借“科學(xué)方法”之風(fēng) 揚(yáng)“探究能力”之帆

吳立勇

摘?要：《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011版）》中的“內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)”由科學(xué)探究和科學(xué)內(nèi)容組成，這實(shí)際上就規(guī)定了初中物理的主要思想方法和主要知識體系.科學(xué)探究由七大環(huán)節(jié)組成，物理概念和物理規(guī)律都是由“分析與論證”環(huán)節(jié)得出的，此環(huán)節(jié)成為發(fā)展學(xué)生探究能力的核心環(huán)節(jié)，無疑成為課堂教學(xué)的重點(diǎn)，也是學(xué)生學(xué)習(xí)物理的難點(diǎn)和困惑點(diǎn).由此，教師要引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)方法分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提高學(xué)生分析問題和解決問題能力，培養(yǎng)歸納物理規(guī)律的能力.

關(guān)鍵詞：分析與論證;科學(xué)方法;分析數(shù)據(jù);發(fā)展能力

文章編號：1008-4134（2019）18-0046中圖分類號：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

探究式教學(xué)中的“分析與論證”是指學(xué)習(xí)者在探究過程中，在獲得實(shí)證的基礎(chǔ)上將探究結(jié)果與自己原有的知識聯(lián)系起來，運(yùn)用分析、綜合、歸納、演繹等科學(xué)研究方法，找到事件的因果關(guān)系或其他解釋，形成超越學(xué)生原有知識和當(dāng)前觀察結(jié)果的新的理解[1].《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》指出，在探究教學(xué)中不僅要注重探究的結(jié)果，而且要注重探究的過程，落實(shí)本標(biāo)準(zhǔn)中對學(xué)生科學(xué)探究能力提出的基本要求.科學(xué)探究的七大要素有：提出問題、猜想與假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂計(jì)劃、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與收集證據(jù)、分析與論證、評估和交流與合作.科學(xué)探究對分析與論證的能力基本要求有：能初步描述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或有關(guān)信息;能對收集的信息進(jìn)行簡單歸類及比較;能進(jìn)行簡單的因果推理;經(jīng)歷從物理現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)中歸納科學(xué)規(guī)律的過程;嘗試對探究結(jié)果進(jìn)行描述和解釋;認(rèn)識分析論證在科學(xué)探究中是必不可少的[2].從能力要求中可以發(fā)現(xiàn)，在“分析與論證”環(huán)節(jié)要求學(xué)生具備較強(qiáng)的歸納能力，最終目的是能從物理現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中分析歸納出科學(xué)規(guī)律.由于初中生對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析歸納能力十分低下，所以提高學(xué)生分析歸納實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力顯得尤為重要.筆者試著用科學(xué)方法對學(xué)生進(jìn)行適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，讓學(xué)生自己分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，歸納得出實(shí)驗(yàn)規(guī)律，有效化解“分析與論證”教學(xué)難題.

1?運(yùn)用比較法，得出物理量之間定性關(guān)系

比較法是一種自然科學(xué)或社會科學(xué)的研究方法.是通過觀察，分析，找出研究對象的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)，它是認(rèn)識事物的一種基本方法.科學(xué)探究中分析與論證環(huán)節(jié)經(jīng)常運(yùn)用比較法得出物理量間的定性關(guān)系，且以兩個具體實(shí)例來說明比較法在分析與論證中的運(yùn)用.

案例1實(shí)驗(yàn)：探究重力的大小與質(zhì)量的關(guān)系

在人教版初中物理八年級上冊第一章第3節(jié)“重力”教學(xué)中，首先用實(shí)驗(yàn)收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（見表1）.然后在教師引導(dǎo)下，學(xué)生通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用比較法，得出重力大小與質(zhì)量的定性關(guān)系.

師：請同學(xué)們根據(jù)箭頭的方向，觀察同一物理量大小變化關(guān)系，哪位同學(xué)說說變化規(guī)律？

生1：物體質(zhì)量從左向右依次變大.

生2：物體重力從左向右也依次變大.

師：同學(xué)們觀察很仔細(xì)，你們找出了同一物理量數(shù)據(jù)變化規(guī)律，能不能分析出重力大小與質(zhì)量之間的變化規(guī)律.

生3：物體的質(zhì)量越大，重力越大.

生4：我覺得重力跟它的質(zhì)量成正比.

案例2實(shí)驗(yàn)：探究電流與電阻的關(guān)系

在人教版初中物理九年級全一冊第十七章第1節(jié)“電流與電壓和電阻的關(guān)系”教學(xué)中，首先用實(shí)驗(yàn)收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（見表2）.然后在教師引導(dǎo)下，讓學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用比較法，得出電流大小與電阻之間的定性關(guān)系.

師：請同學(xué)們根據(jù)箭頭的方向，觀察同一物理量大小變化關(guān)系，哪位同學(xué)說說變化規(guī)律？

生1：導(dǎo)體的電阻從上向下依次變大.

生2：通過導(dǎo)體的電流從上向下依次變小.

師：同學(xué)們觀察很仔細(xì)，你們找出了同一物理量數(shù)據(jù)變化規(guī)律，能不能分析出電流與電阻之間的變化規(guī)律.

生3：導(dǎo)體的電阻越大，通過導(dǎo)體的電流越小.

生4：我覺得通過導(dǎo)體的電流跟它的電阻成反比.

【評析】 在案例1和案例2中，教師要引導(dǎo)學(xué)生先觀察同一物理量本身數(shù)量變化關(guān)系（橫向比較），再觀察不同物理量之間數(shù)量變化關(guān)系（縱向判斷），并結(jié)合已有的知識和經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行因果推理，歸納得出兩個物理量之間數(shù)量的定性關(guān)系，有效完成了分析與論證環(huán)節(jié)教學(xué)任務(wù).運(yùn)用橫縱向比較法歸納物理量之間的關(guān)系，只有當(dāng)數(shù)據(jù)成倍變化時，學(xué)生才明顯觀察出來物理量間的數(shù)學(xué)關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)論才容易得出.由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的特殊性，使得出的結(jié)論不具有普遍性，所以利用比較法進(jìn)行分析與論證，得出的結(jié)論不足以令人信服.如案例1，在探究重力與質(zhì)量大小關(guān)系時，學(xué)生通過比較發(fā)現(xiàn)，當(dāng)質(zhì)量變大時，重力也變大，由此得出重力與質(zhì)量成正比;又如案例2，在探究電流與電阻關(guān)系時，學(xué)生通過比較發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電壓一定時，電阻越大，電流越小，由此，得出電流與電阻成反比結(jié)論，都是經(jīng)不起邏輯推理的.

2?運(yùn)用數(shù)學(xué)定義法，得出物理量之間的定量關(guān)系

數(shù)學(xué)不僅是解決物理問題的工具，同時也是物理學(xué)的一種重要方法.它包括圖像法和數(shù)學(xué)定義法.數(shù)學(xué)定義法有比值定義法和乘積定義法，通過兩個具體實(shí)例說明比值定義法和乘積定義法在分析與論證中的作用.

案例3?比值定義法論證重力的大小與質(zhì)量的關(guān)系

師：請同學(xué)們回憶數(shù)學(xué)中的正比知識.根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，分析比較發(fā)現(xiàn)：物體的質(zhì)量越大，重力越大.我們能不能就得出重力跟它的質(zhì)量成正比呢？

生1：能，因?yàn)楫?dāng)一個變量變大時，另一個變量也變大，兩者之間有可能成正比.

生2：不能，因?yàn)閿?shù)學(xué)中成正比有嚴(yán)格的定義，只有當(dāng)兩個變量的比值一定時，兩個變量才成正比.

師：前面兩位同學(xué)都有道理，下面應(yīng)該怎么驗(yàn)證兩個變量之間是否成正比呢？

生3：猜想兩個變量成正比，比較兩個變量每次的比值是否相同.如果相同，說明成正比;如果不相同，說明兩者之間不成正比.

師：嗯，我認(rèn)為這種方法可行，我們應(yīng)該怎么驗(yàn)算？

生4：分別算出重力與質(zhì)量的比值，再比較每次比值是否相同，根據(jù)結(jié)果判斷重力與質(zhì)量是否成正比.

師：請同學(xué)們小組合作，每位同學(xué)算一次比值，小組內(nèi)討論﹑交流，得出結(jié)論.

組1：我們共計(jì)算了5次，每次重力與質(zhì)量的比值都等于10，我組得出的結(jié)論是重力與質(zhì)量成正比.

組2：我組的過程與組1一樣，說明了我們猜想是正確的，即物體所受的重力跟它的質(zhì)量成正比.

案例4?乘積定義法論證電流與電阻的關(guān)系

師：請同學(xué)們回憶數(shù)學(xué)中的反比知識.根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，分析比較發(fā)現(xiàn)：導(dǎo)體電阻越大，通過導(dǎo)體的電流越小.我們能不能就得出電流與電阻成反比呢？

生1：能，因?yàn)楫?dāng)一個變量變大時，另一個變量反而變小，兩者之間有可能成反比.

生2：不能，因?yàn)閿?shù)學(xué)中成反比有嚴(yán)格的定義，只有當(dāng)兩個變量的乘積一定時，兩個變量才成反比.

師：前面兩位同學(xué)說的都有道理，下面應(yīng)該怎么驗(yàn)證兩個變量之間是否成反比呢？

生3：猜想兩個變量成反比，比較兩個變量每次的乘積是否相同.如果相同，說明成反比;如果不相同，說明兩者之間不成反比.

師：嗯，我認(rèn)為這種方法可行，我們應(yīng)該怎么驗(yàn)算？

生4：分別算出電流與電阻的乘積，再比較每次乘積是否相同，根據(jù)結(jié)果判斷電流與電阻是否成反比.

師：請同學(xué)們小組合作，每位同學(xué)算一次乘積，小組內(nèi)討論﹑交流，得出結(jié)論.

組1：我們共計(jì)算了4次，每次電流與電阻的乘積都等于5，我組得出的結(jié)論是電流與電阻成反比.

組2：我組的過程與組1一樣，說明了我們猜想是正確的，即通過導(dǎo)體的電流與導(dǎo)體電阻成反比.

【評析】 在案例3和案例4中，先通過比較法尋找變量之間的大致關(guān)系，根據(jù)數(shù)學(xué)知識，猜想兩個物理量是正比關(guān)系或反比關(guān)系.再根據(jù)數(shù)學(xué)中正比或反比概念的定義，驗(yàn)證自己的猜想是否正確，這其實(shí)就是反證法.這種用數(shù)學(xué)概念定義分析得出的結(jié)論令人信服，并且將定性的結(jié)論變成定量的結(jié)論，使學(xué)生認(rèn)識到物理量的實(shí)質(zhì)，同時培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度.它的缺點(diǎn)也是顯而易見，計(jì)算的工作量大，必需分工合作完成，否則會浪費(fèi)大量的課堂時間.

3?運(yùn)用圖像法，直觀得出物理規(guī)律

圖像法是畫出直角坐標(biāo)系，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況，設(shè)定橫坐標(biāo)﹑縱坐標(biāo)表示的物理量，把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變成坐標(biāo)系中的點(diǎn)，然后將各個點(diǎn)連成線，與數(shù)學(xué)函數(shù)圖像進(jìn)行比較，表達(dá)各種物理量之間的規(guī)律，這種方法叫圖像法.初中物理中常見的圖像有正比例圖像和反比例圖像，下面以兩個具體實(shí)例說明它們在分析和論證中的運(yùn)用.

案例5?正比例圖像分析重力的大小與質(zhì)量的關(guān)系

師：我們在處理表1中的數(shù)據(jù)時，除了比較法和數(shù)學(xué)定義法外，還可以用圖像法來分析數(shù)據(jù)，請同學(xué)們回憶下如何將數(shù)據(jù)變換成圖像？

生1：先畫直角坐標(biāo)系，再將兩個變量的數(shù)據(jù)變成橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，然后描點(diǎn)，最后連線.

師：能不能針對表1中的數(shù)據(jù)，再說具體的方法.

生2：我們將重力當(dāng)作縱坐標(biāo)，質(zhì)量看成橫坐標(biāo)，即G—m圖像.在直角坐標(biāo)系描出五個點(diǎn)（0.05，0.5）、（0.1，1）、（0.15，1.5）、（0.2，2）、（0.25，2.5）將五個點(diǎn)連成線.

師：把點(diǎn)連成線后，還應(yīng)怎么做才能觀察出是成正比呢？

生3：觀察連成線是否是直線，根據(jù)具體情況進(jìn)行判斷.如果是直線，且直線經(jīng)過坐標(biāo)原點(diǎn)，說明兩個量是正比關(guān)系;如果直線不經(jīng)過坐標(biāo)原點(diǎn)，說明不是正比關(guān)系.如果連成線不是直線，也說明不是正比關(guān)系.

師：看來你的數(shù)學(xué)知識很牢固，請大家依照他的方法做一下.完成任務(wù)后在黑板進(jìn)行展示，發(fā)言.

生4：我將五個點(diǎn)連成線后發(fā)現(xiàn)是條直線，且該直線經(jīng)過坐標(biāo)原點(diǎn)，說明重力跟它的質(zhì)量成正比.

案例6?反比例圖像分析電流與電阻的關(guān)系

師：我們在處理表2中的數(shù)據(jù)時，除了比較法和數(shù)學(xué)定義法外，還可以用圖像法來分析數(shù)據(jù)，請同學(xué)們回憶下如何將數(shù)據(jù)變換成圖像？

生1：先畫直角坐標(biāo)系，再將兩個變量的數(shù)據(jù)變成橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，然后描點(diǎn)，最后連線.

師：能不能針對表2中的數(shù)據(jù)，再說具體方法.

生2：我們將電流當(dāng)作縱坐標(biāo)，電阻看成橫坐標(biāo)，即I—R圖像.在直角坐標(biāo)系描出四個點(diǎn)（5、1）、（10、0.5）、（20、0.25）、（25、0.2），將四個點(diǎn)連成線.

師：把點(diǎn)連成線后，還應(yīng)怎么做才能觀察出是成反比呢？

生3：觀察連成線是否是雙曲線，根據(jù)具體情況進(jìn)行判斷.如果是直線，且直線經(jīng)過坐標(biāo)原點(diǎn)，說明兩個量不是反比關(guān)系;如果曲線，且像雙曲線，說明是反比關(guān)系;如果不像雙曲線，就不能確定是反比關(guān)系，當(dāng)然也有可能是反比關(guān)系

師：看來你的數(shù)學(xué)知識很牢固，請大家依照他的方法做一下.完成任務(wù)后在黑板進(jìn)行展示，發(fā)言.

生4：我將四個點(diǎn)連成線后發(fā)現(xiàn)是條雙曲線，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，電流與電阻成反比.

師：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷是不可靠的，我們可將I—R圖像換成I— 1R圖像，如果I— 1R圖像是一條過坐標(biāo)原點(diǎn)的直線，說明I與1R成正比，能否說明I與R成反比呢？

（學(xué)生小組討論﹑交流后發(fā)言）

組1：能證明，I與1R成正比，說明I與1R的比值是一個定值，我們將分式進(jìn)行化簡，I與R的乘積就是一個定值，I與R成反比.

師：找點(diǎn)的坐標(biāo)時，具體應(yīng)該怎么操作才能做出I— 1R圖像呢？

組2：將橫坐標(biāo)R的值換成1R，縱坐標(biāo)不變.四個點(diǎn)的坐標(biāo)分別變成了（15、1）、（110、0.5）、（120、0.25）、（125、0.2），將四個點(diǎn)連成線后，發(fā)現(xiàn)是一條過坐標(biāo)原點(diǎn)的直線，說明I與1R成正比，也驗(yàn)證了電流與電阻成反比.

【評析】 在案例5和案例6中，師生采用圖像的方法來處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將抽象的變量關(guān)系直觀形象化，動態(tài)變化過程清晰.如案例5，當(dāng)圖像是一條過坐標(biāo)原點(diǎn)的直線時，兩個物理量具有正比關(guān)系變得一目了然，這樣就將復(fù)雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算進(jìn)行簡化，節(jié)約了寶貴的課堂時間.再如案例6，當(dāng)圖像是一條曲線時，兩個物理量之間的關(guān)系就很難確定，此時，教師就要引導(dǎo)學(xué)生化曲為直.將非線性圖像轉(zhuǎn)化為線性圖像，用線性圖像研究物理量間的關(guān)系是處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)常用的

手段[3].學(xué)生體驗(yàn)借助圖像處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的過程，掌握用圖像處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基本方法，使學(xué)生認(rèn)識數(shù)學(xué)工具在物理研究中的作用，注重了《課標(biāo)》倡導(dǎo)“過程與方法”與知識并重的理念.不僅培養(yǎng)了學(xué)生分析和解決問題的能力，而且培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，提升了學(xué)生的思維品質(zhì).

以上僅僅列舉了在分析與論證中分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最常用的三種科學(xué)方法，實(shí)際教學(xué)中還經(jīng)常用到推理法、歸納法和演繹法等方法分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，建立物理概念、學(xué)習(xí)物理規(guī)律的過程.可見，分析與論證不僅有助于學(xué)生將實(shí)驗(yàn)證據(jù)、已有的科學(xué)知識和他們所提出的解釋這三者之間更緊密地聯(lián)系起來，而且由于這樣的過程是在學(xué)生自主質(zhì)疑、推理和批判性思維活動中完成的，打破了對知識的盲目迷信，增強(qiáng)了對自己學(xué)習(xí)的控制.學(xué)習(xí)者在有效建構(gòu)新知識的同時，將獲得新的觀點(diǎn)、新的思維方法和對深層次思維結(jié)構(gòu)的重組[1].

參考文獻(xiàn)：

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[2]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2012.

[3] 朱柏樹.追蹤“異?！睌?shù)據(jù) 發(fā)展探究能力——賞析一節(jié)省級示范課實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與處理[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2015，44（19）：32-35.