運(yùn)用科學(xué)方法引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、培養(yǎng)高階思維的方法探析

陳文嬌

摘 要：科學(xué)素養(yǎng)能夠進(jìn)一步強(qiáng)化人們觀察事物、分析事物的能力，提高思維水平，這些能力是高階思維的重要體現(xiàn)，高階思維能力的培養(yǎng)必須要通過科學(xué)化的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行訓(xùn)練、培養(yǎng)，然后輔以一些練習(xí)題，進(jìn)而達(dá)到相應(yīng)的培養(yǎng)目標(biāo)。而在開展基礎(chǔ)教學(xué)活動(dòng)的過程之中，高階思維能力的培養(yǎng)也是至關(guān)重要的組成部分，由此可見，利用方法引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力具有重要意義?；诖?，文章在研究分析的過程之中，選取測(cè)電阻實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為例，剖析物理思維方法的本質(zhì)，理解等效替代法的應(yīng)用，培養(yǎng)高階思維，實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。

關(guān)鍵詞：測(cè)電阻實(shí)驗(yàn);等效替代法;高階思維

高階思維主要是指形成較高水平或者較高層次之上的認(rèn)知能力、心智活動(dòng)等，依據(jù)布魯姆教育目標(biāo)的認(rèn)知，低階思維主要是指在認(rèn)知層次中的一種“低階表現(xiàn)”，如理解、應(yīng)用、記憶等，而高階思維具體體現(xiàn)為分析、評(píng)價(jià)以及創(chuàng)造。在物理學(xué)領(lǐng)域高階思維包含多方面內(nèi)容，其一是多元思維，如正向求反、多向輻射等;其二是直覺思維，如大膽想象、積累表象等;其三是邏輯思維，如抽象概括、分析綜合等;其四是辯證思維，如實(shí)事求是、對(duì)立統(tǒng)一。對(duì)于具有高階思維能力的人來講，其通常具備較強(qiáng)的主動(dòng)探索能力，不但善于發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，找出問題的本質(zhì)所在，同時(shí)還進(jìn)行逆向思考，發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題之后，立即聯(lián)想到該問題的反面或者聯(lián)想到與之相關(guān)的問題。結(jié)合各類教育教學(xué)問題，利用多元化、合理化的物理實(shí)驗(yàn)方法，從而進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生的高階思維能力是目前物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中值得深思的一個(gè)問題。若在開展物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程之中，將一些多元化的思維、鮮活的靈感、互動(dòng)模式等全部與實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)進(jìn)行融合，那么將會(huì)激發(fā)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的興趣，進(jìn)而強(qiáng)化其高階思維能力，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的教育教學(xué)目標(biāo)。

在初中物理教學(xué)和各類測(cè)試中，測(cè)電阻實(shí)驗(yàn)都是重點(diǎn)和難點(diǎn)。而初中學(xué)生由于思維發(fā)育的特點(diǎn)，很難將獨(dú)立將R=UI進(jìn)行靈活應(yīng)用，若在日常生活中，只教學(xué)生學(xué)會(huì)使用用電壓表測(cè)電壓，用電流表測(cè)電流的基本操作，往往滿足不了學(xué)生和考試的要求，因而，在設(shè)計(jì)電阻測(cè)量的實(shí)驗(yàn)中，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用等效替代法，會(huì)大大拓展學(xué)生的解題思路，培養(yǎng)學(xué)生的高階思維，促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)。

一、 對(duì)等效替代法的認(rèn)識(shí)

等效替代法是指在保證某種效果（特性和關(guān)系）相同的前提下，將實(shí)際的、復(fù)雜的、不便研究的物理問題進(jìn)行抽象或變換，轉(zhuǎn)化為理想的、簡(jiǎn)單的、易于研究的物理問題的一種處理方法。等效替代法強(qiáng)調(diào)產(chǎn)生的“效果”相同，等效的物理問題可以相互“替代”，應(yīng)屬于同一性質(zhì)。比如，用合力替代分力，用總電阻替代分電阻。等效替代法的內(nèi)容很多，常見的有對(duì)象的等效、模型的等效、過程的等效、運(yùn)動(dòng)的等效、作用的等效、原理的等效、圖形的等效和方法的等效等。

二、 等效替代法的一般研究步驟

1.? 確定研究問題;2. 分析問題的本質(zhì)要素及解決困難;3. 尋找適當(dāng)?shù)奶娲?，顯示要替代要素;4. 研究替代物的規(guī)律;5. 將替代物的規(guī)律（或結(jié)果）遷移到原事物中。

三、 測(cè)電阻實(shí)驗(yàn)中等效替代法的應(yīng)用

（一）電流表的等效替代

【例1】 有一個(gè)阻值未知的電阻器Rx，我們要測(cè)出它的阻值，但手中只有一個(gè)電池組、一個(gè)開關(guān)、一個(gè)電壓表、一個(gè)已知阻值為R0的電阻和若干條導(dǎo)線。

分析：對(duì)初中生而言，電路中電流與電阻、電壓三者的關(guān)系比較抽象，難以理解。對(duì)復(fù)雜一些的電路則更難。分析電路發(fā)現(xiàn)，常規(guī)的伏安法測(cè)電阻需要電流表和電壓表，而本電路中只有電壓表，如何利用已知阻值為R0得到被測(cè)電阻Rx的阻值，就成為解題的關(guān)鍵。在講解之前，先引導(dǎo)學(xué)生回顧常規(guī)電路，提出問題：沒有電流表如何測(cè)量電流？能否用現(xiàn)有器材進(jìn)行替代？

思路點(diǎn)撥：用阻值R0和電壓表替代電流表測(cè)出電路中的電流，用電壓表測(cè)出R0的電壓U0，根據(jù)歐姆定律得到I0=U0R0，將Rx與R0串聯(lián)則得到Ix=Io。

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）按照電路圖如圖1連接好電路;

（2）閉合開關(guān)，用電壓表分別測(cè)出R0兩端電壓U0和Rx兩端電壓Ux;

（3）待測(cè)電阻Rx的表達(dá)式：Rx=UxIx=UxI0=UxU0R0。

解題關(guān)鍵：電流表可用電壓表和定值電阻來替代。

（二）電壓表的等效替代

【例2】 有一個(gè)阻值未知的電阻器Rx，我們要測(cè)出它的阻值。但手中只有一個(gè)電池組、一個(gè)開關(guān)、一個(gè)電流表、一個(gè)已知阻值為R0的電阻和若干條導(dǎo)線。請(qǐng)你想辦法測(cè)出Rx的阻值，寫出你設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案。

提出問題：沒有電壓表如何測(cè)量電壓？能否用現(xiàn)有器材進(jìn)行替代？

思路點(diǎn)撥：用阻值R0和電流表替代電壓表測(cè)出未知電阻的電壓。

用電流表測(cè)出R0的電流Io，根據(jù)歐姆定律得到U0=I0R0，將Rx與R0并聯(lián)則得到Ux=Uo。

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）按照電路圖如圖2連接好電路;

（2）閉合開關(guān)，用電流表分別測(cè)出通過R0的電流I0和通過Rx的電流Ix;

（3）待測(cè)電阻Rx的表達(dá)式：Rx=UxIx=U0Ix=I0IxR0

解題關(guān)鍵：電壓表可用電流表和定值電阻來替代。

思考不足（例1和例2設(shè)計(jì)方案）：1. 要連兩次電路，操作不方便;2. 只有一組數(shù)據(jù)，不夠準(zhǔn)確。

改進(jìn)措施：1. 加開關(guān)控制;2. 加接滑動(dòng)變阻器多次測(cè)量取平均值。與常規(guī)設(shè)計(jì)電路對(duì)比如下：

表達(dá)式Rx=UxIx

表達(dá)式Rx=UxIx=UxI0=UxU0R0=UxU-UxR0

表達(dá)式Rx=UxIx=U0Ix=I0I-I0R0

（三）被測(cè)電阻的等效替代

【例3】 用如圖6所示的電路可以測(cè)量一個(gè)未知電阻的阻值，其中Rx為待測(cè)電阻，R為電阻箱，S為單刀雙擲開關(guān)，R0為定值電阻。若用該電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，請(qǐng)說明主要實(shí)驗(yàn)步驟。