“完形建構法”突破高考物理中的創新性實驗題

摘?要：隨著普通高中物理新課程標準的頒布與核心素養導向的物理教學觀的提出，創新性實驗題逐漸成為高考物理的重要考查內容.但每年高考學生在這種題型上的得分情況非常不理想，究其原因在于創新性實驗題不能完全通過“線性的邏輯推理的方式”去解決，而是要通過“非線性的完形建構的方式”去突破.“完形建構法”可以很好地幫助學生突破高考物理中的創新性實驗題，主要包括三個步驟：尋找并接納思維障礙、完形突破思維障礙、建構完整的物理圖景.

關鍵詞：創新性實驗;思維障礙;完形建構法;物理圖景

文章編號：1008-4134（2020）07-0027中圖分類號：G633.7文獻標識碼：B

作者簡介：華吉俊（1983-），男，湖南武岡人，碩士，中學一級教師，研究方向：中學物理學科教學.

1?創新性實驗題的困境與思索

1.1?創新性實驗題的現實困境

《普通高中物理課程標準》指出：“在高中物理課程中，應注重科學探究，尤其應注重物理實驗，這在培養學生的探究能力和科學態度等方面具有重要地位[1].”隨著核心素養的提出，物理實驗題的考查鑒別功能得到進一步強化.因為物理實驗題既考查了基礎知識的掌握情況即物理觀念，又考查了科學探究過程，同時也考查了學生設計性思維和創新性思維等科學思維.近年來，為了落實新課程標準與核心素養的要求，高考物理中對創新類實驗題的考查頻率越來越高.但是經過對高考數據的統計分析發現，學生在這種題型中的得分率非常低.許多學生找不到有效的突破辦法，只要一遇到這種題型就果斷地選擇放棄.那么，這種題型是不是真的就找不到突破的方法呢？

研究發現，我們許多學生之所以對這種題型一籌莫展，其根源在于沒有把握這種題型的特點，沒有掌握突破這種題型的思維方法，仍然在用解決傳統型物理問題的方法解決這一類創新性實驗題，因為方法不對，自然是南轅北轍，收效甚微.

1.2?創新性實驗題的思索與突破

在長期的教學過程中，筆者也曾經被這種題型所困擾，苦思不得其解.一天看女兒玩“拼圖游戲”，發現小孩子玩拼圖游戲，是靠不斷把小塊拼接成大塊，小孩子一般很少依靠邏輯推理，他們在一個地方受阻，馬上又重新在另一個地方繼續拼接，當拼接出來的圖形越來越多時，拼接就會變得越來越容易，最終快速拼接出完整的圖案.筆者從中得到啟發，發現做創新性實驗題不能完全按照“線性的邏輯推理”方式去做，而是要用“非線性的完形建構”的方式去突破.

于是筆者提出“完形建構法”突破這一類創新性實驗題，并在后來的教學中不斷實踐完善，幫助學生完成思維方法的突破，讓學生從畏懼這種題型到慢慢找到思路感覺，并最終突破這一類創新性實驗題.

2?“完形建構法”的內涵與應用實例

2.1?“完形建構法”的內涵

“完形建構”來自于格式塔心理學的知覺完形理論，該學派提出了知覺研究的兩大思想：其一為整體大于部分之和，即“整體優先效應”或“完形優先效應”;其二為知覺的完形規則，即知覺是如何組織建構的[2].

本文提出的“完形建構法”借鑒了上述心理學理論中的“整體大于部分”與“整體優先”的思想，主張在解決創新性實驗題的過程中，學生不能糾結于局部的思維障礙，而是要在心理上接納這些思維障礙，并且從題目信息與背景知識中尋找線索，不斷完形突破，最終構建出整體的實驗原理與物理圖景.

“完形建構法”優先關注整體，強調先建構整體，再理解局部，“先見森林，再見樹木”.“完形建構法”也是符合“系統論”的科學的思維方法，它充分利用系統內各要素之間的聯系去建構整體的物理圖景，然后又通過整體實驗原理的突破去完成局部實驗細節的理解.

2.2?“完形建構法”的應用實例一

先以2014年理綜新課標Ⅱ卷23題為例，介紹“完形建構法”在實際解題中的應用.

某實驗小組探究彈簧的勁度系數k與其長度（圈數）的關系.實驗裝置如圖1所示，一均勻長彈簧豎直懸掛，7個指針P0、P1、P2、P3、P4、P5、P6分別固定在彈簧上距懸點0、10、20、30、40、50、60圈處;通過旁邊豎直放置的刻度尺，可以讀出指針的位置，P0指向0刻度;設彈簧下端未掛重物時，各指針的位置記為x0;掛有質量為0.100kg砝碼時，各指針的位置記為x;測量結果及部分計算結果見表1（n為彈簧的圈數，取重力加速度為9.80m/s2）.已知實驗所用彈簧的總圈數為60，整個彈簧的自由長度為11.88cm.

（1）將表中數據補充完整：?①?，?②?;

（2）以n為橫坐標，1/k為縱坐標，在圖2給出的坐標紙上畫出1/kSymbol～A@

n圖象;

（3）圖2中畫出的直線可以近似認為通過原點;若從實驗中所用的彈簧截取圈數為n的一段彈簧，該彈簧的勁度系數k與其圈數n的關系的表達式為k=③N/m;該彈簧的勁度系數k與其自由長度l0（單位為m）的表達式為k=④N/m.

【解析】

（1）根據P2的示數可知，P2部分的原長為4.06cm，拉伸后的長度為5.26cm，根據胡克定律可得，k=FΔx=0.1×9.8（5.26-4.06）×10-2=81.7N/m.

倒數為1k=181.7=0.0122m/N.

（2）根據表中的數據畫出圖象，如圖3所示.

（3）根據得到的圖象可知，?1kn=0.03560，解得

k=1.71×103nN/m

（4）由于60匝彈簧的總長度為11.88cm，則n匝彈簧的原長滿足

nl0=6011.88×10-2，代入

k=1.71×103nN/m，?可得k=3.38l0（在3.31l0-3.62l0之間均可）.

2.2.1?步驟一：接納思維障礙，保持積極心態

許多學生做創新性實驗題，仍然按照做一般物理題的程序去讀題審題，而且在讀題審題的過程中，一旦遇到思維上的障礙，就會產生挫敗感與恐懼感，于是就特別容易放棄.但事實上，任何一個人在遇到創新性實驗題時，都可能遭遇一個甚至是多個思維的障礙點，不可能在頭腦中立刻搞清楚全部實驗原理.學生可能遭遇的“思維障礙點”有以下幾個.

（1）第一句話“探究彈簧的勁度系數k與其長度（圈數）的關系”就超出了學生的認知舒適區，挑戰了學生的固有認知.因為學生一看到彈簧，一般首先想到的是胡克定律，探究彈力與形變量的關系.但這道題要探究彈簧的勁度系數k與其長度的關系，而且實際上實驗中是探究彈簧的勁度系數k與其圈數的關系，這些基本上都處于學生的認知真空地帶.

（2）學生第一遍讀題，基本上無法理解題目中“一均勻長彈簧豎直懸掛……測量結果及部分計算結果如下表所示”這一長段話，也搞不清楚這樣的實驗設計到底要干什么，實驗原理到底是什么.

（3）當學生讀題讀到最后一句話“已知實驗所用彈簧的總圈數為60，整個彈簧的自由長度為11.88cm”時，更是不知所云，不知道這兩個條件是用來干什么的，對整個實驗有什么用.學生也很難理解題目中為什么要作出1/kSymbol～A@

n圖象，又怎樣從圖象中得到我們需要的實驗結論.

其實，所有人在讀題讀到這里的感受是差不多的，但是有些學生心理上能夠接受這一點繼續往下分析，而大部分學生心理上不能接受這種“思維處處受阻”的現象，于是選擇放棄.因此，能否在遇到思維障礙時在心理上接納它，并且始終保持積極的心態就成為區分學生的分水嶺.

2.2.2?步驟二：尋找關鍵線索，逐步完形突破

做創新性實驗題，有點像福爾摩斯探案，要從多方面尋找解題的關鍵線索.而解題的線索一般來源于兩個方面：一方面是從題目中獲取線索，包括從題目的文字信息、圖象圖表、題干選項中都可以獲得有用的解題線索;另一方面是從我們的生活經驗與背景知識中尋找解題的線索.在解題的過程中，隨時都要對這兩方面的信息進行整合，并且完成判斷推理.

針對上面的三個思維障礙點，我們可以逐步進行完形突破，最終拼接出整個實驗原理.

第一個思維障礙點的突破：

一是要重新讀題并明確第一句話的內涵.實驗題的第一句話一般都要說明這個實驗的實驗目的是什么，這個題也不例外，第一句話明確了這個實驗的目的就是要“探究彈簧的勁度系數k與其長度（圈數）的關系”;

二是要調用生活經驗，我們在生活中有過這樣的經驗，那就是同一種彈簧，長度越長就越軟（勁度系數小），長度越短就越硬（勁度系數大）;三是有部分學生在學習過程中可能還接觸過彈簧的串聯與并聯，那還可以從彈簧的串聯中得到啟發，從而理解實驗目的.

第二個思維障礙點的突破：

為什么要在一個彈簧上固定7個指針？實驗中到底要怎樣來實現“探究彈簧的勁度系數k與其長度（圈數）的關系”？要解決這兩個問題，我們可以從兩方面突破.

一方面，我們自己可以想象一下，如果要完成這個實驗，我們會怎樣來設計這個實驗方案？我們可能要選用多個不同長度的彈簧，在彈簧下面掛上重物，然后分別求出每個彈簧的勁度系數，再來探究規律.

另一方面，認真閱讀題目中的圖表，我們可以從表格中看出：第一行數據顯示了六個原長位置，第二行數據顯示了六個形變后的位置，第三行是彈簧的圈數，其實代表了彈簧的長度，這三行綜合起來就是顯示出六個圈數不同的彈簧的原長位置與形變后的位置.讀題到這里，學生可能會意識到這道題最大的一個設計上的亮點：通過在一個彈簧上固定7個指針從而在一個長彈簧上分出了六個不同長度與勁度系數的彈簧，也就是將六個長度不同彈簧合并到一個長彈簧上，這樣還節省了下面懸掛的重物，只需要共用一個重物就可以了.

圖4的圖片中對以上兩種設計方案進行了對比，可以看出這道題中設計方案的優勢，同時也能夠幫助我們理解這個實驗的原理.

第三個思維障礙點的突破：

首先，為什么要作出1/kSymbol～A@

n圖象而不是kSymbol～A@

n圖象？1/kSymbol～A@

n圖象應該是一條直線還是曲線？要理解這兩個問題，我們一方面可以調用物理實驗中經常采用的“化曲為直”的思想方法，而且進一步還可以猜測畫出來的圖線應該是一條直線.另一方面，第三問的題干中“圖2中畫出的直線可以近似認為通過原點”這一句話明確提示并印證了“圖線是直線”的猜想.這里涉及到應用“完形建構法”做實驗題的一種方法技巧，那就是經常可以從后面的題目或者選項中獲得關鍵的線索去理解前面的問題.

其次，怎樣從1/kSymbol～A@

n圖象得到k與n的關系？可以先求出直線的斜率設為k′，然后可以寫出1/kSymbol～A@

n的函數關系，最后再做數學變形就可以得到勁度系數k與彈簧圈數n的關系了.當然對于學生而言，這里還要區分圖象的斜率k′與彈簧的勁度系數k的關系.

再次，怎樣將勁度系數k與彈簧圈數n的關系轉化成彈簧的勁度系數k與其自由長度l0之間的關系？現在已經找到了勁度系數k與彈簧圈數n的關系，只要再找到彈簧圈數n與其自由長度l0之間的關系，就可以把k與n的關系轉換成k與l0之間的關系.要找到彈簧圈數n與其自由長度l0之間的關系，就必須挖掘題干中最后一句話“已知實驗所用彈簧的總圈數為60，整個彈簧的自由長度為11.88cm”.我們可以根據這句話中的兩個條件先求出每一圈彈簧的自然長度，然后再乘以圈數n，就可以得到n圈彈簧的自然長度l0了，這樣就建立起彈簧圈數n與其自由長度l0之間的關系.

總之，在尋找關鍵線索逐步完形突破的過程中，我們的思維往往是跳躍的，在這一類創新性實驗題中我們讀題審題也往往不重視先后順序，只是在不斷地完成每一個思維障礙點的突破，就像“拼圖游戲”中要不斷嘗試完成更多板塊的拼接.而在這個創造性的解決問題的過程中，有時需要依靠猜測、聯想、靈感，有時需要依靠經驗、知識、推理.真實的做題過程更像玩“拼圖游戲”，會更具創造性與跳躍性，是在不斷的“完形建構”中找到突破口，而不是按照線性的邏輯順序去解決問題.

2.2.3?步驟三：完成信息整合，建構物理圖景

當我們對所有的思維障礙點都進行“完形突破”以后，就可以完成所有信息的整合，最終構建出完整的清晰的結構化的物理圖景，這一步驟相當于“拼圖游戲”最后拼接出完整的圖案.而對于一個創新性的物理實驗題而言，就是構建出關于“這個實驗到底要做什么”（實驗目的）與“這個實驗到底是怎么做的”（實驗原理）這樣兩個問題的清晰的物理圖景.這個實驗的物理圖景如圖5所示.

2.3?“完形建構法”的應用實例二

為了說明“完形建構法”的應用，再以2016年新課標Ⅰ卷23題為例.

現要組裝一個由熱敏電阻控制的報警系統，要求當熱敏電阻的溫度達到或超過60℃時，系統報警.提供的器材有：熱敏電阻，報警器（內阻很小，流過的電流超過Ic時就會報警），電阻箱（最大阻值為999.9Ω），直流電源（輸出電壓為U，內阻不計），滑動變阻器R1（最大阻值為1000Ω），滑動變阻器R2（最大阻值為2000Ω），單刀雙擲開關一個，導線若干.

在室溫下對系統進行調節.已知U約為18V，Ic約為10mA;流過報警器的電流超過20mA時，報警器可能損壞;該熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減小，在60°C時阻值為650.0Ω.

（1）在答題卡上完成待調節的報警系統原理電路圖的連線（如圖6所示）.

（2）電路中應選用滑動變阻器（填“R1”或“R2”）.

（3）按照下列步驟調節此報警系統：

①電路接通前，需將電阻箱調到一固定的阻值，根據實驗要求，這一阻值為Ω;滑動變阻器的滑片應置于（填“a”或“b”）端附近，不能置于另一端的原因是.

②將開關向（填“c”或“d”）端閉合，緩慢移動滑動變阻器的滑片，直至.

（4）保持滑動變阻器滑片的位置不變，將開關向另一端閉合，報警系統即可正常使用.

【解析】

（1）熱敏電阻工作溫度達到60℃時，報警器報警.故需通過調節電阻箱使其電阻為60℃時的熱敏電阻的阻值，即調節到阻值650.0Ω，光使報警器能正常報警，電路圖如圖7所示.

（2）U=18V，當通過報警器的電流10mA≤IC≤20mA，故電路中總電阻R=UIC，980Ω≤R≤1800Ω，故滑動變阻器選R2.

（3）熱敏電阻為650.0Ω時，報警器開始報警，模擬熱敏電阻的電阻器阻值也應為650.0Ω，為防止通過報警器電流過大，造成報警器燒壞，應使滑動變阻器的滑片置于b端.

2.3.1?步驟一：接納思維障礙，保持積極心態

在這道題的解題過程中，學生可能出現的思維障礙點有如下幾個：

（1）這道題要求“組裝報警系統”，這個實驗題屬于設計類的創新實驗題，非常貼近現實生活，平時學生很少遇到這類問題，因此會造成學生的思維障礙.而且把這道題的題干讀完，仍然不會有任何思路，完全搞不清楚“這個實驗要怎么做”.

（2）在沒有搞清楚實驗原理的情況下，第一問就要求連接電路，第二問要求選用滑動變阻器，許多學生望而生畏，不敢下手.

（3）不能理解報警系統的調節與工作原理，不明白為什么要單獨設計報警系統的調節電路？

2.3.2?步驟二：尋找關鍵線索，逐步完形突破

（1）大膽連接電路圖.這道題第一問連接電路圖，既是命題者留給考生的問題，更是命題者留給考生解題的關鍵線索與提示信息.創新性實驗題中，經常會出現一種現象，那就是：問題本身就是重要線索.前面的問題有可能成為解決后面的問題的重要線索，而后面題目中的信息也經常對理解實驗原理與解決前面的問題有重要的作用.因此，實驗題讀題審題要以建構完整的物理圖景為目標，在反復研讀中不斷完形突破，不斷逼近對實驗目的與實驗原理的理解.

（2）跳過第二問中的選擇滑動變阻器，直接進入第三問進行分析.因為第三問中的實驗步驟能夠幫助進一步深入地理解實驗原理.當我們把第一問的實驗電路圖與第三問的實驗步驟結合起來，基本上就可以突破對這個實驗題的實驗原理的理解，包括為什么要單獨設計調節電路、怎樣調節電路、自動報警電路的工作原理等，而單刀雙擲開關可以實現在調節電路與報警電路之間進行靈活的切換.

（3）在理解實驗原理的基礎上，再回到第二問中去解決滑動變阻器的選擇問題.滑動變阻器在這道題中采用了限流式接法，它的作用就是調控電路中的電流.因此只要我們根據流過報警器的電流范圍就可以估算出滑動變阻器的阻值范圍，從而做出正確的選擇.

2.3.3?步驟三：完成信息整合，建構物理圖景

這道題的物理圖景建構如圖8所示.

“完形建構法”突破創新性實驗題一般有“三大步驟”：第一步是要接納讀題審題中的思維障礙，從而獲得一種解決問題的積極的心態;第二步是要深入挖掘題目信息并且結合自身的生活經驗與背景知識尋找關鍵的解題線索，逐步實現完形突破，這是最為關鍵的一步，這一步與傳統做實驗題的線性式邏輯推理方式是完全不同的;第三步是要完成信息的整合，最終構建出清晰的物理圖景，實現對實驗目的與實驗原理的深刻理解.

3?結束語

綜上所述，大量學生之所以對高考物理中的創新性實驗題望而卻步，其根源在于思維方式的不匹配，創新性實驗題考查的是學生創造性解決問題的能力，自然不能應用解決常規物理題目的傳統的思維方式去進行解決.本文提出的“完形建構法”是一種創造性的解決物理問題的思想方法，它要求我們從線性思維轉化為非線性思維，從慣性思維轉化為創新性思維，從單純的應用邏輯推理的方法轉化為應用完形建構的方法尋找解題思路的突破.在新課程標準與核心素養的要求下，高中物理教學要圍繞培養學生適應未來社會的關鍵能力與必備品格來開展[3].應用本文提出的“完形建構法”突破創新類實驗題，能夠很好地培養學生在適應未來社會中所必需具備的積極心態與創新能力，提高學生創造性地分析問題、解決問題的能力.

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]庫爾特·考夫卡.黎煒譯.格式塔心理學原理[?M].杭州：?浙江教育出版社，?1997.

[3]彭前程.談對“學生發展核心素養及物理學科核心素養”的理解?[J].中學物理教學參考，2017（10）：01-04.

（收稿日期：2019-11-28）