發(fā)展實(shí)驗(yàn)思維能力 促進(jìn)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰μ嵘?
——2009年至2019年高考全國卷Ⅰ物理實(shí)驗(yàn)題分析及教學(xué)啟示

劉 睿 桂維玲

(山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院 山東 濟(jì)南 250014)

物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰κ怯蓪?shí)驗(yàn)觀察能力、操作能力、思維能力3種能力要素構(gòu)成[1].高考作為社會公認(rèn)的考試評價機(jī)制,以實(shí)驗(yàn)題為載體考查學(xué)生的物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?在以往的試題分析中,研究者們過于關(guān)注試題對學(xué)生實(shí)驗(yàn)觀察與操作能力的考查情況,而忽略了對實(shí)驗(yàn)思維能力考查情況的分析,體現(xiàn)出對這一能力要素的輕視.實(shí)際上,這一能力要素是至關(guān)重要的,有著不可忽視的根基作用.物理實(shí)驗(yàn)觀察需要實(shí)驗(yàn)思維的引導(dǎo)與參與才能使觀察的結(jié)果全面而深刻；物理實(shí)驗(yàn)操作如實(shí)驗(yàn)儀器的選擇與組裝都需要實(shí)驗(yàn)思維的協(xié)助.分析高考對學(xué)生實(shí)驗(yàn)思維能力的考查情況和特點(diǎn),可以為實(shí)驗(yàn)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)思維能力、扎實(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Ω峁┯行е笇?dǎo),發(fā)揮高考“引導(dǎo)教學(xué)”“以考促學(xué)”的作用.

1 物理實(shí)驗(yàn)思維能力及結(jié)構(gòu)界定

物理實(shí)驗(yàn)思維能力是指具有意識的人腦對客觀物理實(shí)驗(yàn)事物(物理實(shí)驗(yàn)對象、過程、現(xiàn)象、事實(shí)等)的本質(zhì)屬性、內(nèi)部規(guī)律及相互關(guān)系間接的、概括的、能動的反映能力[2].要發(fā)展學(xué)生的實(shí)驗(yàn)思維能力首先需明確其結(jié)構(gòu).美國心理學(xué)家吉爾福特認(rèn)為,智力是由內(nèi)容、操作和產(chǎn)物構(gòu)成的三維空間結(jié)構(gòu)[3].該結(jié)構(gòu)模型雖然比較全面,但未能體現(xiàn)智力的主體因素即人對智力發(fā)展的影響.我國心理學(xué)家朱智賢認(rèn)為思維的結(jié)構(gòu)包括思維的目的、過程、材料或結(jié)果、思維的監(jiān)控或自我調(diào)節(jié)、思維的品質(zhì)和思維中的認(rèn)知因素與非認(rèn)知因素[4].這樣的思維結(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)理應(yīng)是思維的目的之一.再如,思維的目的、品質(zhì)、思維認(rèn)知因素與非認(rèn)知因素都同屬思維主體.因此,以上兩類關(guān)于智力和思維結(jié)構(gòu)的建構(gòu)各有優(yōu)劣.在這兩種理論的基礎(chǔ)上,筆者認(rèn)為物理實(shí)驗(yàn)思維能力是由實(shí)驗(yàn)思維的主體、內(nèi)容、過程所構(gòu)成的三維空間結(jié)構(gòu),如圖1所示,三方面彼此影響、相互促進(jìn).

圖1 實(shí)驗(yàn)思維結(jié)構(gòu)圖

實(shí)驗(yàn)思維主體要素包括實(shí)驗(yàn)思維的目的、品質(zhì)、實(shí)驗(yàn)思維中的認(rèn)知因素與非認(rèn)知因素；實(shí)驗(yàn)思維內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)思維的材料或結(jié)果；實(shí)驗(yàn)思維的過程跟隨實(shí)驗(yàn)進(jìn)程而展開即運(yùn)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(shè)等)發(fā)現(xiàn)或明確實(shí)驗(yàn)問題、設(shè)計實(shí)驗(yàn)、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并做出解釋的過程.(探究性實(shí)驗(yàn)包含猜想與假設(shè)過程).

2 高考物理實(shí)驗(yàn)試題分析

筆者通過試題解決路徑判斷學(xué)生經(jīng)歷的思維過程,解決實(shí)驗(yàn)問題所需的思維材料和運(yùn)用的思維方法.此部分將從實(shí)驗(yàn)思維材料和實(shí)驗(yàn)思維過程中思維方法的運(yùn)用兩方面進(jìn)行分析.為了避免分析內(nèi)容遺漏,筆者選擇全國卷Ⅰ近11年實(shí)驗(yàn)題進(jìn)行分析統(tǒng)計,將實(shí)驗(yàn)題中每空視為1小題,共計100小題.

2.1 實(shí)驗(yàn)思維材料考查情況

實(shí)驗(yàn)思維材料即學(xué)生在進(jìn)行和解決實(shí)驗(yàn)問題的過程中所運(yùn)用的感覺、知覺、表象、概念、規(guī)律、數(shù)據(jù)等,前三者屬于感性材料,后三者屬于理性材料.學(xué)生在解決高考實(shí)驗(yàn)題時,由于脫離了真實(shí)具體的事物,無法獲得感知覺,所運(yùn)用的感性材料為感知經(jīng)驗(yàn)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(yùn)用的理性材料主要為物理概念、規(guī)律(包括物理定律、定理、原理、法則、公式)、數(shù)據(jù)[5].因此,針對近11年高考全國卷Ⅰ物理實(shí)驗(yàn)題,筆者歸納出解決實(shí)驗(yàn)題所運(yùn)用的思維材料,如表1所示.

表1 實(shí)驗(yàn)思維材料情況

高考全國卷Ⅰ物理實(shí)驗(yàn)題由1道運(yùn)動學(xué)或力學(xué)實(shí)驗(yàn)題和1道電學(xué)實(shí)驗(yàn)題組成.據(jù)表1可以看出,解決運(yùn)動學(xué)實(shí)驗(yàn)問題,主要運(yùn)用時空表象,明確運(yùn)動對象的空間位置隨時間變化的情況.力學(xué)或電學(xué)實(shí)驗(yàn)主要運(yùn)用圖景表象,在腦海中呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)裝置甚至操作實(shí)驗(yàn)裝置.解決3類實(shí)驗(yàn)都會運(yùn)用到的表象為圖形表象.理性材料如實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)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(yùn)動學(xué)問題需要的概念規(guī)律較多,電學(xué)實(shí)驗(yàn)側(cè)重電路規(guī)律,力學(xué)實(shí)驗(yàn)主要考查動力學(xué)相關(guān)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(shí)驗(yàn)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(dāng),較少考查的是比較法.實(shí)驗(yàn)常規(guī)操作(如讀數(shù)、根據(jù)題給數(shù)據(jù)作圖)、根據(jù)已有公式代入數(shù)據(jù)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(shí)驗(yàn)題中的考查特點(diǎn).

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(shù)個部分,考查各部分之間的相互關(guān)系與作用,揭示事物本質(zhì)及內(nèi)部規(guī)律.綜合法是指在分析的基礎(chǔ)上,從整體把握事物本質(zhì)與規(guī)律.思維方法眾多,分析與綜合法是最基本的方法,貫穿實(shí)驗(yàn)思維過程始終,與其他方法相互交織、相互補(bǔ)充.分析與綜合辯證統(tǒng)一,思維總是在分析、綜合、再分析、再綜合中循環(huán)進(jìn)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(jù)選項(xiàng)可以初步判定問題的根源可能是微安表內(nèi)阻測量錯誤或R值計算錯誤.任意假設(shè)其中一個電阻值準(zhǔn)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(jié)合與其他支路的關(guān)系從整體上明確對干路產(chǎn)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(qū)別與共性.在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中,細(xì)致地比較實(shí)驗(yàn)預(yù)期與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系與特點(diǎn),促使觀察與分析更加全面、深刻,及時發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中存在的問題,調(diào)整實(shí)驗(yàn)操作或修改實(shí)驗(yàn)設(shè)計.高考實(shí)驗(yàn)題會創(chuàng)設(shè)上述情境,以此考查學(xué)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(jié)論導(dǎo)出新結(jié)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(xué)預(yù)見就是通過演繹推理得到的.例如,愛因斯坦根據(jù)兩條基本假設(shè)導(dǎo)出質(zhì)能關(guān)系E=mc2.運(yùn)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(guān)系,從而設(shè)計實(shí)驗(yàn)進(jìn)行未知物理量的測量或進(jìn)行理論驗(yàn)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(jù)

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(guān)系,代入數(shù)據(jù)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(zhuǎn)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?？疾槭褂玫刃娲y量未知電阻或?qū)﹄姳磉M(jìn)行改裝.在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中,很可能遇上實(shí)驗(yàn)儀器不符合實(shí)際需求的情況,這時就需要根據(jù)儀器之間的理論關(guān)系對現(xiàn)有儀器進(jìn)行改裝.當(dāng)遇到某些物理量難以測量時,則需要尋找發(fā)揮同等作用的其他可測量物設(shè)計可轉(zhuǎn)換的等效實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測量.高考中這類題目不僅是考查學(xué)生對思維方法的運(yùn)用,同時也是考驗(yàn)學(xué)生隨機(jī)應(yīng)變與創(chuàng)新的能力.

【例4】(2018年高考全國卷Ⅰ 第23題)題略.

評析：學(xué)生要解決后續(xù)問題需準(zhǔn)確理解題設(shè)情景中的等效替代原理.熱敏電阻受溫度影響動態(tài)變化,無法直接讀出阻值大小,調(diào)節(jié)R2讓R2在電路中發(fā)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(jìn)行改裝.將所提供電壓表與定值電阻串聯(lián),擴(kuò)大電壓表量程至4 V.電壓表與定值電阻組合發(fā)揮等效替代大量程電壓表的作用.

3 教學(xué)啟示

3.1 豐富思維內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)思維的進(jìn)行是以實(shí)驗(yàn)思維內(nèi)容為基礎(chǔ)的,形象、科學(xué)的思維材料才能保證思維結(jié)果的創(chuàng)造性和準(zhǔn)確性.通過對高考實(shí)驗(yàn)題的分析,明確了3類表象在解決不同實(shí)驗(yàn)問題中所發(fā)揮的引導(dǎo)作用.表象的形成需以清晰的感知覺為基礎(chǔ),而其來源一是實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,二是實(shí)驗(yàn)操作,所以應(yīng)從這兩方面去改進(jìn)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的諸如實(shí)驗(yàn)視頻內(nèi)容陳舊、實(shí)驗(yàn)儀器落后、實(shí)驗(yàn)操作繁瑣等問題.增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)讓學(xué)生的感知覺更加深刻.由于表象具有動搖性、模糊性,教學(xué)中需遵循記憶規(guī)律,創(chuàng)設(shè)問題情境讓學(xué)生反復(fù)呈現(xiàn)表象,使表象更加豐富穩(wěn)定.除了感性思維材料,理性思維材料也不可或缺,實(shí)驗(yàn)前師生共同辨析易混淆概念,明確規(guī)律適用條件,記憶相關(guān)公式,破除思維障礙.在實(shí)驗(yàn)過程中,要保證實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范嚴(yán)謹(jǐn),數(shù)據(jù)真實(shí)可靠,培養(yǎng)學(xué)生數(shù)形轉(zhuǎn)換習(xí)慣,發(fā)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(shí)驗(yàn)思維品質(zhì)是實(shí)驗(yàn)思維主體最為核心的要素,也是提升實(shí)驗(yàn)思維能力的關(guān)鍵.實(shí)驗(yàn)思維品質(zhì)主要包括深刻性、靈活性、獨(dú)創(chuàng)性、批判性、敏捷性5個方面[4].豐富學(xué)生實(shí)驗(yàn)思維內(nèi)容、進(jìn)行思維方法教育、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練都能有效促進(jìn)思維品質(zhì)的提升和完善.提升思維主體不僅要關(guān)注思維品質(zhì),也要關(guān)注思維中的非認(rèn)知因素，如動機(jī)、興趣、情感等.非認(rèn)知因素對學(xué)生學(xué)習(xí)活動起著動力作用、定型作用和補(bǔ)償作用[7].可以以遠(yuǎn)景性的實(shí)驗(yàn)?zāi)康膩砑ぐl(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動機(jī)和興趣[8],讓學(xué)生意識到實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ奶嵘転樽陨砦磥戆l(fā)展創(chuàng)造新的可能,思維活動才能更具自覺性.

4 結(jié)束語

高考實(shí)驗(yàn)題是在脫離實(shí)物的基礎(chǔ)上考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?更多體現(xiàn)的是對實(shí)驗(yàn)思維能力的考查,其考查內(nèi)容和特點(diǎn)明確了對學(xué)生實(shí)驗(yàn)思維能力培養(yǎng)的方向，即完善學(xué)生實(shí)驗(yàn)思維結(jié)構(gòu)的三方面.對學(xué)生實(shí)驗(yàn)思維內(nèi)容的豐富和對思維過程的訓(xùn)練能無形中提升學(xué)生的思維品質(zhì).實(shí)驗(yàn)思維的主體、內(nèi)容、過程的發(fā)展都處在良性循環(huán)中,才能實(shí)現(xiàn)發(fā)展學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)思維能力,促進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰μ嵘哪康?