佳順序是什么？

問(wèn)題2：如何測(cè)量浸沒(méi)在水中的圓柱體所受的浮力？然后再請(qǐng)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(dòng)手實(shí)踐能力，并加深對(duì)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(guò)建構(gòu)問(wèn)題支架來(lái)幫助學(xué)生攻克實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)，并通過(guò)以上兩個(gè)問(wèn)題來(lái)了解和評(píng)估學(xué)生是否具備實(shí)驗(yàn)拓展所需的基礎(chǔ)知識(shí)。

3 實(shí)驗(yàn)習(xí)題拓展進(jìn)階

3.1 交流評(píng)價(jià)，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(shí)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，讓學(xué)生相互交流并評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)方案的可靠性，是培養(yǎng)高階思維中評(píng)價(jià)能力的有效途徑。

教師提問(wèn)：通過(guò)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(shuō)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(kāi)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(méi)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(shí)處于

平衡狀態(tài)，對(duì)彈簧測(cè)力計(jì)的拉力為零，因此無(wú)需測(cè)量木塊在液體中時(shí)彈簧測(cè)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(wèn)：對(duì)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(méi)）。

設(shè)計(jì)意圖：新課教學(xué)時(shí)，學(xué)生認(rèn)知水平有限，無(wú)法對(duì)漂浮物體和懸浮物體展開(kāi)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(duì)實(shí)驗(yàn)探究方案進(jìn)行交流評(píng)價(jià)，并反思和改進(jìn)，使實(shí)驗(yàn)方案不斷完善，同時(shí)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(shí)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(shí)到阿基米德原理適用于完全浸沒(méi)和部分浸入液體的物體，從而加深和完善了學(xué)生對(duì)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(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)方案的交流評(píng)價(jià)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(cè)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(wèn)：是否能夠利用這些器材來(lái)進(jìn)一步簡(jiǎn)化“探究漂浮物體的浮力和排開(kāi)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_(kāi)水的重力相比可以忽略，所以可減少測(cè)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(jiǎn)化為圖4的實(shí)驗(yàn)方案。首先，用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)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)?。紾木；最后，比較F浮和G排即可得出結(jié)論。

部分學(xué)生對(duì)方案二提出疑問(wèn)，認(rèn)為大木塊無(wú)法直接放入量筒，而用小木塊會(huì)因?yàn)槠渲亓μ?，小于彈簧測(cè)力計(jì)的最小分度值，導(dǎo)致彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)過(guò)小，無(wú)法讀數(shù)。針對(duì)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(cè)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(cè)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，使其漂浮；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(kāi)的水的質(zhì)量m排相等，即G物＝G排，又因?yàn)镕?。紾物，則F?。紾排。

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(duì)簡(jiǎn)單。圍繞用漂浮物體驗(yàn)證阿基米德原理的實(shí)驗(yàn)來(lái)展開(kāi)進(jìn)階學(xué)習(xí)，便于學(xué)生理解。教師設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)問(wèn)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(jiǎn)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(shí)，需要綜合運(yùn)用已學(xué)知識(shí)，同時(shí)還需評(píng)價(jià)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(gè)或幾個(gè)已知判斷得出另一個(gè)新判斷的思維過(guò)程。［4］推理的過(guò)程是學(xué)生提升分析能力，發(fā)展高階思維的過(guò)程。

教師針對(duì)如何用在水中懸浮或下沉的物體來(lái)驗(yàn)證阿基米德原理的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了如下簡(jiǎn)化方案。

方案五：對(duì)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?。紾排。

方案六：對(duì)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(gè)方案能否驗(yàn)證阿基米德原理。

方案五步驟非常簡(jiǎn)潔，沒(méi)有出現(xiàn)任何測(cè)量的物理量，非常考驗(yàn)學(xué)生對(duì)已知條件的挖掘能力和推理能力。部分同學(xué)能夠分析寫(xiě)出F浮的表達(dá)式和G排的表達(dá)式，但無(wú)法識(shí)別兩個(gè)表達(dá)式的相同點(diǎn)。

完整的推理過(guò)程如下：由于盛有水的塑料袋處于懸浮狀態(tài)，故F?。紾水；G排可以表示成G排＝ρ水V排g，又因?yàn)镚水可以寫(xiě)成G水＝m水g＝ρ水V水g，在懸浮狀態(tài)時(shí)V水＝V排，最終可以得出F浮＝G排這個(gè)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(duì)物體在放入溢水杯前、后分別進(jìn)行受力分析，畫(huà)出受力示意圖，最后根據(jù)平衡力知識(shí)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(gè)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(guò)分析推理來(lái)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(guò)補(bǔ)充用下沉物體和懸浮物體來(lái)驗(yàn)證阿基米德原理的簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)方案，可以拓展學(xué)生的思維，加深他們對(duì)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(píng)價(jià)

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(shí)，通過(guò)對(duì)學(xué)生繪制的知識(shí)框架的完整性和邏輯性的評(píng)價(jià)，評(píng)估他們對(duì)拓展內(nèi)容的掌握程度。學(xué)生在課堂上根據(jù)個(gè)人理解繪制的知識(shí)框架如圖7所示。

為了強(qiáng)調(diào)教學(xué)與評(píng)價(jià)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(guò)程中，可以通過(guò)這些題目來(lái)檢測(cè)和評(píng)價(jià)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(kāi)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(cè)量誤差因素的影響，發(fā)現(xiàn)物體c排開(kāi)水的重力明顯小于它所受浮力，請(qǐng)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(duì)小李的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)：兩個(gè)相同的彈簧測(cè)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(shí)小張逐漸向下移動(dòng)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(cè)力計(jì)A的示數(shù)逐漸 _______________，彈簧測(cè)力計(jì)B的示數(shù)逐漸 _______________，若彈簧測(cè)力計(jì)A的示數(shù)變化量為ΔFA，彈簧測(cè)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(duì)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(hào)）。

A. 彈簧測(cè)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(cè)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(méi)有加滿水（或排開(kāi)的水沒(méi)有全部流入小桶） （4）變小變大 ＝ （5）B

設(shè)計(jì)意圖：筆者通過(guò)讓學(xué)生結(jié)合多種不同的實(shí)驗(yàn)方案來(lái)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(cè)量方法不同，主要涉及彈簧測(cè)力計(jì)和電子秤兩種測(cè)量工具的使用。G排的測(cè)量方法主要涉及三種情況，即彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量排開(kāi)液體的重力、量筒測(cè)量排開(kāi)液體的體積、電子秤測(cè)量排開(kāi)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(píng)價(jià)手段，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的高階思維。該題第（3）問(wèn)和第（5）問(wèn)的目的是考查學(xué)生的分析能力和評(píng)價(jià)能力，第（4）問(wèn)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(duì)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(guò)程而只重視實(shí)驗(yàn)結(jié)論，那就是本末倒置，是對(duì)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(huì)，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中充分進(jìn)行交流、評(píng)價(jià)、批評(píng)、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(lái)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。

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