基于實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)，培育高階思維能力

摘 要：思維有高階思維和低階思維，分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造稱之為高階思維。物理學(xué)科在培養(yǎng)學(xué)生高階思維能力方面，既有義不容辭的責(zé)任，又有得天獨(dú)厚的條件。本文探討基于物理實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)，培育學(xué)生的高階思維能力。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)探究；高階思維能力；假說建構(gòu)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2017）3-0015-4

按照心智活動(dòng)或認(rèn)知能力，思維有高階思維和低階思維。高階思維（High Order Thinking ）是指發(fā)生在較高認(rèn)知水平層次上的心智活動(dòng)或認(rèn)知能力。布魯姆對(duì)學(xué)習(xí)者的思維發(fā)展從認(rèn)知角度細(xì)化為具體可操作的6個(gè)層次（2001版），如表1所示。其中，分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造稱之為高階思維。國(guó)內(nèi)學(xué)者也認(rèn)同高階思維是較高認(rèn)知水平上的心智活動(dòng)或認(rèn)知能力，是一種跨學(xué)科、跨知識(shí)領(lǐng)域，能對(duì)思維予以評(píng)價(jià)的思維。它是生成性思維和批判性思維的互補(bǔ)運(yùn)用，是一種創(chuàng)造性的、跨學(xué)科知識(shí)的思維。高階思維是高階能力的核心，直接表現(xiàn)為創(chuàng)新能力、問題求解能力、決策力和批判性思維能力，是適應(yīng)知識(shí)時(shí)代發(fā)展的關(guān)鍵能力。物理學(xué)科在培養(yǎng)學(xué)生高階思維能力方面，既有義不容辭的責(zé)任，又有得天獨(dú)厚的條件。本文探討基于物理實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)，培育學(xué)生的高階思維能力。

表1 BLOOM教育目標(biāo)分類表——認(rèn)知維度

1 基于假說構(gòu)建的教學(xué)

恩格斯說：“只要自然科學(xué)在思維著，它的發(fā)展形式就是假說”。假說在探究式教學(xué)中被表述為“猜想和假設(shè)”，是指在觀察和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)科學(xué)原理和科學(xué)事實(shí)進(jìn)行思維加工，對(duì)未知現(xiàn)象及其規(guī)律所作的假定性解釋和說明。表現(xiàn)為：（1）對(duì)問題或現(xiàn)象的成因進(jìn)行猜想；（2）對(duì)探究的方向或現(xiàn)象的結(jié)果進(jìn)行推測(cè)與假設(shè)。假說構(gòu)建教學(xué)中，需要引導(dǎo)學(xué)生廣泛聯(lián)想，充分發(fā)揮科學(xué)思維的創(chuàng)新功能，在實(shí)現(xiàn)假說構(gòu)建的同時(shí)，有效地培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力。

（1）演繹。一是從一些具有全稱范圍的高度概括性理論陳述出發(fā)，結(jié)合特殊情景提出假說。如小磁針受到電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的作用力，根據(jù)牛頓第三定律提出“通電導(dǎo)線也將受到小磁針產(chǎn)生的磁場(chǎng)的作用力”。二是指對(duì)物理理論加以數(shù)學(xué)分析和邏輯推導(dǎo)，提出預(yù)言性假說。如研究變壓器原副線圈兩端的電壓與匝數(shù)比關(guān)系時(shí)，應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)定律，通過推導(dǎo)提出U1/U2=n1/n2。

（2）歸納。從有限的物理事實(shí)或?qū)嶒?yàn)信息出發(fā)，概括出可能的物理特性和規(guī)律。如學(xué)習(xí)玻意耳定律時(shí)，根據(jù)得到的幾組氣體壓強(qiáng)和體積的數(shù)據(jù)，提出“體積和壓強(qiáng)成反比”的假說。

（3）類比。根據(jù)事物間某方面的相似性，推出其他方面的相似性。如根據(jù)研究靜電場(chǎng)強(qiáng)弱時(shí)利用點(diǎn)電荷作為試探工具，提出研究磁場(chǎng)強(qiáng)弱時(shí)利用“磁荷”來試探。

（4）直覺。直覺指借助于邏輯推理和已有知識(shí)、表象和經(jīng)驗(yàn)知覺的綜合運(yùn)用，以高度省略、簡(jiǎn)化、濃縮的方式洞察事物本質(zhì)，迅速提出假說。如關(guān)于小幅振動(dòng)單擺周期的影響因素，學(xué)生憑借直覺提出：與擺球質(zhì)量m、擺動(dòng)幅度A、擺長(zhǎng)L、當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭有關(guān)……

經(jīng)常用到的還有理想化、內(nèi)插、外推、臻美等等創(chuàng)造性思維方法。實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生靈活運(yùn)用各種思維方法創(chuàng)建假說的過程也是培育高階思維能力的過程。

2 基于實(shí)驗(yàn)方案形成與評(píng)價(jià)的教學(xué)

明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康模蝌?yàn)證、或探索什么物理關(guān)系，這是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。廣泛聯(lián)想、靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，確定實(shí)驗(yàn)原理和情景（匝配性），為實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)提供大體框架。然后是實(shí)驗(yàn)器材的選擇和實(shí)驗(yàn)步驟的安排。實(shí)驗(yàn)方案的形成不是一蹴而就的，教學(xué)中要充分發(fā)揮學(xué)生評(píng)價(jià)的調(diào)節(jié)功能，對(duì)方案進(jìn)行修改和調(diào)整，使之從半成品走向成品。存在這樣的情況：對(duì)于同樣的實(shí)驗(yàn)原理采用不同的實(shí)驗(yàn)情景，或?qū)τ谕瑯拥膶?shí)驗(yàn)情景采用不同的實(shí)驗(yàn)原理，從而形成不同的實(shí)驗(yàn)方案。教學(xué)中同樣要充分發(fā)揮學(xué)生評(píng)價(jià)的調(diào)節(jié)功能，從實(shí)驗(yàn)的可行性、安全性、操作性、精度等角度展開分析和比較。實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)是一個(gè)分析、反思和創(chuàng)造的過程，因此，有利于培育學(xué)生的高階思維能力。

如“導(dǎo)體的電阻”教學(xué)中，設(shè)計(jì)探究導(dǎo)體電阻與橫截面積S、長(zhǎng)度L定量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)方案時(shí)，給出圖1電路方案“毛胚”，然后引導(dǎo)學(xué)生展開評(píng)價(jià)，并予以調(diào)整和修正。

從測(cè)量方便的角度進(jìn)行質(zhì)疑并修正：圖1電路只能測(cè)一次，多次測(cè)量需改變電源電壓，操作極不方便，解決辦法是將滑動(dòng)變阻器連入電路；從測(cè)量精度看，因電阻絲的電阻較小，應(yīng)采用電流表外接，如圖2所示；從可行性角度看，從0開始一段范圍內(nèi)的電壓無(wú)法獲得，不能獲取大范圍內(nèi)的多組數(shù)據(jù)。為此，變阻器應(yīng)采用分壓式接法，如圖3所示。

又如設(shè)計(jì)驗(yàn)證自由落體運(yùn)動(dòng)為勻加速運(yùn)動(dòng)及求加速度大小的實(shí)驗(yàn)方案中，教師鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)散思維，采用不同的原理設(shè)計(jì)方案。學(xué)生采用相同的實(shí)驗(yàn)情景（圖4），設(shè)計(jì)出如下三個(gè)方案。

方案1：測(cè)出不同時(shí)刻的速度v，作v-t圖像，觀察其是否為一條傾斜的直線，若是，則圖像斜率為加速度。

方案2：測(cè)出不同時(shí)刻的位移x，作x-t2圖像，觀察其是否為一條傾斜的直線，若是，則圖像斜率為a/2。

方案3：測(cè)出相鄰相同時(shí)間T內(nèi)的位移xn，檢驗(yàn)x2-x1、x3-x2、x4-x3……是否相等，若相等，則由△x=aT2可求得加速度a。

教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)方案作出評(píng)價(jià)，學(xué)生思考后認(rèn)為：上述三個(gè)方案中，方案1和方案2都是通過圖像法來處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，相對(duì)來說更加精確，而用v-t圖像不必對(duì)時(shí)間作變換，因此，采用方案1進(jìn)行探究最好。

3 基于“假證偽”實(shí)驗(yàn)的教學(xué)

實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)中，探究的結(jié)果有“證實(shí)”和“證偽”之分?！白C實(shí)”指實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)假說作出肯定性支持，“證偽”指作出否定性判斷?！白C偽”又可分“真證偽”和“假證偽”?！罢孀C偽”指由于假說本身的問題，真的被推翻了；“假證偽”指由于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面的原因，導(dǎo)致未出現(xiàn)預(yù)期的結(jié)果，造成假說被否定?！凹僮C偽”實(shí)驗(yàn)有著豐富的教育內(nèi)涵和非常巨大的教育價(jià)值，教學(xué)時(shí)要引導(dǎo)學(xué)生考察實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方案的每個(gè)環(huán)節(jié)，考慮實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差和實(shí)驗(yàn)精度等情況，從而對(duì)實(shí)驗(yàn)方案作出修正和調(diào)整，直至觀點(diǎn)被證實(shí)?！凹僮C偽”實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化教學(xué)有利于學(xué)生正確理解科學(xué)的本質(zhì)和現(xiàn)象，有利于培養(yǎng)學(xué)生的分析性、反思性和創(chuàng)新性思維。

如“互感和自感”課題教學(xué)中，根據(jù)互感現(xiàn)象和電磁感應(yīng)原理提出觀點(diǎn)：當(dāng)通過線圈的電流變化時(shí)，線圈本身會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)電動(dòng)勢(shì)會(huì)阻礙電流的變化，對(duì)線圈中的電流變化起推遲、延緩的作用。

實(shí)驗(yàn)“證偽”：學(xué)生設(shè)計(jì)如圖5所示的電路方案進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果開關(guān)閉合時(shí)，燈光幾乎立即發(fā)光，沒發(fā)覺延遲。

實(shí)驗(yàn)反思和改進(jìn)：

實(shí)驗(yàn)沒有出現(xiàn)預(yù)期的現(xiàn)象，可能有兩種原因：一是電磁感應(yīng)規(guī)律在這里失效了；二是電路中電流變化延緩時(shí)間極短，無(wú)法被我們感知到。在我們尚未窮盡努力改進(jìn)方案時(shí)，我們不能輕易地否定科學(xué)規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)方案的改進(jìn)：（1）如圖6所示，運(yùn)用對(duì)比方法，使R與RL相等，使燈泡相同。當(dāng)接通電路時(shí)，由于線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的延遲作用，A1燈會(huì)比A2燈遲發(fā)光。

（2）用DIS電流傳感器，分別呈現(xiàn)當(dāng)電路接通瞬間，電阻電路和線圈電路中電流的變化，如圖7所示。

4 基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的理論解釋教學(xué)

尋求實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的理論解釋是科學(xué)進(jìn)步的推動(dòng)力。如α粒子散射實(shí)驗(yàn)，使湯姆孫的棗糕模型成為歷史，盧瑟福提出了“核心結(jié)構(gòu)模型”；光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，使愛因斯坦提出“光子說”；紫外災(zāi)難使普朗克提出“能量子概念”。物理探究性教學(xué)中，一些通過類比、外推、直覺等非邏輯方式獲得的“假說”具有較大的或然性，在實(shí)驗(yàn)探究得到支持性證據(jù)或得出物理關(guān)系后，教學(xué)中應(yīng)盡可能組織學(xué)生應(yīng)用已學(xué)的知識(shí)、理論展開分析論證，這既是科學(xué)探究的方法論，也是理論自洽性的要求。從學(xué)習(xí)心理角度看“理論分析”教學(xué)環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)能使學(xué)生領(lǐng)略知識(shí)的價(jià)值，對(duì)新觀點(diǎn)、新理論確信無(wú)疑，能有效地將新知納入已有認(rèn)知結(jié)構(gòu)，同時(shí)也能有效地培養(yǎng)科學(xué)思維與創(chuàng)新能力，從而培養(yǎng)高階思維。

如“動(dòng)量守恒定律”教學(xué)中，教師創(chuàng)設(shè)兩小球在水平面上碰撞的情景，引導(dǎo)學(xué)生提出“兩小球的動(dòng)量變化量相等”的猜想。然后，設(shè)計(jì)氣墊導(dǎo)軌上兩滑塊碰撞實(shí)驗(yàn)予以驗(yàn)證（滑塊質(zhì)量由天平稱出、碰撞前后速度由滑塊上遮光片的寬度及通過光電門的時(shí)間求得，數(shù)據(jù)由Excel處理），如圖8所示。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了同學(xué)們的猜想，即“兩滑塊的動(dòng)量變化量相等”或“兩滑塊碰撞前動(dòng)量之和等于碰撞后動(dòng)量之和”。我們能否用學(xué)過的知識(shí)從理論上推導(dǎo)出上述結(jié)論呢？學(xué)生從動(dòng)量、動(dòng)量變化概念聯(lián)想到動(dòng)量定理。對(duì)兩滑塊分別列動(dòng)量定理：

5 基于實(shí)驗(yàn)信息分析處理的教學(xué)

物理規(guī)律支配著實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的特征，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)信息的分析處理能找到隱蔽的物理規(guī)律。但有時(shí)很像盲人摸象，往往要在付出巨大努力、艱難求索后，才能撩開那層薄薄的面紗，看到金碧輝煌的宮殿。歷史上，面對(duì)浩瀚的測(cè)量數(shù)據(jù)，科學(xué)家去偽存真，不斷摸索、嘗試，窮盡畢生精力探尋規(guī)律，“得之或不得”的事例不勝枚舉。如天文學(xué)家第谷雖畢生努力，但未求得行星運(yùn)動(dòng)軌道的準(zhǔn)確描述。開普勒在70余次嘗試后，終于突破“天空做完美的勻速圓周運(yùn)動(dòng)”觀念，又經(jīng)多年的嘗試性計(jì)算，終于發(fā)現(xiàn)行星運(yùn)動(dòng)三定律。為此，開普勒曾欣喜若狂地說：“16年了……我終于走向光明，認(rèn)識(shí)到的真理遠(yuǎn)超出我的熱切期望”。實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)中，在學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、數(shù)據(jù)的分析考察沒有頭緒時(shí)，不妨引導(dǎo)學(xué)生對(duì)信息、數(shù)據(jù)作某種相關(guān)性變換，將物理量間直接關(guān)系的尋找轉(zhuǎn)化為間接關(guān)系的確定，通過不斷嘗試、修正，直至最后得出結(jié)論?？梢姡趯?shí)驗(yàn)現(xiàn)象、數(shù)據(jù)的優(yōu)化教學(xué)，能有效地培養(yǎng)學(xué)生的分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)新思維。

如“楞次定律”教學(xué)中，學(xué)生小組在利用線圈、電流表、磁鐵等器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，得到表2信息（暫缺最后一行）后，嘗試?yán)帽碇行畔⒏爬ǜ袘?yīng)電流方向與哪些因素有關(guān)時(shí)，遇到了困難。教師啟發(fā)學(xué)生，從實(shí)驗(yàn)得到的信息看感應(yīng)電流方向與磁場(chǎng)方向、磁通量變化的關(guān)系非常復(fù)雜，但我們有一個(gè)信念，在紛繁復(fù)雜的現(xiàn)象背后一定存在著某種簡(jiǎn)單的規(guī)律。那能否進(jìn)行某種變換，將不易尋找的直接關(guān)系轉(zhuǎn)化為容易確定的間接關(guān)系呢？學(xué)生嘗試將感應(yīng)電流的方向變換為感應(yīng)電流的磁場(chǎng)（B ），看看當(dāng)原磁場(chǎng)的磁通量變化時(shí)，原磁場(chǎng)的方向與感應(yīng)電流磁場(chǎng)的方向是否存在簡(jiǎn)單的關(guān)系。如果找到了這個(gè)關(guān)系，利用感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向，就可方便地確定感應(yīng)電流的方向了。學(xué)生完成表格最后一行，并在圖上作出感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向，最后找到了感應(yīng)電流磁場(chǎng)方向和磁通量變化及原磁場(chǎng)方向之間的關(guān)系。

參考文獻(xiàn)：

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（欄目編輯 趙保鋼）