基于批判性思维的浮力实验定量研究

摘 要：批判性思维是一种能力更是一种态度和价值观，可以在很大程度上帮助学生对物理学知识的探究和学习.初中物理教学中的实验与日常生活生产密切相关，在浮力教学适当渗透定量分析，是培养学生批判性思维的重要手段.

关键词：批判性思维;浮力;定量实验

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）14-0051-03

作者简介：赵小军（1973-） ，男，内蒙古呼和浩特人，硕士，中学高级教师，研究方向：中学物理教学.

1 批判性思维培养的意义

批判性思维和创新型思维是社会创新的重要思维能力，批判性思维比创新思维更加基础，是创新性思维的前提.批判性这个词最早源于希臘文，意思是辨别力、洞察力、判断力.现代意义上批判性思维概念的提出，从杜威的反思性思维开始，即大胆质疑、谨慎求证.

布鲁姆提出认知分层理论后，认知金字塔中识记、理解、应用、分析、评价、创造中后三个构成的高阶思维备受社会的重视，因为批判性思维具备的质疑评价、独立判断、提出见解的思维过程与高阶思维完全契合，又因其便于测量和观察的外显性被作为高阶思维的重要研究内容.批判性思维基于推理重视质疑，可以分解成三个维度：观察分析、评价质疑、检验创造.

物理教学中重视批判性思维的培养可以提高学生发现、分析、解决问题的能力，加强科学辨别力、洞察力、判断力，养成实事求是、追根溯源的科学素养.同时批判性思维的培养能够激发自我成就感和学习兴趣，促使学生提高学习积极性，进一步推动学习习惯和学习态度等非智力因素的发展.二十世纪80年代以来，国际上逐渐将批判性思维作为培养的重要内容，提出培养学生会质疑、会判断.在教学中开展批判性思维的培养是物理教学重要的任务，也是未来育人的重要使命.

2 物理实验教学中定性和定量关系

物理学是以实验为基础的学科，因此是一门高度定量化的学科，理论研究的基本思想都是经过“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归属.定性分析是依据概念和观察对事物粗略的分析研究，定量研究是在定性分析的基础上使用合适的数学工具得出精确的结果，验证定性分析的结论.

物理学是一门实验科学，物理实验是物理学研究的重要过程和工具，物理实验是先经过简单的定性实验进行猜想确定方向，进而设计实验进行更精确复杂的定量实验.定性实验概念清晰、精度不高、方法简单，可以训练学生的观察和分析物理现象的能力.定量实验需要深入思考、明确步骤、精确实验、检验结论、提出见解，可以对学生的思维进行深度训练.二者结合可以促进学生理解知识、训练思维能力、培养科学态度，因此物理实验是批判性思维培养的重要手段.批判性思维是一种能力更是一种态度和价值观，可以有效地促进学生对物理学知识的探究和学习.

依据批判性思维的三个维度对物理实验中定性、定量实验进行分解，可以看出定性实验和定量实验在不同维度的达成上不同（见表 1）.

经过分解比较可以看出，在质疑、检验、创造维度思维训练上，定量实验较定性实验更易达成.但是不能否定定性实验在物理学中的重要地位，历史上有很多具有重要意义的实验是定性实验.大量的初中物理实验也都是定性实验，结合初中生认知能力和知识水平，定性研究也更容易被初中学生掌握.从培养批判性思维角度看，初中可以适当地增加定量实验在教学中的渗透，力所能及地在定性基础上开展定量化研究.

3 浮力实验的定量化研究

浮力是初中物理的核心概念，新课教学引入大量实验充分体现了物理实验在物理学习中的重要作用.浮力的新课教学围绕几个主要内容展开，浮力的概念、称重法测浮力、探究影响浮力大小的相关因素，最后得出阿基米德原理.

3.1 浮力教学的重要实验以及分类

根据浮力教学的主要内容，一般会设计如下几个实验：体验浮力、判断浮力的方向、测量浮力的大小、探究影响浮力的相关因素.对这几个实验进行分类分析（见表2）.

通过分析可以看出，传统的浮力实验在思维训练效果上以观察、分析、评价为主，要想使学生拓展思维深度、培养高阶思维、渗透质疑精神和创造意识，需要适当引入定量实验.

3.2 浮力定量实验的改进

通过分析定性实验中相关要素的半定量变化，进一步分析其内在的逻辑关系，可以充分挖掘实验背后的育人价值，促进实验教学对批判性思维的培养.

3.2.1 体验浮力实验的量化改进

用封口易拉罐体验浮力的实验，利用实物降低了学生理解概念的难度，学生通过亲自体验将易拉罐压入水中感受浮力，避免学生生活中相关经验的不足对概念理解不到位，有助于学生建构起浮力的概念.如果只停留在通过体验建立概念的程度，就错失了挖掘更丰富育人价值的机会.在学生将易拉罐压入液体过程中，易拉罐的浸入体积会改变，引导学生仔细体会在易拉罐浸入液体的体积增加时，手部感受的反作用力的变化，猜想随着浸入体积增加浮力逐步变大之间的定量关系.为后面进一步思考浮力大小测量和探究影响浮力大小变化的相关因素建立一个基础体验.

3.2.2 判断浮力方向实验的量化改进

浮力方向的判断，是根据静止液体中悬浮的乒乓球受到重力和浮力是一对平衡力，推导出浮力方向是竖直向上.此实验简单，但是不够直观也缺少中间过程，不易确定质疑思考的方向.需要将其进一步改进：第一步，如图1所示，在容器底部将棉线的一端固定，另一端连接乒乓球，加水直至棉线拉直，分析乒乓球的受力（重力、拉力、浮力）以及各力的方向;进一步质疑如何判断各力方向共线？第二步，如图2所示，在容器旁边挂一个重锤，利用平行线原理判断出棉线是竖直方向.第三步，将装置放在斜面上，观察重锤悬线和乒乓球下的悬线仍然平行（如图3所示）.由此实验可以得出：乒乓球受到棉线的拉力和重力方向都是竖直向下的，二力的合力方向也是竖直向下，由平衡条件可以得到浮力与重力和拉力的合力是平衡力，方向是竖直向上.根据现象和分析最后得出静止液体中的物体受到的浮力方向是竖直向上的结论.

3.2.3 探究影响浮力的相关因素1的量化改进

在讨论浮力与液体密度的关系时，传统实验是先把鸡蛋放入清水中，鸡蛋下沉到容器底部，然后往容器中加浓盐水，增大液体密度使鸡蛋上浮.加入浓盐水之前鸡蛋下沉，根据平衡条件可以判断浮力等于鸡蛋受到的重力与容器底部支持力之差，浮力小于重力.在加入适量浓盐水后，鸡蛋开始上浮并最终处于漂浮状态，此时鸡蛋只受重力和浮力，鸡蛋处于平衡状态，浮力等于重力.说明在液体密度增加过程中，鸡蛋受到的浮力也增加了，通过定性实验证明液体密度与浮力大小成正相关.

通过引入传感器可以测量具体数值，对浮力与液体密度的关系进行半定量研究.如图4所示，在左侧容器中配制一定浓度的盐水测出密度，在右侧容器中放置水.用完全相同的泡沫材料制作两只长、宽、高完全相同的矩形泡沫块，同侧固定在两个传感器上，两只传感器固定在同一个金属杆上（如图4所示）.先将两只泡沫块完全浸入两侧液体中，并处于悬浮状态，接通传感器后将两个泡沫块同步缓慢地从两个容器中取出，传感器将各时刻数据绘制成两根曲线（如图5所示，红色盐水中传感器曲线在下，水中传感器读数曲线在上），最后浮力消失曲線重合，传感器读数等于重力，二者受力完全相同.完全浸没时受力分析（如图6所示），此时传感器读数最大F′=F浮力-G.定性分析可以得出结论：完全相同的物体浸没在密度大的液体中传感器读数F′更大，因两泡沫重力完全相同，因此浮力也更大.两传感器读数差值ΔF′=ΔF浮力，故完全浸没时传感器读数差值等于完全浸没时受到的浮力差值.通过测量两种液体的密度，比较数值可以看出ΔF浮力∝Δρ.

3.2.4 探究影响浮力的相关因素2的量化改进

在讨论浮力与物体浸没水中的哪些因素有关的判断中，要按照控制变量法逐个分析各因素与浮力的关系.思考两个判断：一是观察完全浸没后继续下沉时弹簧秤读数不再改变，说明物体完全浸没的深度不是影响浮力的相关因素.二是用长方形物体对比横向和纵向一半浸没时浮力一样，但是浸入水的深度不同，说明物体非完全浸没时深度也不是影响浮力的相关因素.通过定性实验可以确定浸没体积（排开液体体积）的大小是影响浮力大小的相关因素.

通过引入传感器读取拉力（如图7所示），用拉力差法计算出浮力，同时用量筒测出排开液体体积，可以定量研究浮力与排开液体体积的关系（如图8所示）.如图9所示，大型量筒可以读出物体浸入液体后液面的示数，根据未浸入和浸入两次读数差值可以读出排开液体体积.传感器可以读出物体浸入和未浸入时的拉力，二者差值就是浮力.

数据列表如图10所示，用函数图像可以作出浮力与V排的关系（如图11所示），可以定量确定F浮∝V排.

在初中物理教学中在定性实验基础上适当加入定量半定量实验可以很好地训练学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，增强科学洞察力和判断力，培养批判性思维，促进物理核心素养的形成.

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（收稿日期：2021-04-17）