摘 要：思维有高阶思维和低阶思维，分析、评价和创造称之为高阶思维。物理学科在培养学生高阶思维能力方面，既有义不容辞的责任，又有得天独厚的条件。本文探讨基于物理实验探究教学，培育学生的高阶思维能力。

关键词：实验探究；高阶思维能力；假说建构

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）3-0015-4

按照心智活动或认知能力，思维有高阶思维和低阶思维。高阶思维（High Order Thinking ）是指发生在较高认知水平层次上的心智活动或认知能力。布鲁姆对学习者的思维发展从认知角度细化为具体可操作的6个层次（2001版），如表1所示。其中，分析、评价和创造称之为高阶思维。国内学者也认同高阶思维是较高认知水平上的心智活动或认知能力，是一种跨学科、跨知识领域，能对思维予以评价的思维。它是生成性思维和批判性思维的互补运用，是一种创造性的、跨学科知识的思维。高阶思维是高阶能力的核心，直接表现为创新能力、问题求解能力、决策力和批判性思维能力，是适应知识时代发展的关键能力。物理学科在培养学生高阶思维能力方面，既有义不容辞的责任，又有得天独厚的条件。本文探讨基于物理实验探究教学，培育学生的高阶思维能力。

表1 BLOOM教育目标分类表——认知维度

1 基于假说构建的教学

恩格斯说：“只要自然科学在思维着，它的发展形式就是假说”。假说在探究式教学中被表述为“猜想和假设”，是指在观察和实验的基础上，根据科学原理和科學事实进行思维加工，对未知现象及其规律所作的假定性解释和说明。表现为：（1）对问题或现象的成因进行猜想；（2）对探究的方向或现象的结果进行推测与假设。假说构建教学中，需要引导学生广泛联想，充分发挥科学思维的创新功能，在实现假说构建的同时，有效地培养学生的高阶思维能力。

（1）演绎。一是从一些具有全称范围的高度概括性理论陈述出发，结合特殊情景提出假说。如小磁针受到电流产生的磁场的作用力，根据牛顿第三定律提出“通电导线也将受到小磁针产生的磁场的作用力”。二是指对物理理论加以数学分析和逻辑推导，提出预言性假说。如研究变压器原副线圈两端的电压与匝数比关系时，应用法拉第电磁感应定律，通过推导提出U1/U2=n1/n2。

（2）归纳。从有限的物理事实或实验信息出发，概括出可能的物理特性和规律。如学习玻意耳定律时，根据得到的几组气体压强和体积的数据，提出“体积和压强成反比”的假说。

（3）类比。根据事物间某方面的相似性，推出其他方面的相似性。如根据研究静电场强弱时利用点电荷作为试探工具，提出研究磁场强弱时利用“磁荷”来试探。

（4）直觉。直觉指借助于逻辑推理和已有知识、表象和经验知觉的综合运用，以高度省略、简化、浓缩的方式洞察事物本质，迅速提出假说。如关于小幅振动单摆周期的影响因素，学生凭借直觉提出：与摆球质量m、摆动幅度A、摆长L、当地的重力加速度g有关……

经常用到的还有理想化、内插、外推、臻美等等创造性思维方法。实验探究教学中引导学生灵活运用各种思维方法创建假说的过程也是培育高阶思维能力的过程。

2 基于实验方案形成与评价的教学

明确实验目的，或验证、或探索什么物理关系，这是实验设计的出发点。广泛联想、灵活运用所学知识和经验，确定实验原理和情景（匝配性），为实验方案的设计提供大体框架。然后是实验器材的选择和实验步骤的安排。实验方案的形成不是一蹴而就的，教学中要充分发挥学生评价的调节功能，对方案进行修改和调整，使之从半成品走向成品。存在这样的情况：对于同样的实验原理采用不同的实验情景，或对于同样的实验情景采用不同的实验原理，从而形成不同的实验方案。教学中同样要充分发挥学生评价的调节功能，从实验的可行性、安全性、操作性、精度等角度展开分析和比较。实验方案的设计和评价是一个分析、反思和创造的过程，因此，有利于培育学生的高阶思维能力。

如“导体的电阻”教学中，设计探究导体电阻与横截面积S、长度L定量关系的实验方案时，给出图1电路方案“毛胚”，然后引导学生展开评价，并予以调整和修正。

从测量方便的角度进行质疑并修正：图1电路只能测一次，多次测量需改变电源电压，操作极不方便，解决办法是将滑动变阻器连入电路；从测量精度看，因电阻丝的电阻较小，应采用电流表外接，如图2所示；从可行性角度看，从0开始一段范围内的电压无法获得，不能获取大范围内的多组数据。为此，变阻器应采用分压式接法，如图3所示。

又如设计验证自由落体运动为匀加速运动及求加速度大小的实验方案中，教师鼓励学生发散思维，采用不同的原理设计方案。学生采用相同的实验情景（图4），设计出如下三个方案。

方案1：测出不同时刻的速度v，作v-t图像，观察其是否为一条倾斜的直线，若是，则图像斜率为加速度。

方案2：测出不同时刻的位移x，作x-t2图像，观察其是否为一条倾斜的直线，若是，则图像斜率为a/2。

方案3：测出相邻相同时间T内的位移xn，检验x2-x1、x3-x2、x4-x3……是否相等，若相等，则由△x=aT2可求得加速度a。

教师引导学生对方案作出评价，学生思考后认为：上述三个方案中，方案1和方案2都是通过图像法来处理实验数据，相对来说更加精确，而用v-t图像不必对时间作变换，因此，采用方案1进行探究最好。

3 基于“假证伪”实验的教学

实验探究教学中，探究的结果有“证实”和“证伪”之分。“证实”指实验结果对假说作出肯定性支持，“证伪”指作出否定性判断。“证伪”又可分“真证伪”和“假证伪”。“真证伪”指由于假说本身的问题，真的被推翻了；“假证伪”指由于实验设计方面的原因，导致未出现预期的结果，造成假说被否定。“假证伪”实验有着丰富的教育内涵和非常巨大的教育价值，教学时要引导学生考察实验原理、实验方案的每个环节，考虑实验的系统误差和实验精度等情况，从而对实验方案作出修正和调整，直至观点被证实。“假证伪”实验的优化教学有利于学生正确理解科学的本质和现象，有利于培养学生的分析性、反思性和创新性思维。

如“互感和自感”课题教学中，根据互感现象和电磁感应原理提出观点：当通过线圈的电流变化时，线圈本身会产生一个感应电动势，这个电动势会阻碍电流的变化，对线圈中的电流变化起推迟、延缓的作用。

实验“证伪”：学生设计如图5所示的电路方案进行验证，结果开关闭合时，灯光几乎立即发光，没发觉延迟。

实验反思和改进：

实验没有出现预期的现象，可能有两种原因：一是电磁感应规律在这里失效了；二是电路中电流变化延缓时间极短，无法被我们感知到。在我们尚未穷尽努力改进方案时，我们不能轻易地否定科学规律。

实验方案的改进：（1）如图6所示，运用对比方法，使R与RL相等，使灯泡相同。当接通电路时，由于线圈中感应电动势的延迟作用，A1灯会比A2灯迟发光。

（2）用DIS电流传感器，分别呈现当电路接通瞬间，电阻电路和线圈电路中电流的变化，如图7所示。

4 基于实验现象的理论解释教学

寻求实验现象的理论解释是科学进步的推动力。如α粒子散射实验，使汤姆孙的枣糕模型成为历史，卢瑟福提出了“核心结构模型”；光电效应实验，使爱因斯坦提出“光子說”；紫外灾难使普朗克提出“能量子概念”。物理探究性教学中，一些通过类比、外推、直觉等非逻辑方式获得的“假说”具有较大的或然性，在实验探究得到支持性证据或得出物理关系后，教学中应尽可能组织学生应用已学的知识、理论展开分析论证，这既是科学探究的方法论，也是理论自洽性的要求。从学习心理角度看“理论分析”教学环节，该环节能使学生领略知识的价值，对新观点、新理论确信无疑，能有效地将新知纳入已有认知结构，同时也能有效地培养科学思维与创新能力，从而培养高阶思维。

如“动量守恒定律”教学中，教师创设两小球在水平面上碰撞的情景，引导学生提出“两小球的动量变化量相等”的猜想。然后，设计气垫导轨上两滑块碰撞实验予以验证（滑块质量由天平称出、碰撞前后速度由滑块上遮光片的宽度及通过光电门的时间求得，数据由Excel处理），如图8所示。实验证实了同学们的猜想，即“两滑块的动量变化量相等”或“两滑块碰撞前动量之和等于碰撞后动量之和”。我们能否用学过的知识从理论上推导出上述结论呢？学生从动量、动量变化概念联想到动量定理。对两滑块分别列动量定理：

5 基于实验信息分析处理的教学

物理规律支配着实验现象的特征，通过对实验信息的分析处理能找到隐蔽的物理规律。但有时很像盲人摸象，往往要在付出巨大努力、艰难求索后，才能撩开那层薄薄的面纱，看到金碧辉煌的宫殿。历史上，面对浩瀚的测量数据，科学家去伪存真，不断摸索、尝试，穷尽毕生精力探寻规律，“得之或不得”的事例不胜枚举。如天文学家第谷虽毕生努力，但未求得行星运动轨道的准确描述。开普勒在70余次尝试后，终于突破“天空做完美的匀速圆周运动”观念，又经多年的尝试性计算，终于发现行星运动三定律。为此，开普勒曾欣喜若狂地说：“16年了……我终于走向光明，认识到的真理远超出我的热切期望”。实验探究教学中，在学生对实验现象、数据的分析考察没有头绪时，不妨引导学生对信息、数据作某种相关性变换，将物理量间直接关系的寻找转化为间接关系的确定，通过不断尝试、修正，直至最后得出结论。可见，基于实验现象、数据的优化教学，能有效地培养学生的分析、评价和创新思维。

如“楞次定律”教学中，学生小组在利用线圈、电流表、磁铁等器材进行实验探究，得到表2信息（暂缺最后一行）后，尝试利用表中信息概括感应电流方向与哪些因素有关时，遇到了困难。教师启发学生，从实验得到的信息看感应电流方向与磁场方向、磁通量变化的关系非常复杂，但我们有一个信念，在纷繁复杂的现象背后一定存在着某种简单的规律。那能否进行某种变换，将不易寻找的直接关系转化为容易确定的间接关系呢？学生尝试将感应电流的方向变换为感应电流的磁场（B ），看看当原磁场的磁通量变化时，原磁场的方向与感应电流磁场的方向是否存在简单的关系。如果找到了这个关系，利用感应电流的磁场方向，就可方便地确定感应电流的方向了。学生完成表格最后一行，并在图上作出感应电流的磁场方向，最后找到了感应电流磁场方向和磁通量变化及原磁场方向之间的关系。

参考文献：

[1]曾志旺.探究教学中的假说及其教学策略[J].中学物理教学参考，2006，35（6）：5-8.

[2]曾志旺.探究性教学中的“证伪”及其应用[J].物理通报， 2009（7）：3-6.

[3]郑青岳.高中物理典型课例优化设计[M].杭州：浙江教育出版社，2016.

（栏目编辑 赵保钢）