走向“定量地認識”

郭暢 胡揚洋

摘 要： 通過梳理我國物理實驗設計題的內涵與發展及其相關研究，并與美國的物理實驗設計題進行比較，能夠看出物理實驗設計題在測量過程中體現出的技巧所對應的動作邏輯思維.但是，物理測量不應只停留于操作技術，應是定量的認識過程.未來，物理實驗設計題的發展應當凸顯學生的認識主體地位.

關鍵詞： 物理實驗設計題;思維;定量;主體性

文章編號： 1008-4134（2019）23-0028 ? ? 中圖分類號： G633.7 ? ? 文獻標識碼： B

在中學物理中，實驗設計題在一段較長時期內已成為一種重要的訓練與考查方式.對此類題目進行梳理和分析并進行國際比較，旨在不斷推動我國物理教育的改革發展.

1 我國實驗設計題的認識與實踐歷程

1.1 我國物理實驗設計題的內涵與發展

實驗設計題，顧名思義，就是要根據給出的若干個實驗器材， 要求考生設計出測量某個物理量的方案[1].也有人稱此類問題為創造性實驗[2].該類題目早在第一屆北京市中學生物理實驗競賽（1983年）中就已出現，隨后也出現在全國初中應用物理知識競賽（1990年）中，也是當年中考考查題型之一.表1為相關具體題目.

物理實驗設計題也逐漸走進大學生的競賽中.廣東省從1994年就已開始舉辦大學生實驗設計比賽，得到了眾多學校師生的積極配合和熱情參與.競賽中的試題表述簡略，直接點明設計要求，并且輔以背景介紹作為知識鋪墊，給參賽者提供了充分的思考空間.同時，因其答題需清晰論述實驗設計方案，這對學生論文寫作能力也有所助益[3].值得注意的是，該比賽也逐漸成為高校教師授課內容的重要組成部分，逐漸影響甚至改變教師“考試唯一”的評價方式[4].

1.2 關于物理實驗設計題的研究

自物理實驗設計題成為中考實驗探究題，眾多物理教育工作者都對此進行了大量研究.近年來，中考對于學生科學探究能力的考查增多，能力要求也逐步提高[5]，為更好地適應這一變化，學者們總結出實驗設計題的類型以及其中涉及到的如轉換法、近似法、比較法、控制變量法等思想方法[6].

在解題方面，也有學者指出要遵循“明確或提出問題—構思實驗假設—知識技能組合—形成設計方案”的思維程序[7].同時，也研究出了一些具體答題方法（步驟），如明確實驗目的、廣泛聯系實際—選擇方案、簡便精確—根據實驗方案、選定實驗器材—擬定步驟、合理有序—數據處理、誤差分析[8].這些研究都為教師開展教學提供了有利的參考和指引.

然而，物理實驗設計題在當前的日常教學中似乎已步入某些誤區.例如，教學目標只以得到高分為目的.這導致教師通過大量練習題對學生加以訓練，將問題按照考查內容進行細致的劃分和歸類，如“測固體物質的密度”“測液體的密度”等實驗設計題.答題模式也被固定化、套路化、機械化，使學生能夠“觸類旁通”“見招拆招”.這些疑難亟待破解.

2 中美“實驗設計題”的比較分析

2.1 我國物理實驗設計題的分析

物理實驗設計題是現今中考實驗探究題的重要組成部分.以2016年山西省中考物理的39題為例（表2），可以看到，此類題目以課本實驗為基礎，通過創設具體情境、改變實驗條件或實驗器材等方式進行命題.與以往考查題目不同的是，現今的物理實驗設計題更具開放性和靈活性，與生活實際聯系緊密，富于情境化，而且答案也并不唯一，更加開放，倡導學生進行多角度思考.

不難看出，物理實驗設計題的題目背景并無過多情境，描述都較為直接，答案以簡答形式為主.考查內容貼近學生和教材，都在學生學過的知識范圍內.題目要求學生不僅要形成正確的實驗思路，還要進行清晰的文字表述和公式演算.但解題都停留在紙筆測驗層面.

2.2 美國物理實驗設計題的分析

AP（Advanced Placement）物理是美國高中開設的大學物理先修課程，近年來的考試中設有實驗設計題，借此考查學生對物理知識的理解和運用，培養學生的科學探究能力.表3為2016年AP物理I的實驗設計試題[9].

美國物理實驗設計題的情景同樣來源于生活和教材，引導學生利用生活中常見的物品作為實驗器材，設計實驗方案并完成具體操作.題目給學生創造了開放的、自由的思考和操作空間.所設的問題則逐層深入，每一小問都有更為具體、細致的實驗步驟引導或方法指引，為學生的思考架起了橋梁.這些設置也幫助學生對實驗設計進行反思和評價，為學生體驗完整的科學探究過程創設條件.

類似地，物理實驗設計在美國的大學物理課程中占據著重要地位.美國Brown大學在1978-1979年的物理課程上要求學生根據研究內容和提示設計實驗方案.而麻省理工學院（MIT）早在1966年就開始向外介紹他們開設設計性物理實驗的經驗.在MIT，物理實驗設計是每個本科生的必修內容，學校借此訓練學生做創造性的、探索性的研究工作，學到解決問題的能力[10].這也是一個將物理實驗設計由紙筆檢測落實到實際操作層面的重大進步.

3 啟示：如何走向“定量地認識”

3.1 實驗技巧對應的動作邏輯思維

我國傳統實驗設計題的解答可以看作是學生將頭腦中所想到的完整實驗步驟借助語言進行清晰表達的過程.學生需要充分調動所學知識，確定實驗目的，并根據已知條件敘述實驗流程及所需測量的物理量，通過預設的實驗現象和公式推導得到最終結果.

值得肯定的是，此類題目注重學生在測量過程中的技巧體現，即通過有限的實驗器材，思考出更為靈活多樣的測量方法，以達到實驗目的.不僅能夠考查出學生對物理知識、物理現象和科學方法的理解程度，也在某種程度上成為衡量學生概括能力和“動作邏輯思維”的重要參考.

所謂動作邏輯思維，就是以動作或行動為思維的重要材料，借助于與動作相聯系的語言作物質外殼，加之形象思維和抽象思維，以過去的知識經驗作中介，在明確的目的和自我意識（思維的監控）的作用下，按照一定的形式和方法進行著的思考過程[11].學生在答題過程中，正是調動了動作邏輯思維才能將頭腦中設想的具體實驗動作按照一定的邏輯順序進行闡述.

3.2 物理量測量對應的“定量地認識”

我國傳統的物理實驗設計題普遍要求學生測量某個物理量或物體的某一屬性的量值，這種測量著重在操作技能層面，是對物質當前某一特性的認識，在認識論上比較靜態和片面.然而，物理學作為一門測量科學，其本質是將測量出的物理量作為研究工具，進一步認識某一物理規律或物理理論[12].這就意味著，物理量的測量應當是一個“定量地認識”過程[13]，是在不斷地實踐（測量）過程中更新對物質的理解，是“認識——實踐——再認識”的螺旋上升過程，具有動態性和全面性，而非片面的操作技術.

如圖1所示，比較可見，美國物理實驗設計題體現出的“測量”更為宏觀和動態，不僅重視測量的方法，也強調得到與物理規律相聯系的物理量，并將其作為依據對物理規律做進一步的分析;將物理量量化的同時也對物理規律形成了更加深刻的認識（如圖1中大虛線框）.而我國物理實驗設計題表現出的“測量”就顯得狹隘，局限于對物理量具體數值的獲得過程，聚焦于測量的技術（如圖1中小虛線框）.

應認識到，我國物理實驗設計題在未來要走出測量“具體數值”的圈囿，應更具開放性，通過對物理屬性即物理量的定量研究，幫助學生能夠更加深刻、全面地認識物理實在[14]，學會用發展的眼光看待物理知識、物理規律及其相互關系，培養學生形成健康的科學認識觀.

3.3 確證學生的認識主體地位

中美物理實驗設計題結構與功能的差異背后，不僅是命題技術上的原因，更反映了教育觀念的深刻差異.歸根結底，“操作的技藝”與“定量的認識”之間，是學生主體性的尊重與彰顯與否.AP物理的實驗設計題是科學探究的一個側面.有學者指出，科學探究是否成功的關鍵在于教學能否激發學生的主體性[15].

主體性，是指作為現實活動主體的人為達到為我的目的而在對象性活動中表現出來的把握、改造、規范、支配客體和表現自身的能動性.在認識論意義上，主體首先是認識意義上的主體，只有主觀能動性的充分發揮，并對客體發生對象化活動，主客體才真正分化，主體地位才得以確證.當實驗設計或科學探究局限在具體操作上時，學生的主體性必然是極大地被遮蔽的.

未來實驗設計題的改進如何能夠真正尊重學生的主體性？需要首先明確學生作為科學認識上的主體地位.題目應要求和引導學生思考要去測量哪些物理量以及如何測量，并聯系生活現象進行深入分析和反思.物理量作為科學認識的基本工具，讓學生對其進行充分的思考和利用，在心理層面給予了學生認知上的尊重，賦予了學生主動權，促使學生能夠發現問題、提出問題，激起學生探究的欲望和興趣，從而提高學習的積極性，確證學生的主體地位.

參考文獻：

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（收稿日期：2019-09-30）