摘 要：科学素养能够进一步强化人们观察事物、分析事物的能力，提高思维水平，这些能力是高阶思维的重要体现，高阶思维能力的培养必须要通过科学化的实验进行训练、培养，然后辅以一些练习题，进而达到相应的培养目标。而在开展基础教学活动的过程之中，高阶思维能力的培养也是至关重要的组成部分，由此可见，利用方法引导实验设计，并培养学生的高阶思维能力具有重要意义。基于此，文章在研究分析的过程之中，选取测电阻实验设计为例，剖析物理思维方法的本质，理解等效替代法的应用，培养高阶思维，实现深度学习。
关键词：测电阻实验;等效替代法;高阶思维
高阶思维主要是指形成较高水平或者较高层次之上的认知能力、心智活动等，依据布鲁姆教育目标的认知，低阶思维主要是指在认知层次中的一种“低阶表现”，如理解、应用、记忆等，而高阶思维具体体现为分析、评价以及创造。在物理学领域高阶思维包含多方面内容，其一是多元思维，如正向求反、多向辐射等;其二是直觉思维，如大胆想象、积累表象等;其三是逻辑思维，如抽象概括、分析综合等;其四是辩证思维，如实事求是、对立统一。对于具有高阶思维能力的人来讲，其通常具备较强的主动探索能力，不但善于发现问题、解决问题，找出问题的本质所在，同时还进行逆向思考，发现一个问题之后，立即联想到该问题的反面或者联想到与之相关的问题。结合各类教育教学问题，利用多元化、合理化的物理实验方法，从而进一步强化学生的高阶思维能力是目前物理实验教学过程中值得深思的一个问题。若在开展物理实验教学的过程之中，将一些多元化的思维、鲜活的灵感、互动模式等全部与实验环节进行融合，那么将会激发学生参与实验活动的兴趣，进而强化其高阶思维能力，实现相应的教育教学目标。
在初中物理教学和各类测试中，测电阻实验都是重点和难点。而初中学生由于思维发育的特点，很难将独立将R=UI进行灵活应用，若在日常生活中，只教学生学会使用用电压表测电压，用电流表测电流的基本操作，往往滿足不了学生和考试的要求，因而，在设计电阻测量的实验中，引导学生应用等效替代法，会大大拓展学生的解题思路，培养学生的高阶思维，促进学生的深度学习。
一、 对等效替代法的认识
等效替代法是指在保证某种效果（特性和关系）相同的前提下，将实际的、复杂的、不便研究的物理问题进行抽象或变换，转化为理想的、简单的、易于研究的物理问题的一种处理方法。等效替代法强调产生的“效果”相同，等效的物理问题可以相互“替代”，应属于同一性质。比如，用合力替代分力，用总电阻替代分电阻。等效替代法的内容很多，常见的有对象的等效、模型的等效、过程的等效、运动的等效、作用的等效、原理的等效、图形的等效和方法的等效等。
二、 等效替代法的一般研究步骤
1. 确定研究问题;2. 分析问题的本质要素及解决困难;3. 寻找适当的替代物，显示要替代要素;4. 研究替代物的规律;5. 将替代物的规律（或结果）迁移到原事物中。
三、 测电阻实验中等效替代法的应用
（一）电流表的等效替代
【例1】 有一个阻值未知的电阻器Rx，我们要测出它的阻值，但手中只有一个电池组、一个开关、一个电压表、一个已知阻值为R0的电阻和若干条导线。
分析：对初中生而言，电路中电流与电阻、电压三者的关系比较抽象，难以理解。对复杂一些的电路则更难。分析电路发现，常规的伏安法测电阻需要电流表和电压表，而本电路中只有电压表，如何利用已知阻值为R0得到被测电阻Rx的阻值，就成为解题的关键。在讲解之前，先引导学生回顾常规电路，提出问题：没有电流表如何测量电流？能否用现有器材进行替代？
思路点拨：用阻值R0和电压表替代电流表测出电路中的电流，用电压表测出R0的电压U0，根据欧姆定律得到I0=U0R0，将Rx与R0串联则得到Ix=Io。
实验步骤：
（1）按照电路图如图1连接好电路;
（2）闭合开关，用电压表分别测出R0两端电压U0和Rx两端电压Ux;
（3）待测电阻Rx的表达式：Rx=UxIx=UxI0=UxU0R0。
解题关键：电流表可用电压表和定值电阻来替代。
（二）电压表的等效替代
【例2】 有一个阻值未知的电阻器Rx，我们要测出它的阻值。但手中只有一个电池组、一个开关、一个电流表、一个已知阻值为R0的电阻和若干条导线。请你想办法测出Rx的阻值，写出你设计的实验方案。
提出问题：没有电压表如何测量电压？能否用现有器材进行替代？
思路点拨：用阻值R0和电流表替代电压表测出未知电阻的电压。
用电流表测出R0的电流Io，根据欧姆定律得到U0=I0R0，将Rx与R0并联则得到Ux=Uo。
实验步骤：
（1）按照电路图如图2连接好电路;
（2）闭合开关，用电流表分别测出通过R0的电流I0和通过Rx的电流Ix;
（3）待测电阻Rx的表达式：Rx=UxIx=U0Ix=I0IxR0
解题关键：电压表可用电流表和定值电阻来替代。
思考不足（例1和例2设计方案）：1. 要连两次电路，操作不方便;2. 只有一组数据，不够准确。
改进措施：1. 加开关控制;2. 加接滑动变阻器多次测量取平均值。与常规设计电路对比如下：
表达式Rx=UxIx
表达式Rx=UxIx=UxI0=UxU0R0=UxU-UxR0
表达式Rx=UxIx=U0Ix=I0I-I0R0
（三）被测电阻的等效替代
【例3】 用如图6所示的电路可以测量一个未知电阻的阻值，其中Rx为待测电阻，R为电阻箱，S为单刀双掷开关，R0为定值电阻。若用该电路进行实验，请说明主要实验步骤。
提出问题：单刀双掷开关有什么作用？Rx和R能否并联连接或串联连接？Rx和R能有什么联系？
思路点拨：单刀双掷开关能连接不同的电路，Rx和R不能在同一电路中，但在电路中的效果可以通过电流表的大小体现出来。S接a时，I1=URx+R0，S接b时，I2=UR+R0如果I1=I2，则说明Rx=R。
实验步骤：
（1）根据电路图，连接实物，将电阻箱的阻值调至最大;
（2）将S拨至a，读出电流表的示数为I;
（3）将S拨至b，调节电阻箱，使电流表的示数仍为I;
（4）讀出电阻箱的阻值即为待测电阻的阻值。
解题关键：Rx和R在电路中的效果可以通过电流表的大小体现出来。如果I1=I2，则说明Rx=R。
拓展思考：如果没有电流表，只有电压表，怎样才能利用其余器材完成测量任务？请画出电路图。
引导学生分析：例题中的电流表是表示Rx和R接入电路中的一种效果，同样电压表可以表示另一种效果，所以只要把电压表并联在Rx的两端即可（与R并联也行）。
电路图：
实验步骤：
（1）根据电路图，连接实物，将电阻箱的阻值调至最大;
（2）将S拨至a，读出电压表的示数为U;
（3）将S拨至b，调节电阻箱，使电流表的示数仍为U;
（4）读出电阻箱的阻值即为待测电阻的阻值。
深入思考：电阻R0的作用是什么？可不可以撤掉？如果用滑动变阻器替换它可以吗？
深入分析：题目中的R0起到保护电路的作用。如果电源电压在安全范围内，可以省去，但是实验设计只能用电流表（思考为什么不能用电压表）;如果换成滑动变阻器RP，需要的条件是前后两次必须保持阻值相同。
进一步追问：如果前后两次RP不同，则测量结果有何影响？
分析：前后两次RP不同，则电阻箱的阻值不等于待测电阻的阻值。
在运用“等效替代法”时，逐步引导学生思考必须控制其他相关的条件，不能简单看效果是否相等。
达尔文曾说过，最有价值的知识是关于方法的知识。在设计物理实验时，遇到不方便测量或无法直接测量的物理量，要努力寻找与之相关的其他物理量，或许采用等效替代法就可以解决问题。在具体应用时要关注等效的合理性、严谨性以及可行性，保证应用等效替代法所测的结果与原方法一致。在初中物理实验设计中，不仅在测电阻中用到等效替代法，在测小灯泡的电功率实验、测液体和固体的密度实验中都可以用到等效替代法。在具体教学过程中，用科学方法引导实验设计，通过一系列层层递进的追问，引导学生思考，促进学生深度学习，无疑是培养学生高阶思维行之有效的策略。
参考文献：
[1]孙庆成.剖析方法本质，促进深度学习[J].物理教学探讨，2019（10）.
[2]余俊文，马来敏.高中物理研究型活动提升高阶思维能力的研究——基于成都“七中网班”远端直播教学的背景[J].教育科学论坛，2020（28）：14-17.
[3]马云秀.通过科学探究 培养高阶思维能力——以“机械能守恒定律”一课教学为例[J].物理教师，2018，39（12）：16-18+22.
[4]郜建辉.初中物理测密度实验中等效法的应用[J].中学物理教与学，2020（10）.
[5]廖燕.项目式学习助力发展物理高阶思维的探索——以初中物理条形磁铁磁场分布的教学为例[J].教育观察，2020，9（27）：58-59.
[6]马云秀.实验与问题“互为驱动” 培养高阶思维能力——以“互感和自感”教学为例[J].中学物理教学参考，2018，47（Z1）：13-16.
作者简介：
陈文娇，福建省厦门市，福建省厦门第一中学。
