例談科學(xué)探究“三要素”的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

摘要：教學(xué)中教師應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，本文主要講述筆者怎樣以一個(gè)典型案例引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究中“三要素”的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：猜想與假設(shè)；制定計(jì)劃與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；分析與論證

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148(2012)3(S)-0009-2

《全日制義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn)稿)》提出：“將科學(xué)探究列人內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)，旨在將學(xué)習(xí)重心從過分強(qiáng)調(diào)知識(shí)的傳承和積累向知識(shí)的探究過程轉(zhuǎn)化，從學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)向主動(dòng)獲取知識(shí)轉(zhuǎn)化，從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和敢于創(chuàng)新的探索精神?！崩碚摵蛯?shí)踐證明，在科學(xué)探究的七個(gè)要素中，“猜想與假設(shè)”、“制定計(jì)劃與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”及“分析與論證”在培養(yǎng)學(xué)生思維能力、探究能力和創(chuàng)新能力方面作用突出。本文以八年級(jí)物理教材中的一個(gè)典型案例——“探究影響物體所受重力大小的因素”為例，對(duì)“猜想與假設(shè)”、“制定計(jì)劃與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”和“分析與論證”三個(gè)要素進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以達(dá)到最佳的教學(xué)目標(biāo)和最優(yōu)的教學(xué)效果。

1 案例原型簡介

在《物理》(8年級(jí)下冊(cè))的“重力”中，有一個(gè)探究活動(dòng)，即“探究影響物體所受重力大小的因素”。教材把這個(gè)活動(dòng)分為“探究物體所受重力的大小與物體形狀的關(guān)系”和“探究物體所受重力的大小與物體質(zhì)量的關(guān)系”兩部分。在第一部分中，先讓學(xué)生猜測(cè)物體所受重力的大小是否可能與物體的形狀有關(guān)，然后安排學(xué)生用彈簧測(cè)力計(jì)分別測(cè)量變形前后橡皮泥的重力，最后分析歸納得出結(jié)論。在第二部分中，先讓學(xué)生猜測(cè)物體的重力大小與質(zhì)量大小的關(guān)系，然后把設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)記錄表格及表格中要記錄的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理項(xiàng)目等都規(guī)定并填寫好，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)，最后分析總結(jié)出結(jié)論。

2 案例創(chuàng)新設(shè)計(jì)

教材安排的這個(gè)實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，基本上體現(xiàn)了課程標(biāo)準(zhǔn)的理念和要求。但是，根據(jù)學(xué)生已有的知識(shí)基礎(chǔ)和生活經(jīng)驗(yàn)，這個(gè)探究活動(dòng)中“猜想與假設(shè)”、“制定計(jì)劃與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”和“分析與論證”的內(nèi)容完全可以進(jìn)一步拓寬，探究深度也完全可以再進(jìn)一步延伸，從而全面、深度達(dá)到這三個(gè)要素的探究目的，突出培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和創(chuàng)新能力。

2.1“猜想與假設(shè)”

“猜想與假設(shè)”是科學(xué)探究過程中根據(jù)一定的事實(shí)材料和理論知識(shí)，對(duì)研究對(duì)象的未知性質(zhì)及其原因或規(guī)律的某種推測(cè)性的說明?！安孪肱c假設(shè)”是科學(xué)發(fā)展的必由之路。牛頓說過“沒有大膽的猜想，就作不出偉大的發(fā)現(xiàn)?！薄安孪肱c假設(shè)”在整個(gè)探究活動(dòng)中起到引導(dǎo)作用，它既是探究活動(dòng)的主線，又是探究教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，也是學(xué)生思維活動(dòng)中最活躍的階段。能否形成正確、科學(xué)的猜想與假設(shè)不僅影響著探究活動(dòng)的效率，而且影響著探究活動(dòng)的質(zhì)量與結(jié)果。

在本活動(dòng)的“猜想與假設(shè)”階段，可以啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生。通過討論和思考，根據(jù)自己已有的知識(shí)儲(chǔ)備和生活經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行大膽的猜想。這既可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又可活躍學(xué)習(xí)氣氛。在一次實(shí)際教學(xué)活動(dòng)中，學(xué)生的思維很活躍，他們猜想的情況是這樣的：物體的重力大小可能跟物體的“質(zhì)量”、“體積”、“密度”、“形狀”、“材料”、“位置”、“溫度”、“顏色”等因素有關(guān)。

(1)引導(dǎo)學(xué)生分析猜想

學(xué)生提出的多種猜想，有的具有科學(xué)依據(jù)，有的則是隨意的。無論是有道理的猜想，還是隨意的猜想，幫助和引導(dǎo)學(xué)生分析這些猜想是否符合提出的問題至關(guān)重要。合理的猜想，能使下一步的探究活動(dòng)順利進(jìn)行；猜想有誤，將很難進(jìn)行探究的其他過程。為此，應(yīng)該對(duì)學(xué)生提出的猜想先分析歸類，后篩選排除。

根據(jù)學(xué)生已有的基礎(chǔ)知識(shí)和生活體驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生可以分析出：“材料”的不同，物質(zhì)的“密度”就不同。所以這兩個(gè)因素研究一個(gè)就可以了；學(xué)生覺得物體的重力(如體重大小)可能與“質(zhì)量”的大小有關(guān)，而且質(zhì)量大的重力大，質(zhì)量小的重力小。一個(gè)確定的物體，其材料的組成即其密度和體積是確定的。這樣，研究物體的重力，考慮質(zhì)量就無需再考慮密度和體積。在學(xué)習(xí)物體質(zhì)量概念時(shí)已經(jīng)知道，物體的質(zhì)量與其“形狀”、“溫度”和“顏色”是沒有關(guān)系的。因此，物體的重力可能與這三個(gè)因素?zé)o關(guān)。至于物體的重力與其所在的“位置”，由于實(shí)驗(yàn)中稱量物體的重力時(shí)。位置不變或位置的變化與地球上不同區(qū)域相比太小，可以暫不考慮。

(2)合理確定探究因素

由上述分析，可以確定探究活動(dòng)中要研究的因素，即物體的“重力”可能與物體的“質(zhì)量”和物體所在的“位置”有關(guān)，可能與物體的其它因素?zé)o關(guān)。再通過生活體驗(yàn)和相關(guān)實(shí)驗(yàn)，先驗(yàn)證幾個(gè)可能無關(guān)的因素，再驗(yàn)證可能有關(guān)的因素。

2.2“制定計(jì)劃與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”

“制定計(jì)劃與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”是科學(xué)探究過程中的另一重要環(huán)節(jié)，它要求探究者從操作的角度把猜想與假設(shè)具體化、程序化，為科學(xué)探究的具體實(shí)施作出規(guī)劃。在這個(gè)環(huán)節(jié)中，學(xué)生相互交流和比較，尋找計(jì)劃中存在的錯(cuò)誤、疏漏與不當(dāng)之處，從而修改并優(yōu)化計(jì)劃和實(shí)驗(yàn)方案。養(yǎng)成預(yù)見、分析的習(xí)慣，提高對(duì)計(jì)劃與決策重要性的認(rèn)識(shí)?！爸贫ㄓ?jì)劃與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”易于書面表達(dá)，具有可測(cè)性強(qiáng)、評(píng)價(jià)簡便的特點(diǎn)，是探究實(shí)驗(yàn)考試或檢測(cè)的熱點(diǎn)，深化和加強(qiáng)這個(gè)環(huán)節(jié)的教學(xué)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生研究物理及其相關(guān)問題的意識(shí)和能力、增強(qiáng)綜合決策的意識(shí)和能力大有裨益。

在探究活動(dòng)的這個(gè)環(huán)節(jié)中。引導(dǎo)學(xué)生嘗試考慮影響問題的主要因素，建立控制變量的初步意識(shí)。在研究重力的大小可能與位置有關(guān)這個(gè)因素時(shí)，向?qū)W生提出：在同一教室內(nèi)的不同地方與地球上不同地區(qū)相比，位置的變化太小，可以不考慮。從而控制位置這個(gè)變量，專門研究重力與質(zhì)量的關(guān)系。

如何列表才可以把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄下來?一般情況下，記錄表格中應(yīng)該有實(shí)驗(yàn)次數(shù)序號(hào)、測(cè)量的物理量和數(shù)據(jù)處理這樣幾列，實(shí)驗(yàn)次數(shù)至少三次。這樣學(xué)生就不難設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格。確定記錄表格中的記錄項(xiàng)目時(shí)，若把“重力／質(zhì)量”事先填寫為時(shí)過早，應(yīng)該把它放在“分析與論證”過程中，通過分析后確定并填寫才為妥當(dāng)。

2.3 “分析與論證”

“分析與論證”是指探究過程中，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(shí)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，形成超越原有知識(shí)和當(dāng)前觀察結(jié)果的新的理解。學(xué)生在有效建構(gòu)新知識(shí)的同時(shí)，將獲得新的觀點(diǎn)、新的思維方法和對(duì)深層次思維結(jié)構(gòu)的重組。

在這個(gè)探究活動(dòng)中，分析與論證和歸納科學(xué)規(guī)律，就是要尋找數(shù)據(jù)之間相互關(guān)系的特征。從實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)中可以看到：物體的質(zhì)量越大重力越大，質(zhì)量越小重力越小，那么物體的重力與質(zhì)量之間可能存在著正比關(guān)系。在初中物理中，所探究的物理量之間的數(shù)量特征通常表現(xiàn)為相等、之和、之差、乘積、比值等數(shù)學(xué)關(guān)系。這樣，若物體的重力與質(zhì)量之間成正比關(guān)系，則這種關(guān)系關(guān)系可以用比值來驗(yàn)證。所以，在數(shù)據(jù)處理上，表格的最后一列可以表示為“重力／質(zhì)量”。

引導(dǎo)學(xué)生觀察“重力，質(zhì)量”列的數(shù)量關(guān)系時(shí)，應(yīng)該先敘述出這一列數(shù)據(jù)有什么特點(diǎn)，然后得到重力與質(zhì)量成正比的結(jié)論。在給出公式G=mg后，說明“g通常取9.8N／kg”時(shí)，可以進(jìn)一步解釋“通?！钡暮x。g這個(gè)量與物體在地球的不同位置確實(shí)有關(guān)，但一般情況下，由于所研究的范圍較小，這個(gè)物理量變化不大，這樣也就呼應(yīng)了前面學(xué)生提出的“重力可能跟物體所在的位置有關(guān)”的猜想。

因此，在“分析與論證”過程中，通過對(duì)數(shù)據(jù)的比較發(fā)現(xiàn)特征并歸納出結(jié)論時(shí)，要關(guān)注物理?xiàng)l件改變與物理現(xiàn)象變化之間的聯(lián)系，嘗試用不同的方式分析和解讀數(shù)據(jù)?？紤]對(duì)同一現(xiàn)象做出不同的解釋，并通過眾多學(xué)生不同思想的撞擊、溝通和補(bǔ)充，重審調(diào)整自己的解釋，從而完成對(duì)事物的認(rèn)識(shí)。這也是“分析與論證”環(huán)節(jié)的最終學(xué)習(xí)目的。

(欄目編輯 趙保鋼)