摘?要：隨著普通高中物理新課程標(biāo)準(zhǔn)的頒布與核心素養(yǎng)導(dǎo)向的物理教學(xué)觀的提出，創(chuàng)新性實驗題逐漸成為高考物理的重要考查內(nèi)容.但每年高考學(xué)生在這種題型上的得分情況非常不理想，究其原因在于創(chuàng)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(gòu)的方式”去突破.“完形建構(gòu)法”可以很好地幫助學(xué)生突破高考物理中的創(chuàng)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(gòu)完整的物理圖景.

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新性實驗;思維障礙;完形建構(gòu)法;物理圖景

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

作者簡介：華吉?。?983-），男，湖南武岡人，碩士，中學(xué)一級教師，研究方向：中學(xué)物理學(xué)科教學(xué).

1?創(chuàng)新性實驗題的困境與思索

1.1?創(chuàng)新性實驗題的現(xiàn)實困境

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》指出：“在高中物理課程中，應(yīng)注重科學(xué)探究，尤其應(yīng)注重物理實驗，這在培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和科學(xué)態(tài)度等方面具有重要地位[1].”隨著核心素養(yǎng)的提出，物理實驗題的考查鑒別功能得到進(jìn)一步強化.因為物理實驗題既考查了基礎(chǔ)知識的掌握情況即物理觀念，又考查了科學(xué)探究過程，同時也考查了學(xué)生設(shè)計性思維和創(chuàng)新性思維等科學(xué)思維.近年來，為了落實新課程標(biāo)準(zhǔn)與核心素養(yǎng)的要求，高考物理中對創(chuàng)新類實驗題的考查頻率越來越高.但是經(jīng)過對高考數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在這種題型中的得分率非常低.許多學(xué)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(fā)現(xiàn)，我們許多學(xué)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(tǒng)型物理問題的方法解決這一類創(chuàng)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(chuàng)新性實驗題的思索與突破

在長期的教學(xué)過程中，筆者也曾經(jīng)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(fā)現(xiàn)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(xù)拼接，當(dāng)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(fā)，發(fā)現(xiàn)做創(chuàng)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(gòu)”的方式去突破.

于是筆者提出“完形建構(gòu)法”突破這一類創(chuàng)新性實驗題，并在后來的教學(xué)中不斷實踐完善，幫助學(xué)生完成思維方法的突破，讓學(xué)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(chuàng)新性實驗題.

2?“完形建構(gòu)法”的內(nèi)涵與應(yīng)用實例

2.1?“完形建構(gòu)法”的內(nèi)涵

“完形建構(gòu)”來自于格式塔心理學(xué)的知覺完形理論，該學(xué)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(yōu)先效應(yīng)”或“完形優(yōu)先效應(yīng)”;其二為知覺的完形規(guī)則，即知覺是如何組織建構(gòu)的[2].

本文提出的“完形建構(gòu)法”借鑒了上述心理學(xué)理論中的“整體大于部分”與“整體優(yōu)先”的思想，主張在解決創(chuàng)新性實驗題的過程中，學(xué)生不能糾結(jié)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(gòu)建出整體的實驗原理與物理圖景.

“完形建構(gòu)法”優(yōu)先關(guān)注整體，強調(diào)先建構(gòu)整體，再理解局部，“先見森林，再見樹木”.“完形建構(gòu)法”也是符合“系統(tǒng)論”的科學(xué)的思維方法，它充分利用系統(tǒng)內(nèi)各要素之間的聯(lián)系去建構(gòu)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(xì)節(jié)的理解.

2.2?“完形建構(gòu)法”的應(yīng)用實例一

先以2014年理綜新課標(biāo)Ⅱ卷23題為例，介紹“完形建構(gòu)法”在實際解題中的應(yīng)用.

某實驗小組探究彈簧的勁度系數(shù)k與其長度（圈數(shù)）的關(guān)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(shè)彈簧下端未掛重物時，各指針的位置記為x0;掛有質(zhì)量為0.100kg砝碼時，各指針的位置記為x;測量結(jié)果及部分計算結(jié)果見表1（n為彈簧的圈數(shù)，取重力加速度為9.80m/s2）.已知實驗所用彈簧的總?cè)?shù)為60，整個彈簧的自由長度為11.88cm.

（1）將表中數(shù)據(jù)補充完整：?①?，?②?;

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

n圖象;

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

【解析】

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

倒數(shù)為1k=181.7=0.0122m/N.

（2）根據(jù)表中的數(shù)據(jù)畫出圖象，如圖3所示.

（3）根據(jù)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(tài)

許多學(xué)生做創(chuàng)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(chǎn)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(chuàng)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(xué)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(shù)k與其長度（圈數(shù)）的關(guān)系”就超出了學(xué)生的認(rèn)知舒適區(qū)，挑戰(zhàn)了學(xué)生的固有認(rèn)知.因為學(xué)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(guān)系.但這道題要探究彈簧的勁度系數(shù)k與其長度的關(guān)系，而且實際上實驗中是探究彈簧的勁度系數(shù)k與其圈數(shù)的關(guān)系，這些基本上都處于學(xué)生的認(rèn)知真空地帶.

（2）學(xué)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(jié)果及部分計算結(jié)果如下表所示”這一長段話，也搞不清楚這樣的實驗設(shè)計到底要干什么，實驗原理到底是什么.

（3）當(dāng)學(xué)生讀題讀到最后一句話“已知實驗所用彈簧的總?cè)?shù)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(xué)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(jié)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(xué)生心理上能夠接受這一點繼續(xù)往下分析，而大部分學(xué)生心理上不能接受這種“思維處處受阻”的現(xiàn)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(tài)就成為區(qū)分學(xué)生的分水嶺.

2.2.2?步驟二：尋找關(guān)鍵線索，逐步完形突破

做創(chuàng)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(guān)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(jīng)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(jìn)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(jìn)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(nèi)涵.實驗題的第一句話一般都要說明這個實驗的實驗?zāi)康氖鞘裁矗@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(shù)k與其長度（圈數(shù)）的關(guān)系”;

二是要調(diào)用生活經(jīng)驗，我們在生活中有過這樣的經(jīng)驗，那就是同一種彈簧，長度越長就越軟（勁度系數(shù)小），長度越短就越硬（勁度系數(shù)大）;三是有部分學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中可能還接觸過彈簧的串聯(lián)與并聯(lián)，那還可以從彈簧的串聯(lián)中得到啟發(fā)，從而理解實驗?zāi)康?

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(xiàn)“探究彈簧的勁度系數(shù)k與其長度（圈數(shù)）的關(guān)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(shè)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(shù)，再來探究規(guī)律.

另一方面，認(rèn)真閱讀題目中的圖表，我們可以從表格中看出：第一行數(shù)據(jù)顯示了六個原長位置，第二行數(shù)據(jù)顯示了六個形變后的位置，第三行是彈簧的圈數(shù)，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(shù)不同的彈簧的原長位置與形變后的位置.讀題到這里，學(xué)生可能會意識到這道題最大的一個設(shè)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(shù)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(jié)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(shè)計方案進(jìn)行了對比，可以看出這道題中設(shè)計方案的優(yōu)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(yīng)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(diào)用物理實驗中經(jīng)常采用的“化曲為直”的思想方法，而且進(jìn)一步還可以猜測畫出來的圖線應(yīng)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(rèn)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(yīng)用“完形建構(gòu)法”做實驗題的一種方法技巧，那就是經(jīng)?？梢詮暮竺娴念}目或者選項中獲得關(guān)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(guān)系？可以先求出直線的斜率設(shè)為k′，然后可以寫出1/kSymbol～A@

n的函數(shù)關(guān)系，最后再做數(shù)學(xué)變形就可以得到勁度系數(shù)k與彈簧圈數(shù)n的關(guān)系了.當(dāng)然對于學(xué)生而言，這里還要區(qū)分圖象的斜率k′與彈簧的勁度系數(shù)k的關(guān)系.

再次，怎樣將勁度系數(shù)k與彈簧圈數(shù)n的關(guān)系轉(zhuǎn)化成彈簧的勁度系數(shù)k與其自由長度l0之間的關(guān)系？現(xiàn)在已經(jīng)找到了勁度系數(shù)k與彈簧圈數(shù)n的關(guān)系，只要再找到彈簧圈數(shù)n與其自由長度l0之間的關(guān)系，就可以把k與n的關(guān)系轉(zhuǎn)換成k與l0之間的關(guān)系.要找到彈簧圈數(shù)n與其自由長度l0之間的關(guān)系，就必須挖掘題干中最后一句話“已知實驗所用彈簧的總?cè)?shù)為60，整個彈簧的自由長度為11.88cm”.我們可以根據(jù)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(shù)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(shù)n與其自由長度l0之間的關(guān)系.

總之，在尋找關(guān)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(chuàng)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(chuàng)造性的解決問題的過程中，有時需要依靠猜測、聯(lián)想、靈感，有時需要依靠經(jīng)驗、知識、推理.真實的做題過程更像玩“拼圖游戲”，會更具創(chuàng)造性與跳躍性，是在不斷的“完形建構(gòu)”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(gòu)物理圖景

當(dāng)我們對所有的思維障礙點都進(jìn)行“完形突破”以后，就可以完成所有信息的整合，最終構(gòu)建出完整的清晰的結(jié)構(gòu)化的物理圖景，這一步驟相當(dāng)于“拼圖游戲”最后拼接出完整的圖案.而對于一個創(chuàng)新性的物理實驗題而言，就是構(gòu)建出關(guān)于“這個實驗到底要做什么”（實驗?zāi)康模┡c“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(gòu)法”的應(yīng)用實例二

為了說明“完形建構(gòu)法”的應(yīng)用，再以2016年新課標(biāo)Ⅰ卷23題為例.

現(xiàn)要組裝一個由熱敏電阻控制的報警系統(tǒng)，要求當(dāng)熱敏電阻的溫度達(dá)到或超過60℃時，系統(tǒng)報警.提供的器材有：熱敏電阻，報警器（內(nèi)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(nèi)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(guān)一個，導(dǎo)線若干.

在室溫下對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié).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(diào)節(jié)的報警系統(tǒng)原理電路圖的連線（如圖6所示）.

（2）電路中應(yīng)選用滑動變阻器（填“R1”或“R2”）.

（3）按照下列步驟調(diào)節(jié)此報警系統(tǒng)：

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

②將開關(guān)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(guān)向另一端閉合，報警系統(tǒng)即可正常使用.

【解析】

（1）熱敏電阻工作溫度達(dá)到60℃時，報警器報警.故需通過調(diào)節(jié)電阻箱使其電阻為60℃時的熱敏電阻的阻值，即調(diào)節(jié)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(dāng)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(yīng)為650.0Ω，為防止通過報警器電流過大，造成報警器燒壞，應(yīng)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(tài)

在這道題的解題過程中，學(xué)生可能出現(xiàn)的思維障礙點有如下幾個：

（1）這道題要求“組裝報警系統(tǒng)”，這個實驗題屬于設(shè)計類的創(chuàng)新實驗題，非常貼近現(xiàn)實生活，平時學(xué)生很少遇到這類問題，因此會造成學(xué)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(xué)生望而生畏，不敢下手.

（3）不能理解報警系統(tǒng)的調(diào)節(jié)與工作原理，不明白為什么要單獨設(shè)計報警系統(tǒng)的調(diào)節(jié)電路？

2.3.2?步驟二：尋找關(guān)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(guān)鍵線索與提示信息.創(chuàng)新性實驗題中，經(jīng)常會出現(xiàn)一種現(xiàn)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(jīng)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(gòu)完整的物理圖景為目標(biāo)，在反復(fù)研讀中不斷完形突破，不斷逼近對實驗?zāi)康呐c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(jìn)入第三問進(jìn)行分析.因為第三問中的實驗步驟能夠幫助進(jìn)一步深入地理解實驗原理.當(dāng)我們把第一問的實驗電路圖與第三問的實驗步驟結(jié)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(shè)計調(diào)節(jié)電路、怎樣調(diào)節(jié)電路、自動報警電路的工作原理等，而單刀雙擲開關(guān)可以實現(xiàn)在調(diào)節(jié)電路與報警電路之間進(jìn)行靈活的切換.

（3）在理解實驗原理的基礎(chǔ)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(diào)控電路中的電流.因此只要我們根據(jù)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(gòu)物理圖景

這道題的物理圖景建構(gòu)如圖8所示.

“完形建構(gòu)法”突破創(chuàng)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(tài);第二步是要深入挖掘題目信息并且結(jié)合自身的生活經(jīng)驗與背景知識尋找關(guān)鍵的解題線索，逐步實現(xiàn)完形突破，這是最為關(guān)鍵的一步，這一步與傳統(tǒng)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(gòu)建出清晰的物理圖景，實現(xiàn)對實驗?zāi)康呐c實驗原理的深刻理解.

3?結(jié)束語

綜上所述，大量學(xué)生之所以對高考物理中的創(chuàng)新性實驗題望而卻步，其根源在于思維方式的不匹配，創(chuàng)新性實驗題考查的是學(xué)生創(chuàng)造性解決問題的能力，自然不能應(yīng)用解決常規(guī)物理題目的傳統(tǒng)的思維方式去進(jìn)行解決.本文提出的“完形建構(gòu)法”是一種創(chuàng)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(zhuǎn)化為非線性思維，從慣性思維轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新性思維，從單純的應(yīng)用邏輯推理的方法轉(zhuǎn)化為應(yīng)用完形建構(gòu)的方法尋找解題思路的突破.在新課程標(biāo)準(zhǔn)與核心素養(yǎng)的要求下，高中物理教學(xué)要圍繞培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)未來社會的關(guān)鍵能力與必備品格來開展[3].應(yīng)用本文提出的“完形建構(gòu)法”突破創(chuàng)新類實驗題，能夠很好地培養(yǎng)學(xué)生在適應(yīng)未來社會中所必需具備的積極心態(tài)與創(chuàng)新能力，提高學(xué)生創(chuàng)造性地分析問題、解決問題的能力.

參考文獻(xiàn)：

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（收稿日期：2019-11-28）