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摘 要： 通过梳理我国物理实验设计题的内涵与发展及其相关研究，并与美国的物理实验设计题进行比较，能够看出物理实验设计题在测量过程中体现出的技巧所对应的动作逻辑思维.但是，物理测量不应只停留于操作技术，应是定量的认识过程.未来，物理實验设计题的发展应当凸显学生的认识主体地位.
关键词： 物理实验设计题;思维;定量;主体性
文章编号： 1008-4134（2019）23-0028 中图分类号： G633.7 文献标识码： B
在中学物理中，实验设计题在一段较长时期内已成为一种重要的训练与考查方式.对此类题目进行梳理和分析并进行国际比较，旨在不断推动我国物理教育的改革发展.
1 我国实验设计题的认识与实践历程
1.1 我国物理实验设计题的内涵与发展
实验设计题，顾名思义，就是要根据给出的若干个实验器材， 要求考生设计出测量某个物理量的方案[1].也有人称此类问题为创造性实验[2].该类题目早在第一届北京市中学生物理实验竞赛（1983年）中就已出现，随后也出现在全国初中应用物理知识竞赛（1990年）中，也是当年中考考查题型之一.表1为相关具体题目.
物理实验设计题也逐渐走进大学生的竞赛中.广东省从1994年就已开始举办大学生实验设计比赛，得到了众多学校师生的积极配合和热情参与.竞赛中的试题表述简略，直接点明设计要求，并且辅以背景介绍作为知识铺垫，给参赛者提供了充分的思考空间.同时，因其答题需清晰论述实验设计方案，这对学生论文写作能力也有所助益[3].值得注意的是，该比赛也逐渐成为高校教师授课内容的重要组成部分，逐渐影响甚至改变教师“考试唯一”的评价方式[4].
1.2 关于物理实验设计题的研究
自物理实验设计题成为中考实验探究题，众多物理教育工作者都对此进行了大量研究.近年来，中考对于学生科学探究能力的考查增多，能力要求也逐步提高[5]，为更好地适应这一变化，学者们总结出实验设计题的类型以及其中涉及到的如转换法、近似法、比较法、控制变量法等思想方法[6].
在解题方面，也有学者指出要遵循“明确或提出问题—构思实验假设—知识技能组合—形成设计方案”的思维程序[7].同时，也研究出了一些具体答题方法（步骤），如明确实验目的、广泛联系实际—选择方案、简便精确—根据实验方案、选定实验器材—拟定步骤、合理有序—数据处理、误差分析[8].这些研究都为教师开展教学提供了有利的参考和指引.
然而，物理实验设计题在当前的日常教学中似乎已步入某些误区.例如，教学目标只以得到高分为目的.这导致教师通过大量练习题对学生加以训练，将问题按照考查内容进行细致的划分和归类，如“测固体物质的密度”“测液体的密度”等实验设计题.答题模式也被固定化、套路化、机械化，使学生能够“触类旁通”“见招拆招”.这些疑难亟待破解.
2 中美“实验设计题”的比较分析
2.1 我国物理实验设计题的分析
物理实验设计题是现今中考实验探究题的重要组成部分.以2016年山西省中考物理的39题为例（表2），可以看到，此类题目以课本实验为基础，通过创设具体情境、改变实验条件或实验器材等方式进行命题.与以往考查题目不同的是，现今的物理实验设计题更具开放性和灵活性，与生活实际联系紧密，富于情境化，而且答案也并不唯一，更加开放，倡导学生进行多角度思考.
不难看出，物理实验设计题的题目背景并无过多情境，描述都较为直接，答案以简答形式为主.考查内容贴近学生和教材，都在学生学过的知识范围内.题目要求学生不仅要形成正确的实验思路，还要进行清晰的文字表述和公式演算.但解题都停留在纸笔测验层面.
2.2 美国物理实验设计题的分析
AP（Advanced Placement）物理是美国高中开设的大学物理先修课程，近年来的考试中设有实验设计题，借此考查学生对物理知识的理解和运用，培养学生的科学探究能力.表3为2016年AP物理I的实验设计试题[9].
美国物理实验设计题的情景同样来源于生活和教材，引导学生利用生活中常见的物品作为实验器材，设计实验方案并完成具体操作.题目给学生创造了开放的、自由的思考和操作空间.所设的问题则逐层深入，每一小问都有更为具体、细致的实验步骤引导或方法指引，为学生的思考架起了桥梁.这些设置也帮助学生对实验设计进行反思和评价，为学生体验完整的科学探究过程创设条件.
类似地，物理实验设计在美国的大学物理课程中占据着重要地位.美国Brown大学在1978-1979年的物理课程上要求学生根据研究内容和提示设计实验方案.而麻省理工学院（MIT）早在1966年就开始向外介绍他们开设设计性物理实验的经验.在MIT，物理实验设计是每个本科生的必修内容，学校借此训练学生做创造性的、探索性的研究工作，学到解决问题的能力[10].这也是一个将物理实验设计由纸笔检测落实到实际操作层面的重大进步.
3 启示：如何走向“定量地认识”
3.1 实验技巧对应的动作逻辑思维
我国传统实验设计题的解答可以看作是学生将头脑中所想到的完整实验步骤借助语言进行清晰表达的过程.学生需要充分调动所学知识，确定实验目的，并根据已知条件叙述实验流程及所需测量的物理量，通过预设的实验现象和公式推导得到最终结果.
值得肯定的是，此类题目注重学生在测量过程中的技巧体现，即通过有限的实验器材，思考出更为灵活多样的测量方法，以达到实验目的.不仅能够考查出学生对物理知识、物理现象和科学方法的理解程度，也在某种程度上成为衡量学生概括能力和“动作逻辑思维”的重要参考.
所谓动作逻辑思维，就是以动作或行动为思维的重要材料，借助于与动作相联系的语言作物质外壳，加之形象思维和抽象思维，以过去的知识经验作中介，在明确的目的和自我意识（思维的监控）的作用下，按照一定的形式和方法进行着的思考过程[11].学生在答题过程中，正是调动了动作逻辑思维才能将头脑中设想的具体实验动作按照一定的逻辑顺序进行阐述.
3.2 物理量测量对应的“定量地认识”
我国传统的物理实验设计题普遍要求学生测量某个物理量或物体的某一属性的量值，这种测量着重在操作技能层面，是对物质当前某一特性的认识，在认识论上比较静态和片面.然而，物理学作为一门测量科学，其本质是将测量出的物理量作为研究工具，进一步认识某一物理规律或物理理论[12].这就意味着，物理量的测量应当是一个“定量地认识”过程[13]，是在不断地实践（测量）过程中更新对物质的理解，是“认识——实践——再认识”的螺旋上升过程，具有动态性和全面性，而非片面的操作技术.
如图1所示，比较可见，美国物理实验设计题体现出的“测量”更为宏观和动态，不仅重视测量的方法，也强调得到与物理规律相联系的物理量，并将其作为依据对物理规律做进一步的分析;将物理量量化的同时也对物理规律形成了更加深刻的认识（如图1中大虚线框）.而我国物理实验设计题表现出的“测量”就显得狭隘，局限于对物理量具体数值的获得过程，聚焦于测量的技术（如图1中小虚线框）.
应认识到，我国物理实验设计题在未来要走出测量“具体数值”的圈囿，应更具开放性，通过对物理属性即物理量的定量研究，帮助学生能够更加深刻、全面地认识物理实在[14]，学会用发展的眼光看待物理知识、物理规律及其相互关系，培养学生形成健康的科学认识观.
3.3 确证学生的认识主体地位
中美物理实验设计题结构与功能的差异背后，不仅是命题技术上的原因，更反映了教育观念的深刻差异.归根结底，“操作的技艺”与“定量的认识”之间，是学生主体性的尊重与彰显与否.AP物理的实验设计题是科学探究的一个侧面.有学者指出，科学探究是否成功的关键在于教学能否激发学生的主体性[15].
主体性，是指作为现实活动主体的人为达到为我的目的而在对象性活动中表现出来的把握、改造、规范、支配客体和表现自身的能动性.在认识论意义上，主体首先是认识意义上的主体，只有主观能动性的充分发挥，并对客体发生对象化活动，主客体才真正分化，主体地位才得以确证.当实验设计或科学探究局限在具体操作上时，学生的主体性必然是极大地被遮蔽的.
未来实验设计题的改进如何能够真正尊重学生的主体性？需要首先明确学生作为科学认识上的主体地位.题目应要求和引导学生思考要去测量哪些物理量以及如何测量，并联系生活现象进行深入分析和反思.物理量作为科学认识的基本工具，让学生对其进行充分的思考和利用，在心理层面给予了学生认知上的尊重，赋予了学生主动权，促使学生能够发现问题、提出问题，激起学生探究的欲望和兴趣，从而提高学习的积极性，确证学生的主体地位.
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（收稿日期：2019-09-30）