運用科學方法引導實驗設計、培養高階思維的方法探析

陳文嬌

摘 要：科學素養能夠進一步強化人們觀察事物、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，高階思維能力的培養必須要通過科學化的實驗進行訓練、培養，然后輔以一些練習題，進而達到相應的培養目標。而在開展基礎教學活動的過程之中，高階思維能力的培養也是至關重要的組成部分，由此可見，利用方法引導實驗設計，并培養學生的高階思維能力具有重要意義。基于此，文章在研究分析的過程之中，選取測電阻實驗設計為例，剖析物理思維方法的本質，理解等效替代法的應用，培養高階思維，實現深度學習。

關鍵詞：測電阻實驗;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知能力、心智活動等，依據布魯姆教育目標的認知，低階思維主要是指在認知層次中的一種“低階表現”，如理解、應用、記憶等，而高階思維具體體現為分析、評價以及創造。在物理學領域高階思維包含多方面內容，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，如實事求是、對立統一。對于具有高階思維能力的人來講，其通常具備較強的主動探索能力，不但善于發現問題、解決問題，找出問題的本質所在，同時還進行逆向思考，發現一個問題之后，立即聯想到該問題的反面或者聯想到與之相關的問題。結合各類教育教學問題，利用多元化、合理化的物理實驗方法，從而進一步強化學生的高階思維能力是目前物理實驗教學過程中值得深思的一個問題。若在開展物理實驗教學的過程之中，將一些多元化的思維、鮮活的靈感、互動模式等全部與實驗環節進行融合，那么將會激發學生參與實驗活動的興趣，進而強化其高階思維能力，實現相應的教育教學目標。

在初中物理教學和各類測試中，測電阻實驗都是重點和難點。而初中學生由于思維發育的特點，很難將獨立將R=UI進行靈活應用，若在日常生活中，只教學生學會使用用電壓表測電壓，用電流表測電流的基本操作，往往滿足不了學生和考試的要求，因而，在設計電阻測量的實驗中，引導學生應用等效替代法，會大大拓展學生的解題思路，培養學生的高階思維，促進學生的深度學習。

一、 對等效替代法的認識

等效替代法是指在保證某種效果（特性和關系）相同的前提下，將實際的、復雜的、不便研究的物理問題進行抽象或變換，轉化為理想的、簡單的、易于研究的物理問題的一種處理方法。等效替代法強調產生的“效果”相同，等效的物理問題可以相互“替代”，應屬于同一性質。比如，用合力替代分力，用總電阻替代分電阻。等效替代法的內容很多，常見的有對象的等效、模型的等效、過程的等效、運動的等效、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. 分析問題的本質要素及解決困難;3. 尋找適當的替代物，顯示要替代要素;4. 研究替代物的規律;5. 將替代物的規律（或結果）遷移到原事物中。

三、 測電阻實驗中等效替代法的應用

（一）電流表的等效替代

【例1】 有一個阻值未知的電阻器Rx，我們要測出它的阻值，但手中只有一個電池組、一個開關、一個電壓表、一個已知阻值為R0的電阻和若干條導線。

分析：對初中生而言，電路中電流與電阻、電壓三者的關系比較抽象，難以理解。對復雜一些的電路則更難。分析電路發現，常規的伏安法測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得到被測電阻Rx的阻值，就成為解題的關鍵。在講解之前，先引導學生回顧常規電路，提出問題：沒有電流表如何測量電流？能否用現有器材進行替代？

思路點撥：用阻值R0和電壓表替代電流表測出電路中的電流，用電壓表測出R0的電壓U0，根據歐姆定律得到I0=U0R0，將Rx與R0串聯則得到Ix=Io。

實驗步驟：

（1）按照電路圖如圖1連接好電路;

（2）閉合開關，用電壓表分別測出R0兩端電壓U0和Rx兩端電壓Ux;

（3）待測電阻Rx的表達式：Rx=UxIx=UxI0=UxU0R0。

解題關鍵：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】 有一個阻值未知的電阻器Rx，我們要測出它的阻值。但手中只有一個電池組、一個開關、一個電流表、一個已知阻值為R0的電阻和若干條導線。請你想辦法測出Rx的阻值，寫出你設計的實驗方案。

提出問題：沒有電壓表如何測量電壓？能否用現有器材進行替代？

思路點撥：用阻值R0和電流表替代電壓表測出未知電阻的電壓。

用電流表測出R0的電流Io，根據歐姆定律得到U0=I0R0，將Rx與R0并聯則得到Ux=Uo。

實驗步驟：

（1）按照電路圖如圖2連接好電路;

（2）閉合開關，用電流表分別測出通過R0的電流I0和通過Rx的電流Ix;

（3）待測電阻Rx的表達式：Rx=UxIx=U0Ix=I0IxR0

解題關鍵：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設計方案）：1. 要連兩次電路，操作不方便;2. 只有一組數據，不夠準確。

改進措施：1. 加開關控制;2. 加接滑動變阻器多次測量取平均值。與常規設計電路對比如下：

表達式Rx=UxIx

表達式Rx=UxIx=UxI0=UxU0R0=UxU-UxR0

表達式Rx=UxIx=U0Ix=I0I-I0R0

（三）被測電阻的等效替代

【例3】 用如圖6所示的電路可以測量一個未知電阻的阻值，其中Rx為待測電阻，R為電阻箱，S為單刀雙擲開關，R0為定值電阻。若用該電路進行實驗，請說明主要實驗步驟。