物理科学探究能力之“分析与论证”能力的培养

安立艳

初中物理课程内容由科学探究和科学内容两部分组成。科学探究是科学知识生成、验证和发展的过程，面对的是开放性的问题，需要探究者的科学知识、研究方法和技能、直觉和想象力、创造性以及个性品质的介入。将科学探究纳入课程内容，旨在让学生经历与科学工作者相似的探究过程，主动获取物理知识，领悟科学探究方法，发展科学探究能力，体验科学探究乐趣，养成科学精神。科学探究作为一种研究能力，在初中阶段应作为一种显性的技能传授给学生。

物理学科核心素养中的“科学探究”包括提出科学问题、形成猜想和假设、设计实验与制订方案、进行实验和收集数据、分析与论证、进行评估、交流合作这七个要素。各要素间的关系是交互在一起的（见图1）。例如，设计实验既是对已经提出的问题、猜想假设的初步的检验，又是对进行实验和收集数据的具体指导；交流合作几乎穿插在实验探究的各个要素之间。“分析与论证”是发展学生审辨式思维能力的好载体，本文简要谈谈如何基于学生研究和知识分析培养学生的“分析与论证”能力。

一、传统实验探究之“分析与论证”要素教学的困惑与困难

从课堂教学来看：教师急于迅速让学生动手探究，使得问题的提出和方案设计略显不足；教师心中有结论，偶尔有急于求成的想法，想在有限的课堂教学时间内得到正确的结论；可能没有深入了解学生在实际操作中遇到的困难或新发现。从数据处理的技术上来看，教师对数据分析、证据分析的研究还比较肤浅，数据的研究还浮于表面的浅层分析。

从学生反馈来看：部分学生动手探究前对实验的探究目的和方法不明确；部分学生做过预习，并且了解结论，看到不符合规律的数据就想篡改数据，无法做到实事求是。

从知识积累来看：学科间的知识支撑还有不足，初二的学生数据分析能力还较弱，正比例函数、一次函数、反比例函数还未进行学习。

从阶段性测试来看：学生对结论总是记不住，死记硬背了也容易忘记。

二、科学探究之“分析与论证”要素研究

初中物理课标中对“分析与论证”要素的描述如下：①经历从物理现象和试验中归纳科学规律的过程。②能对收集的信息进行简单归类及比较。③能进行简单的因果推理。④尝试对探究结果进行描述和解释。⑤了解该要素在科学探究中的

意义。

“分析与论证”就是对探究的数据进行描述、对探究的现象进行归纳总结，从而将实验结论升华为物理概念和规律。物理学基于观察与实验、建构理想模型、应用数学等工具，通过科学推理和论证，形成系统的理论体系和研究方法。对“分析与论证”要素的内涵与外延理解如下。

一是对证据进行整理和分析处理的必要性。在分析论证环节，利用数学工具、表格和图像可以帮助分析数据，揭示隐含在数据背后的整体格局和发展趋势。

二是大数据分析方法的多样性。分析过程中可能需要用到观察、分类、排序、比较、因果关系、推理、预测、建模、解释、应用等技能和工具。

三是分析论证需要审辨式思维。对于数据的研究应该是学生主动思考、懷着质疑、寻找规律的过程，不断发现的过程。分析过程中，可能还会联想到特例，可能会有新发现等。

四是如何确保证据真实可靠。聚焦非规律性数据，如何追踪它的来源，如何辨别证据的来源是否可靠？分析数据时，需要对数据的准确性和精确度做出描述和检验，尽可能减小误差。非规律数据的产生源自学生实验操作不规范。对于特殊数据，应当充分讨论，尝试还原情境，找到问题所在，在去伪存真的基础上，做到“改伪存真”。

五是事实和观点如何联系。观点需要证据来支持，能证明观点的事实就是证据。通常需要重复实验和生活应用实例来得出或帮助理解最后的结论。

教师只有切实把握了“分析与论证”的内涵，才能真正培养学生实事求是的科学态度，不断引导、鼓励学生科学推理、敢于质疑，帮助学生不断完善科学思维。

三、“分析与论证”要素的教学探索

笔者以“凸透镜成像规律”一课为例说明。

1. 突出数据的广泛性、普遍性，利用数学工具排序，发现并总结规律

设计1：在使用表格记录数据的传统方式同时，使用薄膜贴点辅助记录现象，凸显数据分界点。

教师给学生准备A4纸大小的坐标纸和透明薄膜，坐标纸的纵坐标标记为物距，将薄膜放在坐标纸上。学生将实验现象用贴点法记录在透明薄膜上， 红点表示凸透镜成的倒立缩小的像，绿点表示倒立放大的像，蓝点表示正立放大的像。教师收集全班同学的贴点薄膜，并叠加在一起展示结果。学生们清晰地发现凸透镜所成的三类像都在特定的区域内，进一步得出结论：一倍焦距是凸透镜成正立或倒立的像、实像或虚像的物距分界点，二倍焦距处是凸透镜成放大或缩小的实像的分界点。向学生渗透生活中的照相机、幻灯机、放大镜灯光具使用时的物距分别对应了红绿蓝三色点的区域。

设计2：大数据排序，寻找凸透镜成像的变化规律，提高思维深度。

用Excel汇总学生实验数据（含物距、像的特点、像距、像高等项目），按照物距从大到小的顺序排列，使数据的变化更有规律，学生在观察过程中首先将数据按照成像特点或者一、二倍焦点处的特殊作用，将表格分成三部分。分段充分分析数据，使结论更加直观，同时更充分地挖掘数据的深层价值。

设计3：将数据按照成像特点分段，寻找动态变化规律。

将庞大的数据表格分区域处理，在凸透镜成三种像的特点下寻找变化规律，逐渐融入学生的思考，将直观的数据赋予生动的活力，同时也逐渐激发学生猜想照相机、幻灯机使用过程中的调焦调距等问题。

2. 对问题数据的质疑与再分析，提高学生思维的严谨性

（1）再次观察数据，发现新问题。组织学生观察数据，找出数据记录单里的问题数据，分析问题成因，讨论解决方案。对于表格中的非顺序性数据是怎么出现的，学生的猜想很多。有人认为是读数错误；有人认为是读数时光屏上的像不清晰；还有人认为是凸透镜型号不精准等。对这样的数据怎么处理呢？让学生思考。endprint

（2）还原实验情境，展示真实问题。学生按照表格数据组装器材，发现了真实问题：此时光屏上显示的并不是清晰的像，学生的实验操作存在问题。调整光屏位置再次承接清晰的像，并对数据进行修正。

（3）修改问题数据，结论更具普遍性。将实验得出的正确数据填入表格，修正原错误数据，此时学生发现表中数据完全符合动态规律。此时，对问题数据的处理过程体现出科学精神。学生本着实事求是的科学态度能够发现问题数据并提出质疑，合理猜想错误数据成因，对非规律性数据追踪来源，重现实验研究，以确保数据真实可靠，初步形成了审辨式思维。

3. 动手体验，寻找凸透镜成像的变化规律的事实证据，提高思维灵活度

设置学生活动1：利用自制相机分别拍摄远景和近景。使用自制相机先给远处的物体找远景，调节镜筒，使光屏（薄膜）上成的像清晰；再给近处物体照相，调节镜筒，使光屏（薄膜）上成的像清晰，感受物距、相距、像的大小的变化情况。学生发现： 手持自制相机靠近物体使物距减小时，镜头前伸（或者光屏后移）使相距增大，才能使光屏上成的像再次清晰，而且像逐漸变大。操作过程与实验数据所得结论吻合，对数据进行了清晰有利的事实证明。

设置学生活动2：研究使用投影手电筒。通过调节胶片到镜头的距离改变物距，调节手电筒到光屏的距离改变物距，感受凸透镜成像的变化规律。学生发现：调整胶片与镜头的间隙以减小物距后，应手持投影手电筒远离承接像的屏幕使像距增大，才能使像再次清晰，而且像逐渐变大。在投影手电筒所成的像变大的过程中，物距在变小，像距在变大。体验与数据分析结果吻合。

设置学生活动3：练习使用放大镜，探索如何才能看到更大更清晰的指纹。学生们逐渐增大放大镜到指纹的距离（但距离始终小于凸透镜的焦距）时发现，指纹的虚像逐渐变大。结合电脑动画帮助学生理解凸透镜成虚像的变化规律。

使用自制相机、投影手电筒，练习使用放大镜等体验过程既是对已得结论的检验，又成为了结论的新证据。

上述“凸透镜成像规律”的教学设计中，运用实验数据、事实描述等方法收集了学生的大量实验数据，再利用数学思维工具，展示清晰的数据，提升学生的数据分析能力；对非规律性数据追踪来源的教学实践，重现实验研究以确保数据真实可靠，处理过程体现科学精神，帮助学生初步形成了审辨式思维。

真正的科学探究不是按部就班的机械性实验，不是已知结论驱动下的、无思想的简单的技能重复，而是让学生通过实验模拟科学家的研究过程，重走科学家敢于质疑、敢于研究、敢于创新、敢于发现的过程，体验求真务实、不畏艰辛的科学精神。如果将“知识”直接给学生，学生还不能发自内心地理解“知识”时，这些“知识”只是表象化的信息，当他们理解了、领悟了的时候，才内化为真正的知识，进而转化为能力。真正的科学探究能够让学生体验发现问题和解决问题的真实的全过程，领悟科学的本质，理解真正的知识，实现深度学习。

（作者单位：北京市第十三中学分校；指导教师：北京教育学院周莹）

责任编辑：肖佳晓

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