“完形建构法”突破高考物理中的创新性实验题

摘 要：随着普通高中物理新课程标准的颁布与核心素养导向的物理教学观的提出，创新性实验题逐渐成为高考物理的重要考查内容.但每年高考学生在这种题型上的得分情况非常不理想，究其原因在于创新性实验题不能完全通过“线性的逻辑推理的方式”去解决，而是要通过“非线性的完形建构的方式”去突破.“完形建构法”可以很好地帮助学生突破高考物理中的创新性实验题，主要包括三个步骤：寻找并接纳思维障碍、完形突破思维障碍、建构完整的物理图景.

關键词：创新性实验;思维障碍;完形建构法;物理图景

文章编号：1008-4134（2020）07-0027中图分类号：G633.7文献标识码：B

作者简介：华吉俊（1983-），男，湖南武冈人，硕士，中学一级教师，研究方向：中学物理学科教学.

1 创新性实验题的困境与思索

1.1 创新性实验题的现实困境

《普通高中物理课程标准》指出：“在高中物理课程中，应注重科学探究，尤其应注重物理实验，这在培养学生的探究能力和科学态度等方面具有重要地位[1].”随着核心素养的提出，物理实验题的考查鉴别功能得到进一步强化.因为物理实验题既考查了基础知识的掌握情况即物理观念，又考查了科学探究过程，同时也考查了学生设计性思维和创新性思维等科学思维.近年来，为了落实新课程标准与核心素养的要求，高考物理中对创新类实验题的考查频率越来越高.但是经过对高考数据的统计分析发现，学生在这种题型中的得分率非常低.许多学生找不到有效的突破办法，只要一遇到这种题型就果断地选择放弃.那么，这种题型是不是真的就找不到突破的方法呢？

研究发现，我们许多学生之所以对这种题型一筹莫展，其根源在于没有把握这种题型的特点，没有掌握突破这种题型的思维方法，仍然在用解决传统型物理问题的方法解决这一类创新性实验题，因为方法不对，自然是南辕北辙，收效甚微.

1.2 创新性实验题的思索与突破

在长期的教学过程中，笔者也曾经被这种题型所困扰，苦思不得其解.一天看女儿玩“拼图游戏”，发现小孩子玩拼图游戏，是靠不断把小块拼接成大块，小孩子一般很少依靠逻辑推理，他们在一个地方受阻，马上又重新在另一个地方继续拼接，当拼接出来的图形越来越多时，拼接就会变得越来越容易，最终快速拼接出完整的图案.笔者从中得到启发，发现做创新性实验题不能完全按照“线性的逻辑推理”方式去做，而是要用“非线性的完形建构”的方式去突破.

于是笔者提出“完形建构法”突破这一类创新性实验题，并在后来的教学中不断实践完善，帮助学生完成思维方法的突破，让学生从畏惧这种题型到慢慢找到思路感觉，并最终突破这一类创新性实验题.

2 “完形建构法”的内涵与应用实例

2.1 “完形建构法”的内涵

“完形建构”来自于格式塔心理学的知觉完形理论，该学派提出了知觉研究的两大思想：其一为整体大于部分之和，即“整体优先效应”或“完形优先效应”;其二为知觉的完形规则，即知觉是如何组织建构的[2].

本文提出的“完形建构法”借鉴了上述心理学理论中的“整体大于部分”与“整体优先”的思想，主张在解决创新性实验题的过程中，学生不能纠结于局部的思维障碍，而是要在心理上接纳这些思维障碍，并且从题目信息与背景知识中寻找线索，不断完形突破，最终构建出整体的实验原理与物理图景.

“完形建构法”优先关注整体，强调先建构整体，再理解局部，“先见森林，再见树木”.“完形建构法”也是符合“系统论”的科学的思维方法，它充分利用系统内各要素之间的联系去建构整体的物理图景，然后又通过整体实验原理的突破去完成局部实验细节的理解.

2.2 “完形建构法”的应用实例一

先以2014年理综新课标Ⅱ卷23题为例，介绍“完形建构法”在实际解题中的应用.

某实验小组探究弹簧的劲度系数k与其长度（圈数）的关系.实验装置如图1所示，一均匀长弹簧竖直悬挂，7个指针P0、P1、P2、P3、P4、P5、P6分别固定在弹簧上距悬点0、10、20、30、40、50、60圈处;通过旁边竖直放置的刻度尺，可以读出指针的位置，P0指向0刻度;设弹簧下端未挂重物时，各指针的位置记为x0;挂有质量为0.100kg砝码时，各指针的位置记为x;测量结果及部分计算结果见表1（n为弹簧的圈数，取重力加速度为9.80m/s2）.已知实验所用弹簧的总圈数为60，整个弹簧的自由长度为11.88cm.

（1）将表中数据补充完整： ① ， ② ;

（2）以n为横坐标，1/k为纵坐标，在图2给出的坐标纸上画出1/kSymbol～A@

n图象;

（3）图2中画出的直线可以近似认为通过原点;若从实验中所用的弹簧截取圈数为n的一段弹簧，该弹簧的劲度系数k与其圈数n的关系的表达式为k=③N/m;该弹簧的劲度系数k与其自由长度l0（单位为m）的表达式为k=④N/m.

【解析】

（1）根据P2的示数可知，P2部分的原长为4.06cm，拉伸后的长度为5.26cm，根据胡克定律可得，k=FΔx=0.1×9.8（5.26-4.06）×10-2=81.7N/m.

倒数为1k=181.7=0.0122m/N.

（2）根据表中的数据画出图象，如图3所示.

（3）根据得到的图象可知， 1kn=0.03560，解得

k=1.71×103nN/m

（4）由于60匝弹簧的总长度为11.88cm，则n匝弹簧的原长满足

nl0=6011.88×10-2，代入

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

2.2.1 步骤一：接纳思维障碍，保持积极心态

许多学生做创新性实验题，仍然按照做一般物理题的程序去读题审题，而且在读题审题的过程中，一旦遇到思维上的障碍，就会产生挫败感与恐惧感，于是就特别容易放弃.但事实上，任何一个人在遇到创新性实验题时，都可能遭遇一个甚至是多个思维的障碍点，不可能在头脑中立刻搞清楚全部实验原理.学生可能遭遇的“思维障碍点”有以下几个.

（1）第一句话“探究弹簧的劲度系数k与其长度（圈数）的关系”就超出了学生的认知舒适区，挑战了学生的固有认知.因为学生一看到弹簧，一般首先想到的是胡克定律，探究弹力与形变量的关系.但这道题要探究弹簧的劲度系数k与其长度的关系，而且实际上实验中是探究弹簧的劲度系数k与其圈数的关系，这些基本上都处于学生的认知真空地带.

（2）学生第一遍读题，基本上无法理解题目中“一均匀长弹簧竖直悬挂……测量结果及部分计算结果如下表所示”这一长段话，也搞不清楚这样的实验设计到底要干什么，实验原理到底是什么.

（3）当学生读题读到最后一句话“已知实验所用弹簧的总圈数为60，整个弹簧的自由长度为11.88cm”时，更是不知所云，不知道这两个条件是用来干什么的，对整个实验有什么用.学生也很难理解题目中为什么要作出1/kSymbol～A@

n图象，又怎样从图象中得到我们需要的实验结论.

其实，所有人在读题读到这里的感受是差不多的，但是有些学生心理上能够接受这一点继续往下分析，而大部分学生心理上不能接受这种“思维处处受阻”的现象，于是选择放弃.因此，能否在遇到思维障碍时在心理上接纳它，并且始终保持积极的心态就成为区分学生的分水岭.

2.2.2 步骤二：寻找关键线索，逐步完形突破

做创新性实验题，有点像福尔摩斯探案，要从多方面寻找解题的关键线索.而解题的线索一般来源于两个方面：一方面是从题目中获取线索，包括从题目的文字信息、图象图表、题干选项中都可以获得有用的解题线索;另一方面是从我们的生活经验与背景知识中寻找解题的线索.在解题的过程中，随时都要对这两方面的信息进行整合，并且完成判断推理.

针对上面的三个思维障碍点，我们可以逐步进行完形突破，最终拼接出整个实验原理.

第一个思维障碍点的突破：

一是要重新读题并明确第一句话的内涵.实验题的第一句话一般都要说明这个实验的实验目的是什么，这个题也不例外，第一句话明确了这个实验的目的就是要“探究弹簧的劲度系数k与其长度（圈数）的关系”;

二是要调用生活经验，我们在生活中有过这样的经验，那就是同一种弹簧，长度越长就越软（劲度系数小），长度越短就越硬（劲度系数大）;三是有部分学生在学习过程中可能还接触过弹簧的串联与并联，那还可以从弹簧的串联中得到启发，从而理解实验目的.

第二个思维障碍点的突破：

为什么要在一个弹簧上固定7个指针？实验中到底要怎样来实现“探究弹簧的劲度系数k与其长度（圈数）的关系”？要解决这两个问题，我们可以从两方面突破.

一方面，我们自己可以想象一下，如果要完成这个实验，我们会怎样来设计这个实验方案？我们可能要选用多个不同长度的弹簧，在弹簧下面挂上重物，然后分别求出每个弹簧的劲度系数，再来探究规律.

另一方面，认真阅读题目中的图表，我们可以从表格中看出：第一行数据显示了六个原长位置，第二行数据显示了六个形变后的位置，第三行是弹簧的圈数，其实代表了弹簧的长度，这三行综合起来就是显示出六个圈数不同的弹簧的原长位置与形变后的位置.读题到这里，学生可能会意识到这道题最大的一个设计上的亮点：通过在一个弹簧上固定7个指针从而在一个长弹簧上分出了六个不同长度与劲度系数的弹簧，也就是将六个长度不同弹簧合并到一个长弹簧上，这样还节省了下面悬挂的重物，只需要共用一个重物就可以了.

图4的图片中对以上两种设计方案进行了对比，可以看出这道题中设计方案的优势，同时也能够帮助我们理解这个实验的原理.

第三个思维障碍点的突破：

首先，为什么要作出1/kSymbol～A@

n图象而不是kSymbol～A@

n图象？1/kSymbol～A@

n图象应该是一条直线还是曲线？要理解这两个问题，我们一方面可以调用物理实验中经常采用的“化曲为直”的思想方法，而且进一步还可以猜测画出来的图线应该是一条直线.另一方面，第三问的题干中“图2中画出的直线可以近似认为通过原点”这一句话明确提示并印证了“图线是直线”的猜想.这里涉及到应用“完形建构法”做实验题的一种方法技巧，那就是经常可以从后面的题目或者选项中获得关键的线索去理解前面的问题.

其次，怎样从1/kSymbol～A@

n图象得到k与n的关系？可以先求出直线的斜率设为k′，然后可以写出1/kSymbol～A@

n的函数关系，最后再做数学变形就可以得到劲度系数k与弹簧圈数n的关系了.当然对于学生而言，这里还要区分图象的斜率k′与弹簧的劲度系数k的关系.

再次，怎樣将劲度系数k与弹簧圈数n的关系转化成弹簧的劲度系数k与其自由长度l0之间的关系？现在已经找到了劲度系数k与弹簧圈数n的关系，只要再找到弹簧圈数n与其自由长度l0之间的关系，就可以把k与n的关系转换成k与l0之间的关系.要找到弹簧圈数n与其自由长度l0之间的关系，就必须挖掘题干中最后一句话“已知实验所用弹簧的总圈数为60，整个弹簧的自由长度为11.88cm”.我们可以根据这句话中的两个条件先求出每一圈弹簧的自然长度，然后再乘以圈数n，就可以得到n圈弹簧的自然长度l0了，这样就建立起弹簧圈数n与其自由长度l0之间的关系.

总之，在寻找关键线索逐步完形突破的过程中，我们的思维往往是跳跃的，在这一类创新性实验题中我们读题审题也往往不重视先后顺序，只是在不断地完成每一个思维障碍点的突破，就像“拼图游戏”中要不断尝试完成更多板块的拼接.而在这个创造性的解决问题的过程中，有时需要依靠猜测、联想、灵感，有时需要依靠经验、知识、推理.真实的做题过程更像玩“拼图游戏”，会更具创造性与跳跃性，是在不断的“完形建构”中找到突破口，而不是按照线性的逻辑顺序去解决问题.

2.2.3 步骤三：完成信息整合，建构物理图景

当我们对所有的思维障碍点都进行“完形突破”以后，就可以完成所有信息的整合，最终构建出完整的清晰的结构化的物理图景，这一步骤相当于“拼图游戏”最后拼接出完整的图案.而对于一个创新性的物理实验题而言，就是构建出关于“这个实验到底要做什么”（实验目的）与“这个实验到底是怎么做的”（实验原理）这样两个问题的清晰的物理图景.这个实验的物理图景如图5所示.

2.3 “完形建构法”的应用实例二

为了说明“完形建构法”的应用，再以2016年新课标Ⅰ卷23题为例.

现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统，要求当热敏电阻的温度达到或超过60℃时，系统报警.提供的器材有：热敏电阻，报警器（内阻很小，流过的电流超过Ic时就会报警），电阻箱（最大阻值为999.9Ω），直流电源（输出电压为U，内阻不计），滑动变阻器R1（最大阻值为1000Ω），滑动变阻器R2（最大阻值为2000Ω），单刀双掷开关一个，导线若干.

在室温下对系统进行调节.已知U约为18V，Ic约为10mA;流过报警器的电流超过20mA时，报警器可能损坏;该热敏电阻的阻值随温度升高而减小，在60°C时阻值为650.0Ω.

（1）在答题卡上完成待调节的报警系统原理电路图的连线（如图6所示）.

（2）电路中应选用滑动变阻器（填“R1”或“R2”）.

（3）按照下列步骤调节此报警系统：

①电路接通前，需将电阻箱调到一固定的阻值，根据实验要求，这一阻值为Ω;滑动变阻器的滑片应置于（填“a”或“b”）端附近，不能置于另一端的原因是.

②将开关向（填“c”或“d”）端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至.

（4）保持滑动变阻器滑片的位置不變，将开关向另一端闭合，报警系统即可正常使用.

【解析】

（1）热敏电阻工作温度达到60℃时，报警器报警.故需通过调节电阻箱使其电阻为60℃时的热敏电阻的阻值，即调节到阻值650.0Ω，光使报警器能正常报警，电路图如图7所示.

（2）U=18V，当通过报警器的电流10mA≤IC≤20mA，故电路中总电阻R=UIC，980Ω≤R≤1800Ω，故滑动变阻器选R2.

（3）热敏电阻为650.0Ω时，报警器开始报警，模拟热敏电阻的电阻器阻值也应为650.0Ω，为防止通过报警器电流过大，造成报警器烧坏，应使滑动变阻器的滑片置于b端.

2.3.1 步骤一：接纳思维障碍，保持积极心态

在这道题的解题过程中，学生可能出现的思维障碍点有如下几个：

（1）这道题要求“组装报警系统”，这个实验题属于设计类的创新实验题，非常贴近现实生活，平时学生很少遇到这类问题，因此会造成学生的思维障碍.而且把这道题的题干读完，仍然不会有任何思路，完全搞不清楚“这个实验要怎么做”.

（2）在没有搞清楚实验原理的情况下，第一问就要求连接电路，第二问要求选用滑动变阻器，许多学生望而生畏，不敢下手.

（3）不能理解报警系统的调节与工作原理，不明白为什么要单独设计报警系统的调节电路？

2.3.2 步骤二：寻找关键线索，逐步完形突破

（1）大胆连接电路图.这道题第一问连接电路图，既是命题者留给考生的问题，更是命题者留给考生解题的关键线索与提示信息.创新性实验题中，经常会出现一种现象，那就是：问题本身就是重要线索.前面的问题有可能成为解决后面的问题的重要线索，而后面题目中的信息也经常对理解实验原理与解决前面的问题有重要的作用.因此，实验题读题审题要以建构完整的物理图景为目标，在反复研读中不断完形突破，不断逼近对实验目的与实验原理的理解.

（2）跳过第二问中的选择滑动变阻器，直接进入第三问进行分析.因为第三问中的实验步骤能够帮助进一步深入地理解实验原理.当我们把第一问的实验电路图与第三问的实验步骤结合起来，基本上就可以突破对这个实验题的实验原理的理解，包括为什么要单独设计调节电路、怎样调节电路、自动报警电路的工作原理等，而单刀双掷开关可以实现在调节电路与报警电路之间进行灵活的切换.

（3）在理解实验原理的基础上，再回到第二问中去解决滑动变阻器的选择问题.滑动变阻器在这道题中采用了限流式接法，它的作用就是调控电路中的电流.因此只要我们根据流过报警器的电流范围就可以估算出滑动变阻器的阻值范围，从而做出正确的选择.

2.3.3 步骤三：完成信息整合，建构物理图景

这道题的物理图景建构如图8所示.

“完形建构法”突破创新性实验题一般有“三大步骤”：第一步是要接纳读题审题中的思维障碍，从而获得一种解决问题的积极的心态;第二步是要深入挖掘题目信息并且结合自身的生活经验与背景知识寻找关键的解题线索，逐步实现完形突破，这是最为关键的一步，这一步与传统做实验题的线性式逻辑推理方式是完全不同的;第三步是要完成信息的整合，最终构建出清晰的物理图景，实现对实验目的与实验原理的深刻理解.

3 结束语

综上所述，大量学生之所以对高考物理中的创新性实验题望而却步，其根源在于思维方式的不匹配，创新性实验题考查的是学生创造性解决问题的能力，自然不能应用解决常规物理题目的传统的思维方式去进行解决.本文提出的“完形建构法”是一种创造性的解决物理问题的思想方法，它要求我们从线性思维转化为非线性思维，从惯性思维转化为创新性思维，从单纯的应用逻辑推理的方法转化为应用完形建构的方法寻找解题思路的突破.在新课程标准与核心素养的要求下，高中物理教学要围绕培养学生适应未来社会的关键能力与必备品格来开展[3].应用本文提出的“完形建构法”突破创新类实验题，能够很好地培养学生在适应未来社会中所必需具备的积极心态与创新能力，提高学生创造性地分析问题、解决问题的能力.

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]库尔特·考夫卡.黎炜译.格式塔心理学原理[ M].杭州： 浙江教育出版社， 1997.

[3]彭前程.谈对“学生发展核心素养及物理学科核心素养”的理解 [J].中学物理教学参考，2017（10）：01-04.

（收稿日期：2019-11-28）