借“科学方法”之风 扬“探究能力”之帆

吴立勇

摘 要：《义务教育物理课程标准（2011版）》中的“内容标准”由科学探究和科学内容组成，这实际上就规定了初中物理的主要思想方法和主要知识体系.科学探究由七大环节组成，物理概念和物理规律都是由“分析与论证”环节得出的，此环节成为发展学生探究能力的核心环节，无疑成为课堂教学的重点，也是学生学习物理的难点和困惑点.由此，教师要引导学生运用科学方法分析实验数据，提高学生分析问题和解决问题能力，培养归纳物理规律的能力.

关键词：分析与论证;科学方法;分析数据;发展能力

文章编号：1008-4134（2019）18-0046中图分类号：G633.7文献标识码：B

探究式教学中的“分析与论证”是指学习者在探究过程中，在获得实证的基础上将探究结果与自己原有的知识联系起来，运用分析、综合、归纳、演绎等科学研究方法，找到事件的因果关系或其他解释，形成超越学生原有知识和当前观察结果的新的理解[1].《义务教育物理课程标准（2011年版）》指出，在探究教学中不仅要注重探究的结果，而且要注重探究的过程，落实本标准中对学生科学探究能力提出的基本要求.科学探究的七大要素有：提出问题、猜想与假设、设计实验与制订计划、进行实验与收集证据、分析与论证、评估和交流与合作.科学探究对分析与论证的能力基本要求有：能初步描述实验数据或有关信息;能对收集的信息进行简单归类及比较;能进行简单的因果推理;经历从物理现象和实验中归纳科学规律的过程;尝试对探究结果进行描述和解释;认识分析论证在科学探究中是必不可少的[2].从能力要求中可以发现，在“分析与论证”环节要求学生具备较强的归纳能力，最终目的是能从物理现象和实验数据中分析归纳出科学规律.由于初中生对实验数据的分析归纳能力十分低下，所以提高学生分析归纳实验数据的能力显得尤为重要.笔者试着用科学方法对学生进行适当的引导，让学生自己分析实验数据，归纳得出实验规律，有效化解“分析与论证”教学难题.

1 运用比较法，得出物理量之间定性关系

比较法是一种自然科学或社会科学的研究方法.是通过观察，分析，找出研究对象的相同点和不同点，它是认识事物的一种基本方法.科学探究中分析与论证环节经常运用比较法得出物理量间的定性关系，且以两个具体实例来说明比较法在分析与论证中的运用.

案例1实验：探究重力的大小与质量的关系

在人教版初中物理八年级上册第一章第3节“重力”教学中，首先用实验收集实验数据（见表1）.然后在教师引导下，学生通过分析实验数据，运用比较法，得出重力大小与质量的定性关系.

师：请同学们根据箭头的方向，观察同一物理量大小变化关系，哪位同学说说变化规律？

生1：物体质量从左向右依次变大.

生2：物体重力从左向右也依次变大.

师：同学们观察很仔细，你们找出了同一物理量数据变化规律，能不能分析出重力大小与质量之间的变化规律.

生3：物体的质量越大，重力越大.

生4：我觉得重力跟它的质量成正比.

案例2实验：探究电流与电阻的关系

在人教版初中物理九年级全一册第十七章第1节“电流与电压和电阻的关系”教学中，首先用实验收集实验数据（见表2）.然后在教师引导下，让学生分析实验数据，运用比较法，得出电流大小与电阻之间的定性关系.

师：请同学们根据箭头的方向，观察同一物理量大小变化关系，哪位同学说说变化规律？

生1：导体的电阻从上向下依次变大.

生2：通过导体的电流从上向下依次变小.

师：同学们观察很仔细，你们找出了同一物理量数据变化规律，能不能分析出电流与电阻之间的变化规律.

生3：导体的电阻越大，通过导体的电流越小.

生4：我觉得通过导体的电流跟它的电阻成反比.

【评析】 在案例1和案例2中，教师要引导学生先观察同一物理量本身数量变化关系（横向比较），再观察不同物理量之间数量变化关系（纵向判断），并结合已有的知识和经验，进行因果推理，归纳得出两个物理量之间数量的定性关系，有效完成了分析与论证环节教学任务.运用横纵向比较法归纳物理量之间的关系，只有当数据成倍变化时，学生才明显观察出来物理量间的数学关系，实验结论才容易得出.由于实验数据的特殊性，使得出的结论不具有普遍性，所以利用比较法进行分析与论证，得出的结论不足以令人信服.如案例1，在探究重力与质量大小关系时，学生通过比较发现，当质量变大时，重力也变大，由此得出重力与质量成正比;又如案例2，在探究电流与电阻关系时，学生通过比较发现，当电压一定时，电阻越大，电流越小，由此，得出电流与电阻成反比结论，都是经不起逻辑推理的.

2 运用数学定义法，得出物理量之间的定量关系

数学不仅是解决物理问题的工具，同时也是物理学的一种重要方法.它包括图像法和数学定义法.数学定义法有比值定义法和乘积定义法，通过两个具体实例说明比值定义法和乘积定义法在分析与论证中的作用.

案例3 比值定义法论证重力的大小与质量的关系

师：请同学们回忆数学中的正比知识.根据表1中的数据，分析比较发现：物体的质量越大，重力越大.我们能不能就得出重力跟它的质量成正比呢？

生1：能，因为当一个变量变大时，另一个变量也变大，两者之间有可能成正比.

生2：不能，因为数学中成正比有严格的定义，只有当两个变量的比值一定时，两个变量才成正比.

师：前面两位同学都有道理，下面应该怎么验证两个变量之间是否成正比呢？

生3：猜想兩个变量成正比，比较两个变量每次的比值是否相同.如果相同，说明成正比;如果不相同，说明两者之间不成正比.

师：嗯，我认为这种方法可行，我们应该怎么验算？

生4：分别算出重力与质量的比值，再比较每次比值是否相同，根据结果判断重力与质量是否成正比.

师：请同学们小组合作，每位同学算一次比值，小组内讨论﹑交流，得出结论.

组1：我们共计算了5次，每次重力与质量的比值都等于10，我组得出的结论是重力与质量成正比.

组2：我组的过程与组1一样，说明了我们猜想是正确的，即物体所受的重力跟它的质量成正比.

案例4 乘积定义法论证电流与电阻的关系

师：请同学们回忆数学中的反比知识.根据表2中的数据，分析比较发现：导体电阻越大，通过导体的电流越小.我们能不能就得出电流与电阻成反比呢？

生1：能，因为当一个变量变大时，另一个变量反而变小，两者之间有可能成反比.

生2：不能，因为数学中成反比有严格的定义，只有当两个变量的乘积一定时，两个变量才成反比.

师：前面两位同学说的都有道理，下面应该怎么验证两个变量之间是否成反比呢？

生3：猜想两个变量成反比，比较两个变量每次的乘积是否相同.如果相同，说明成反比;如果不相同，说明两者之间不成反比.

师：嗯，我认为这种方法可行，我们应该怎么验算？

生4：分别算出电流与电阻的乘积，再比较每次乘积是否相同，根据结果判断电流与电阻是否成反比.

师：请同学们小组合作，每位同学算一次乘积，小组内讨论﹑交流，得出结论.

组1：我们共计算了4次，每次电流与电阻的乘积都等于5，我组得出的结论是电流与电阻成反比.

组2：我组的过程与组1一样，说明了我们猜想是正确的，即通过导体的电流与导体电阻成反比.

【评析】 在案例3和案例4中，先通过比较法寻找变量之间的大致关系，根据数学知识，猜想两个物理量是正比关系或反比关系.再根据数学中正比或反比概念的定义，验证自己的猜想是否正确，这其实就是反证法.这种用数学概念定义分析得出的结论令人信服，并且将定性的结论变成定量的结论，使学生认识到物理量的实质，同时培养学生严谨的科学态度.它的缺点也是显而易见，计算的工作量大，必需分工合作完成，否则会浪费大量的课堂时间.

3 运用图像法，直观得出物理规律

图像法是画出直角坐标系，根据实验数据的情况，设定横坐标﹑纵坐标表示的物理量，把实验数据变成坐标系中的点，然后将各个点连成线，与数学函数图像进行比较，表达各种物理量之間的规律，这种方法叫图像法.初中物理中常见的图像有正比例图像和反比例图像，下面以两个具体实例说明它们在分析和论证中的运用.

案例5 正比例图像分析重力的大小与质量的关系

师：我们在处理表1中的数据时，除了比较法和数学定义法外，还可以用图像法来分析数据，请同学们回忆下如何将数据变换成图像？

生1：先画直角坐标系，再将两个变量的数据变成横坐标和纵坐标，然后描点，最后连线.

师：能不能针对表1中的数据，再说具体的方法.

生2：我们将重力当作纵坐标，质量看成横坐标，即G—m图像.在直角坐标系描出五个点（0.05，0.5）、（0.1，1）、（0.15，1.5）、（0.2，2）、（0.25，2.5）将五个点连成线.

师：把点连成线后，还应怎么做才能观察出是成正比呢？

生3：观察连成线是否是直线，根据具体情况进行判断.如果是直线，且直线经过坐标原点，说明两个量是正比关系;如果直线不经过坐标原点，说明不是正比关系.如果连成线不是直线，也说明不是正比关系.

师：看来你的数学知识很牢固，请大家依照他的方法做一下.完成任务后在黑板进行展示，发言.

生4：我将五个点连成线后发现是条直线，且该直线经过坐标原点，说明重力跟它的质量成正比.

案例6 反比例图像分析电流与电阻的关系

师：我们在处理表2中的数据时，除了比较法和数学定义法外，还可以用图像法来分析数据，请同学们回忆下如何将数据变换成图像？

生1：先画直角坐标系，再将两个变量的数据变成横坐标和纵坐标，然后描点，最后连线.

师：能不能针对表2中的数据，再说具体方法.

生2：我们将电流当作纵坐标，电阻看成横坐标，即I—R图像.在直角坐标系描出四个点（5、1）、（10、0.5）、（20、0.25）、（25、0.2），将四个点连成线.

师：把点连成线后，还应怎么做才能观察出是成反比呢？

生3：观察连成线是否是双曲线，根据具体情况进行判断.如果是直线，且直线经过坐标原点，说明两个量不是反比关系;如果曲线，且像双曲线，说明是反比关系;如果不像双曲线，就不能确定是反比关系，当然也有可能是反比关系

师：看来你的数学知识很牢固，请大家依照他的方法做一下.完成任务后在黑板进行展示，发言.

生4：我将四个点连成线后发现是条双曲线，根据经验判断，电流与电阻成反比.

师：根据经验判断是不可靠的，我们可将I—R图像换成I— 1R图像，如果I— 1R图像是一条过坐标原点的直线，说明I与1R成正比，能否说明I与R成反比呢？

（学生小组讨论﹑交流后发言）

组1：能证明，I与1R成正比，说明I与1R的比值是一个定值，我们将分式进行化简，I与R的乘积就是一个定值，I与R成反比.

师：找点的坐标时，具体应该怎么操作才能做出I— 1R图像呢？

组2：将横坐标R的值换成1R，纵坐标不变.四个点的坐标分别变成了（15、1）、（110、0.5）、（120、0.25）、（125、0.2），将四个点连成线后，发现是一条过坐标原点的直线，说明I与1R成正比，也验证了电流与电阻成反比.

【评析】 在案例5和案例6中，师生采用图像的方法来处理实验数据，将抽象的变量关系直观形象化，动态变化过程清晰.如案例5，当图像是一条过坐标原点的直线时，两个物理量具有正比关系变得一目了然，这样就将复杂的数据运算进行简化，节约了宝贵的课堂时间.再如案例6，当图像是一条曲线时，两个物理量之间的关系就很难确定，此时，教师就要引导学生化曲为直.将非线性图像转化为线性图像，用线性图像研究物理量间的关系是处理实验数据常用的

手段[3].学生体验借助图像处理实验数据的过程，掌握用图像处理实验数据的基本方法，使学生认识数学工具在物理研究中的作用，注重了《课标》倡导“过程与方法”与知识并重的理念.不仅培养了学生分析和解决问题的能力，而且培养学生严谨、实事求是的科学态度，提升了学生的思维品质.

以上仅仅列举了在分析与论证中分析实验数据最常用的三种科学方法，实际教学中还经常用到推理法、归纳法和演绎法等方法分析实验现象，建立物理概念、学习物理规律的过程.可见，分析与论证不仅有助于学生将实验证据、已有的科学知识和他们所提出的解释这三者之间更紧密地联系起来，而且由于这样的过程是在学生自主质疑、推理和批判性思维活动中完成的，打破了对知识的盲目迷信，增强了对自己学习的控制.学习者在有效建构新知识的同时，将获得新的观点、新的思维方法和对深层次思维结构的重组[1].

参考文献：

[1]沈金林.关于探究式教学中“分析与论证”要素的若干解读[J].物理教师，2005（08）：1-3.

[2]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（实验）[M].北京：北京师范大学出版社，2012.

[3] 朱柏树.追踪“异常”数据 发展探究能力——赏析一节省级示范课实验数据的分析与处理[J].中学物理教学参考，2015，44（19）：32-35.