郭暢 胡揚(yáng)洋

摘 要： 通過梳理我國物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題的內(nèi)涵與發(fā)展及其相關(guān)研究，并與美國的物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題進(jìn)行比較，能夠看出物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題在測(cè)量過程中體現(xiàn)出的技巧所對(duì)應(yīng)的動(dòng)作邏輯思維.但是，物理測(cè)量不應(yīng)只停留于操作技術(shù)，應(yīng)是定量的認(rèn)識(shí)過程.未來，物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題的發(fā)展應(yīng)當(dāng)凸顯學(xué)生的認(rèn)識(shí)主體地位.

關(guān)鍵詞： 物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題;思維;定量;主體性

文章編號(hào)： 1008-4134（2019）23-0028 ? ? 中圖分類號(hào)： G633.7 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

在中學(xué)物理中，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題在一段較長時(shí)期內(nèi)已成為一種重要的訓(xùn)練與考查方式.對(duì)此類題目進(jìn)行梳理和分析并進(jìn)行國際比較，旨在不斷推動(dòng)我國物理教育的改革發(fā)展.

1 我國實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題的認(rèn)識(shí)與實(shí)踐歷程

1.1 我國物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題的內(nèi)涵與發(fā)展

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題，顧名思義，就是要根據(jù)給出的若干個(gè)實(shí)驗(yàn)器材， 要求考生設(shè)計(jì)出測(cè)量某個(gè)物理量的方案[1].也有人稱此類問題為創(chuàng)造性實(shí)驗(yàn)[2].該類題目早在第一屆北京市中學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽（1983年）中就已出現(xiàn)，隨后也出現(xiàn)在全國初中應(yīng)用物理知識(shí)競(jìng)賽（1990年）中，也是當(dāng)年中考考查題型之一.表1為相關(guān)具體題目.

物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題也逐漸走進(jìn)大學(xué)生的競(jìng)賽中.廣東省從1994年就已開始舉辦大學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)比賽，得到了眾多學(xué)校師生的積極配合和熱情參與.競(jìng)賽中的試題表述簡(jiǎn)略，直接點(diǎn)明設(shè)計(jì)要求，并且輔以背景介紹作為知識(shí)鋪墊，給參賽者提供了充分的思考空間.同時(shí)，因其答題需清晰論述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，這對(duì)學(xué)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(nèi)容的重要組成部分，逐漸影響甚至改變教師“考試唯一”的評(píng)價(jià)方式[4].

1.2 關(guān)于物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題的研究

自物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題成為中考實(shí)驗(yàn)探究題，眾多物理教育工作者都對(duì)此進(jìn)行了大量研究.近年來，中考對(duì)于學(xué)生科學(xué)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(yīng)這一變化，學(xué)者們總結(jié)出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題的類型以及其中涉及到的如轉(zhuǎn)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(xué)者指出要遵循“明確或提出問題—構(gòu)思實(shí)驗(yàn)假設(shè)—知識(shí)技能組合—形成設(shè)計(jì)方案”的思維程序[7].同時(shí)，也研究出了一些具體答題方法（步驟），如明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹V泛聯(lián)系實(shí)際—選擇方案、簡(jiǎn)便精確—根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案、選定實(shí)驗(yàn)器材—擬定步驟、合理有序—數(shù)據(jù)處理、誤差分析[8].這些研究都為教師開展教學(xué)提供了有利的參考和指引.

然而，物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題在當(dāng)前的日常教學(xué)中似乎已步入某些誤區(qū).例如，教學(xué)目標(biāo)只以得到高分為目的.這導(dǎo)致教師通過大量練習(xí)題對(duì)學(xué)生加以訓(xùn)練，將問題按照考查內(nèi)容進(jìn)行細(xì)致的劃分和歸類，如“測(cè)固體物質(zhì)的密度”“測(cè)液體的密度”等實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題.答題模式也被固定化、套路化、機(jī)械化，使學(xué)生能夠“觸類旁通”“見招拆招”.這些疑難亟待破解.

2 中美“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題”的比較分析

2.1 我國物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題的分析

物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題是現(xiàn)今中考實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過創(chuàng)設(shè)具體情境、改變實(shí)驗(yàn)條件或?qū)嶒?yàn)器材等方式進(jìn)行命題.與以往考查題目不同的是，現(xiàn)今的物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題更具開放性和靈活性，與生活實(shí)際聯(lián)系緊密，富于情境化，而且答案也并不唯一，更加開放，倡導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行多角度思考.

不難看出，物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題的題目背景并無過多情境，描述都較為直接，答案以簡(jiǎn)答形式為主.考查內(nèi)容貼近學(xué)生和教材，都在學(xué)生學(xué)過的知識(shí)范圍內(nèi).題目要求學(xué)生不僅要形成正確的實(shí)驗(yàn)思路，還要進(jìn)行清晰的文字表述和公式演算.但解題都停留在紙筆測(cè)驗(yàn)層面.

2.2 美國物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題的分析

AP（Advanced Placement）物理是美國高中開設(shè)的大學(xué)物理先修課程，近年來的考試中設(shè)有實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題，借此考查學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的理解和運(yùn)用，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力.表3為2016年AP物理I的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)試題[9].

美國物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題的情景同樣來源于生活和教材，引導(dǎo)學(xué)生利用生活中常見的物品作為實(shí)驗(yàn)器材，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并完成具體操作.題目給學(xué)生創(chuàng)造了開放的、自由的思考和操作空間.所設(shè)的問題則逐層深入，每一小問都有更為具體、細(xì)致的實(shí)驗(yàn)步驟引導(dǎo)或方法指引，為學(xué)生的思考架起了橋梁.這些設(shè)置也幫助學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行反思和評(píng)價(jià)，為學(xué)生體驗(yàn)完整的科學(xué)探究過程創(chuàng)設(shè)條件.

類似地，物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在美國的大學(xué)物理課程中占據(jù)著重要地位.美國Brown大學(xué)在1978-1979年的物理課程上要求學(xué)生根據(jù)研究?jī)?nèi)容和提示設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案.而麻省理工學(xué)院（MIT）早在1966年就開始向外介紹他們開設(shè)設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn).在MIT，物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是每個(gè)本科生的必修內(nèi)容，學(xué)校借此訓(xùn)練學(xué)生做創(chuàng)造性的、探索性的研究工作，學(xué)到解決問題的能力[10].這也是一個(gè)將物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)由紙筆檢測(cè)落實(shí)到實(shí)際操作層面的重大進(jìn)步.

3 啟示：如何走向“定量地認(rèn)識(shí)”

3.1 實(shí)驗(yàn)技巧對(duì)應(yīng)的動(dòng)作邏輯思維

我國傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題的解答可以看作是學(xué)生將頭腦中所想到的完整實(shí)驗(yàn)步驟借助語言進(jìn)行清晰表達(dá)的過程.學(xué)生需要充分調(diào)動(dòng)所學(xué)知識(shí)，確定實(shí)驗(yàn)?zāi)康模⒏鶕?jù)已知條件敘述實(shí)驗(yàn)流程及所需測(cè)量的物理量，通過預(yù)設(shè)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和公式推導(dǎo)得到最終結(jié)果.

值得肯定的是，此類題目注重學(xué)生在測(cè)量過程中的技巧體現(xiàn)，即通過有限的實(shí)驗(yàn)器材，思考出更為靈活多樣的測(cè)量方法，以達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?不僅能夠考查出學(xué)生對(duì)物理知識(shí)、物理現(xiàn)象和科學(xué)方法的理解程度，也在某種程度上成為衡量學(xué)生概括能力和“動(dòng)作邏輯思維”的重要參考.

所謂動(dòng)作邏輯思維，就是以動(dòng)作或行動(dòng)為思維的重要材料，借助于與動(dòng)作相聯(lián)系的語言作物質(zhì)外殼，加之形象思維和抽象思維，以過去的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)作中介，在明確的目的和自我意識(shí)（思維的監(jiān)控）的作用下，按照一定的形式和方法進(jìn)行著的思考過程[11].學(xué)生在答題過程中，正是調(diào)動(dòng)了動(dòng)作邏輯思維才能將頭腦中設(shè)想的具體實(shí)驗(yàn)動(dòng)作按照一定的邏輯順序進(jìn)行闡述.

3.2 物理量測(cè)量對(duì)應(yīng)的“定量地認(rèn)識(shí)”

我國傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題普遍要求學(xué)生測(cè)量某個(gè)物理量或物體的某一屬性的量值，這種測(cè)量著重在操作技能層面，是對(duì)物質(zhì)當(dāng)前某一特性的認(rèn)識(shí)，在認(rèn)識(shí)論上比較靜態(tài)和片面.然而，物理學(xué)作為一門測(cè)量科學(xué)，其本質(zhì)是將測(cè)量出的物理量作為研究工具，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)某一物理規(guī)律或物理理論[12].這就意味著，物理量的測(cè)量應(yīng)當(dāng)是一個(gè)“定量地認(rèn)識(shí)”過程[13]，是在不斷地實(shí)踐（測(cè)量）過程中更新對(duì)物質(zhì)的理解，是“認(rèn)識(shí)——實(shí)踐——再認(rèn)識(shí)”的螺旋上升過程，具有動(dòng)態(tài)性和全面性，而非片面的操作技術(shù).

如圖1所示，比較可見，美國物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題體現(xiàn)出的“測(cè)量”更為宏觀和動(dòng)態(tài)，不僅重視測(cè)量的方法，也強(qiáng)調(diào)得到與物理規(guī)律相聯(lián)系的物理量，并將其作為依據(jù)對(duì)物理規(guī)律做進(jìn)一步的分析;將物理量量化的同時(shí)也對(duì)物理規(guī)律形成了更加深刻的認(rèn)識(shí)（如圖1中大虛線框）.而我國物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題表現(xiàn)出的“測(cè)量”就顯得狹隘，局限于對(duì)物理量具體數(shù)值的獲得過程，聚焦于測(cè)量的技術(shù)（如圖1中小虛線框）.

應(yīng)認(rèn)識(shí)到，我國物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題在未來要走出測(cè)量“具體數(shù)值”的圈囿，應(yīng)更具開放性，通過對(duì)物理屬性即物理量的定量研究，幫助學(xué)生能夠更加深刻、全面地認(rèn)識(shí)物理實(shí)在[14]，學(xué)會(huì)用發(fā)展的眼光看待物理知識(shí)、物理規(guī)律及其相互關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生形成健康的科學(xué)認(rèn)識(shí)觀.

3.3 確證學(xué)生的認(rèn)識(shí)主體地位

中美物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題結(jié)構(gòu)與功能的差異背后，不僅是命題技術(shù)上的原因，更反映了教育觀念的深刻差異.歸根結(jié)底，“操作的技藝”與“定量的認(rèn)識(shí)”之間，是學(xué)生主體性的尊重與彰顯與否.AP物理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題是科學(xué)探究的一個(gè)側(cè)面.有學(xué)者指出，科學(xué)探究是否成功的關(guān)鍵在于教學(xué)能否激發(fā)學(xué)生的主體性[15].

主體性，是指作為現(xiàn)實(shí)活動(dòng)主體的人為達(dá)到為我的目的而在對(duì)象性活動(dòng)中表現(xiàn)出來的把握、改造、規(guī)范、支配客體和表現(xiàn)自身的能動(dòng)性.在認(rèn)識(shí)論意義上，主體首先是認(rèn)識(shí)意義上的主體，只有主觀能動(dòng)性的充分發(fā)揮，并對(duì)客體發(fā)生對(duì)象化活動(dòng)，主客體才真正分化，主體地位才得以確證.當(dāng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)或科學(xué)探究局限在具體操作上時(shí)，學(xué)生的主體性必然是極大地被遮蔽的.

未來實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題的改進(jìn)如何能夠真正尊重學(xué)生的主體性？需要首先明確學(xué)生作為科學(xué)認(rèn)識(shí)上的主體地位.題目應(yīng)要求和引導(dǎo)學(xué)生思考要去測(cè)量哪些物理量以及如何測(cè)量，并聯(lián)系生活現(xiàn)象進(jìn)行深入分析和反思.物理量作為科學(xué)認(rèn)識(shí)的基本工具，讓學(xué)生對(duì)其進(jìn)行充分的思考和利用，在心理層面給予了學(xué)生認(rèn)知上的尊重，賦予了學(xué)生主動(dòng)權(quán)，促使學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，激起學(xué)生探究的欲望和興趣，從而提高學(xué)習(xí)的積極性，確證學(xué)生的主體地位.

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（收稿日期：2019-09-30）