發展實驗思維能力 促進實驗能力提升*
——2009年至2019年高考全國卷Ⅰ物理實驗題分析及教學啟示

劉 睿 桂維玲

(山東師范大學物理與電子科學學院 山東 濟南 250014)

物理實驗能力是由實驗觀察能力、操作能力、思維能力3種能力要素構成[1].高考作為社會公認的考試評價機制,以實驗題為載體考查學生的物理實驗能力.在以往的試題分析中,研究者們過于關注試題對學生實驗觀察與操作能力的考查情況,而忽略了對實驗思維能力考查情況的分析,體現出對這一能力要素的輕視.實際上,這一能力要素是至關重要的,有著不可忽視的根基作用.物理實驗觀察需要實驗思維的引導與參與才能使觀察的結果全面而深刻；物理實驗操作如實驗儀器的選擇與組裝都需要實驗思維的協助.分析高考對學生實驗思維能力的考查情況和特點,可以為實驗教學中培養學生實驗思維能力、扎實實驗能力根基提供有效指導,發揮高考“引導教學”“以考促學”的作用.

1 物理實驗思維能力及結構界定

物理實驗思維能力是指具有意識的人腦對客觀物理實驗事物(物理實驗對象、過程、現象、事實等)的本質屬性、內部規律及相互關系間接的、概括的、能動的反映能力[2].要發展學生的實驗思維能力首先需明確其結構.美國心理學家吉爾福特認為,智力是由內容、操作和產物構成的三維空間結構[3].該結構模型雖然比較全面,但未能體現智力的主體因素即人對智力發展的影響.我國心理學家朱智賢認為思維的結構包括思維的目的、過程、材料或結果、思維的監控或自我調節、思維的品質和思維中的認知因素與非認知因素[4].這樣的思維結構分類全面而具體,但存在分類相包含、界限不清晰的情況.例如,思維的目的即人有意識地改造自然或社會,調節自己最終解決問題,其中每一步都是思維的目的,那么思維的自我調節理應是思維的目的之一.再如,思維的目的、品質、思維認知因素與非認知因素都同屬思維主體.因此,以上兩類關于智力和思維結構的建構各有優劣.在這兩種理論的基礎上,筆者認為物理實驗思維能力是由實驗思維的主體、內容、過程所構成的三維空間結構,如圖1所示,三方面彼此影響、相互促進.

圖1 實驗思維結構圖

實驗思維主體要素包括實驗思維的目的、品質、實驗思維中的認知因素與非認知因素；實驗思維內容包括實驗思維的材料或結果；實驗思維的過程跟隨實驗進程而展開即運用一系列思維方法(如分析與綜合法、等效替代法、比較法、分類法、推理、假設等)發現或明確實驗問題、設計實驗、獲取和處理信息、基于證據得出結論并做出解釋的過程.(探究性實驗包含猜想與假設過程).

2 高考物理實驗試題分析

筆者通過試題解決路徑判斷學生經歷的思維過程,解決實驗問題所需的思維材料和運用的思維方法.此部分將從實驗思維材料和實驗思維過程中思維方法的運用兩方面進行分析.為了避免分析內容遺漏,筆者選擇全國卷Ⅰ近11年實驗題進行分析統計,將實驗題中每空視為1小題,共計100小題.

2.1 實驗思維材料考查情況

實驗思維材料即學生在進行和解決實驗問題的過程中所運用的感覺、知覺、表象、概念、規律、數據等,前三者屬于感性材料,后三者屬于理性材料.學生在解決高考實驗題時,由于脫離了真實具體的事物,無法獲得感知覺,所運用的感性材料為感知經驗所形成的表象(感知過但又不在眼前的物理客體形象的一種影像),而運用的理性材料主要為物理概念、規律(包括物理定律、定理、原理、法則、公式)、數據[5].因此,針對近11年高考全國卷Ⅰ物理實驗題,筆者歸納出解決實驗題所運用的思維材料,如表1所示.

表1 實驗思維材料情況

高考全國卷Ⅰ物理實驗題由1道運動學或力學實驗題和1道電學實驗題組成.據表1可以看出,解決運動學實驗問題,主要運用時空表象,明確運動對象的空間位置隨時間變化的情況.力學或電學實驗主要運用圖景表象,在腦海中呈現實驗裝置甚至操作實驗裝置.解決3類實驗都會運用到的表象為圖形表象.理性材料如實驗數據可以轉化為圖形表象,通過分析斜率、截距等圖像信息求解未知物理量.理性材料部分,運動學問題需要的概念規律較多,電學實驗側重電路規律,力學實驗主要考查動力學相關公式.

2.2 思維方法考查情況

通過分析,近11年高考全國卷Ⅰ物理實驗題主要考查的思維方法有分析與綜合法、比較法、演繹推理法、等效替代法,各方法在題目中的考查情況如圖2所示(1道題目可能使用多種方法).可以看出主要考查的思維方法是分析與綜合法,演繹推理法與等效替代法考查情況相當,較少考查的是比較法.實驗常規操作(如讀數、根據題給數據作圖)、根據已有公式代入數據計算(如計算瞬時速度、逐差法計算加速度)等都屬于使用非思維方法的題目.以下例題皆為主要使用某種方法的典例,以此說明該種方法在高考物理實驗題中的考查特點.

圖2 思維方法考查情況

2.2.1 分析與綜合法

分析法是指將研究對象剖解為數個部分,考查各部分之間的相互關系與作用,揭示事物本質及內部規律.綜合法是指在分析的基礎上,從整體把握事物本質與規律.思維方法眾多,分析與綜合法是最基本的方法,貫穿實驗思維過程始終,與其他方法相互交織、相互補充.分析與綜合辯證統一,思維總是在分析、綜合、再分析、再綜合中循環進行.如常用的“控制條件”分析綜合法：

【例1】[2019年高考全國卷Ⅰ第23題(3)]題略.

評析：根據選項可以初步判定問題的根源可能是微安表內阻測量錯誤或R值計算錯誤.任意假設其中一個電阻值準確,分析另一個電阻在電路中的作用,把握其偏大偏小對所在支路的影響,再結合與其他支路的關系從整體上明確對干路產生的影響,此即控制條件先分析后綜合.

2.2.2 比較法

比較法即明確事物之間的區別與共性.在實際實驗過程中,細致地比較實驗預期與實驗現狀、實驗數據之間的關系與特點,促使觀察與分析更加全面、深刻,及時發現實驗中存在的問題,調整實驗操作或修改實驗設計.高考實驗題會創設上述情境,以此考查學生的比較思維.

【例2】[2019年高考全國卷Ⅰ 第23題(4)]題略.

2.2.3 演繹推理法

演繹推理法是利用一般性原理或結論導出新結論的思維方法,在物理理論研究中具有重要的地位,許多科學預見就是通過演繹推理得到的.例如,愛因斯坦根據兩條基本假設導出質能關系E=mc2.運用演繹推理的思維方法,可以揭示出研究對象與其他影響因素之間的定量或定性關系,從而設計實驗進行未知物理量的測量或進行理論驗證.

【例3】[2016年高考全國卷Ⅰ第22題(2)]題略.

評析：題目要求推算f,根據

mg-Ff=ma

演繹推理可得

從而明確頻率與可測量量之間的定量關系,代入數據即可得出答案f=40 Hz.

2.2.4 等效替代法

把某些物理事物通過轉化來代替其他物理事物解決同類型問題的思維方法叫做等效替代法.高考中常考查使用等效替代法測量未知電阻或對電表進行改裝.在實際實驗中,很可能遇上實驗儀器不符合實際需求的情況,這時就需要根據儀器之間的理論關系對現有儀器進行改裝.當遇到某些物理量難以測量時,則需要尋找發揮同等作用的其他可測量物設計可轉換的等效實驗進行測量.高考中這類題目不僅是考查學生對思維方法的運用,同時也是考驗學生隨機應變與創新的能力.

【例4】(2018年高考全國卷Ⅰ 第23題)題略.

評析：學生要解決后續問題需準確理解題設情景中的等效替代原理.熱敏電阻受溫度影響動態變化,無法直接讀出阻值大小,調節R2讓R2在電路中發揮同等作用,R2的阻值大小即為熱敏電阻阻值.

【例5】[2017年高考全國卷Ⅰ 第23題(1)]題略.

評析：題目所要求的電壓測量范圍顯然超過了所提供的電壓表的量程,這時需對電表進行改裝.將所提供電壓表與定值電阻串聯,擴大電壓表量程至4 V.電壓表與定值電阻組合發揮等效替代大量程電壓表的作用.

3 教學啟示

3.1 豐富思維內容

實驗思維的進行是以實驗思維內容為基礎的,形象、科學的思維材料才能保證思維結果的創造性和準確性.通過對高考實驗題的分析,明確了3類表象在解決不同實驗問題中所發揮的引導作用.表象的形成需以清晰的感知覺為基礎,而其來源一是實驗現象,二是實驗操作,所以應從這兩方面去改進當前實驗教學中存在的諸如實驗視頻內容陳舊、實驗儀器落后、實驗操作繁瑣等問題.增強實驗細節讓學生的感知覺更加深刻.由于表象具有動搖性、模糊性,教學中需遵循記憶規律,創設問題情境讓學生反復呈現表象,使表象更加豐富穩定.除了感性思維材料,理性思維材料也不可或缺,實驗前師生共同辨析易混淆概念,明確規律適用條件,記憶相關公式,破除思維障礙.在實驗過程中,要保證實驗操作規范嚴謹,數據真實可靠,培養學生數形轉換習慣,發揮圖形表象的作用.

3.2 深化思維過程

3.3 提升思維主體

實驗思維品質是實驗思維主體最為核心的要素,也是提升實驗思維能力的關鍵.實驗思維品質主要包括深刻性、靈活性、獨創性、批判性、敏捷性5個方面[4].豐富學生實驗思維內容、進行思維方法教育、創新實驗訓練都能有效促進思維品質的提升和完善.提升思維主體不僅要關注思維品質,也要關注思維中的非認知因素，如動機、興趣、情感等.非認知因素對學生學習活動起著動力作用、定型作用和補償作用[7].可以以遠景性的實驗目的來激發學生的實驗動機和興趣[8],讓學生意識到實驗能力的提升能為自身未來發展創造新的可能,思維活動才能更具自覺性.

4 結束語

高考實驗題是在脫離實物的基礎上考查學生的實驗能力,更多體現的是對實驗思維能力的考查,其考查內容和特點明確了對學生實驗思維能力培養的方向，即完善學生實驗思維結構的三方面.對學生實驗思維內容的豐富和對思維過程的訓練能無形中提升學生的思維品質.實驗思維的主體、內容、過程的發展都處在良性循環中,才能實現發展學生物理實驗思維能力,促進物理實驗能力提升的目的.