義務(wù)教育物理課程中控制變量思想的目的性分析

高彤彤　任新成

1 課標(biāo)要求

在義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）的課程性質(zhì)部分指出“義務(wù)教育物理課程應(yīng)綜合反映人類在探索物質(zhì)、相互作用和運動規(guī)律等過程中的成果。物理學(xué)不僅含有探索大自然的知識成果，而且含有探索者的科學(xué)思想、科學(xué)方法、科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神等”。由此可以看出物理學(xué)豐富的內(nèi)涵，涉及物理知識、物理方法、物理思想、物理態(tài)度和物理精神5個方面。在課程的具體實施中，一般以知識作為載體，以方法作為通道，以思想作為目標(biāo)，使學(xué)生由外而內(nèi)深刻地領(lǐng)悟知識，從而端正科學(xué)態(tài)度，繼而由內(nèi)而外地物化思想發(fā)揚科學(xué)精神，使整個學(xué)習(xí)思維過程融會貫通、淋漓盡致。

2 科學(xué)方法與科學(xué)思想

科學(xué)方法與科學(xué)思想在某種程度上無法分離，甚至共為一體。在義務(wù)教育物理課程中，尤其是實驗中展現(xiàn)了很多科學(xué)方法，并有相對應(yīng)的思想滲透其中。

2.1放大法

放大法，又可稱為累積法。例如，在要測量一條導(dǎo)線的直徑時，直接測量操作難度大，且誤差較大，故可采用放大法（累積法）進(jìn)行測量?？梢詫?dǎo)線緊密地纏繞在一個光滑的柱狀物體上，然后測量幾十匝或者幾百匝導(dǎo)線的長度，然后除以匝數(shù)可獲得導(dǎo)線直徑。這種方法其實是化零為整的思想，提供給學(xué)生一種思想方法：面對細(xì)小物體的測量問題應(yīng)該具有怎樣的思維方向和思維意識。

2.2類比法

因為中學(xué)生的經(jīng)驗知識在學(xué)習(xí)活動中是不可忽略的學(xué)習(xí)背景，對學(xué)生學(xué)習(xí)有很大的影響，因此，將學(xué)習(xí)過程與現(xiàn)實生活適當(dāng)?shù)仡惐?，可以減少學(xué)生的思維跨度，加強新知識的親切感和立體感。

比如，為了幫助學(xué)生理解電流和電壓，可以把電流、電壓與水流、水壓進(jìn)行類比，抽水機提供了水壓，水壓使水沿著一定的方向流動形成水流，水流通過渦輪使渦輪轉(zhuǎn)動消耗水能。類比法所滲透的思想是由此及彼的思想：讓學(xué)生學(xué)習(xí)到如何用自己了解的“此”去理解新知識的“彼”。

2.3控制度量法

縱觀義務(wù)教育物理課程中使用最多的科學(xué)方法應(yīng)該是控制變量法，其主要體現(xiàn)在兩個方面：一是實驗方法，二是物理量及其計算公式的引人。

2.3.1實驗方法

實驗中的控制變量法，即保持一個或多個量不變，使另一個或多個量改變，來探究這些量之間的關(guān)系。其實，在小學(xué)階段的科學(xué)課程中，就對控制變量這一思想有所滲透。在科教版5年級科學(xué)上冊第1節(jié)課就引入了這一“方法”。當(dāng)然，對于小學(xué)生并沒有正式給出方法的確切名稱，整個探究過程是在“對比”活動中進(jìn)行的。課本要求學(xué)生探究“水是否對種子的發(fā)芽有影響”。實驗設(shè)置了實驗組和對照組，整個實驗過程保證其他因素不變，只是給實驗組定期加適量水，對照組不加水，過一段時間，“對比”兩組實驗種子的發(fā)芽狀況，從而得出結(jié)論。對比實驗是小學(xué)階段科學(xué)課上較常用的一種實驗方法。要想科學(xué)地完成對比實驗，需要進(jìn)行控制變量。變量是指在實驗中可以發(fā)生變化的因素?？刂剖菍Ρ葘嶒灥撵`魂，實驗中變量控制的好壞決定著對比實驗的成敗。由此可見，控制變量的思想在小學(xué)階段就已經(jīng)進(jìn)入課堂，從某種意義上可以說，對比方法是控制變量方法的雛形。小學(xué)階段通過對比實驗對學(xué)生的探究意識進(jìn)行啟迪，并隨著學(xué)生身心的逐漸發(fā)展與完善，對這一方法會有更深刻的認(rèn)識和理解。因此，在初中物理課程中的很多物理實驗都是采用了控制變量法對問題進(jìn)行探究的。

比如，探究滑動摩擦力的影響因素，影響蒸發(fā)快慢的因素，動能的影響因素，電磁鐵磁性的強弱等，不同之處是有的實驗很明顯是運用控制變量法進(jìn)行實驗，而有的是將控制變量思想隱含其中。以北師大9年級物理在研究重力勢能時的影響因素為例，要求學(xué)生通過“觀察和思考”得出影響重力勢能的因素，教材內(nèi)容如圖1所示。

可以看出甲組實驗只改變鐵塊高度這一因素，保持鐵塊質(zhì)量相同、木質(zhì)小桌相同、沙子量相同等來研究高度與重力勢能的關(guān)系；乙組只改變鐵塊的質(zhì)量，保持高度相同、木質(zhì)小桌相同、沙子量相同來研究質(zhì)量與重力勢能的關(guān)系。不難看出，在這個“思考與觀察”的過程中，學(xué)生必須把握好不變因素與變量因素才能清晰地分析問題得出正確的結(jié)論。但是，教材中并沒有提出這是“控制變量方法”的運用，但這種思想很顯然滲透其中。

2.3.2物理量及其計算公式

其實，義務(wù)教育物理課程的很多概念都是基于控制變量思想而給出的，比如密度、比熱容等。那么，物理概念的控制變量思想如何體現(xiàn)？下面以密度的學(xué)習(xí)為例進(jìn)行討論。

密度概念的學(xué)習(xí)無處不滲透著控制變量的思想。在學(xué)習(xí)密度這一課時，首先，會向同學(xué)呈現(xiàn)不同的物體，讓學(xué)生利用不同的方法進(jìn)行區(qū)別，結(jié)果發(fā)現(xiàn)學(xué)生普遍使用感覺器官，比如眼睛、鼻子進(jìn)行辨別，均屬于感官識別。感官識別是通過最明顯、區(qū)分度最大的因素進(jìn)行甄別，不考慮其他因素，與控制變量思想有異曲同工之妙：抓住最主要的因素，對其他因素進(jìn)行適度處理。但繼而向?qū)W生展示外觀一模一樣的兩個長方體，并告知學(xué)生一個是鐵塊，一個是木塊，詢問學(xué)生如何區(qū)別。當(dāng)感覺器官無力解決問題時，學(xué)生就會進(jìn)行稍微復(fù)雜的思維過程，但學(xué)生并不難得出通過稱“質(zhì)量”來判別，質(zhì)量大的是鐵塊，反之是木塊。再舉一例，有兩個質(zhì)量相同的物塊，仍然一個是鐵塊一個是木塊，又該如何判斷？學(xué)生根據(jù)生活經(jīng)驗很容易得出體積大的是木塊，反之是鐵塊。隨即，教師引出問題：“那么，我們是否可以通過研究質(zhì)量和體積來認(rèn)識物質(zhì)呢？”面對這個問題，學(xué)生好像知道，但又說不清楚。此時，學(xué)生已經(jīng)有所意識：一個因素相同，判斷另外一個因素即可，但是具體的定量關(guān)系無法確定。于是，教師就引導(dǎo)學(xué)生研究質(zhì)量與體積的關(guān)系，通過某種途徑在他們之間搭一座橋來溝通聯(lián)系，因為，之前的兩組判斷就是在“體積相同時，依據(jù)質(zhì)量大小來確定”，“質(zhì)量相同時，根據(jù)體積大小來確定”而得出結(jié)論的。這個過程中有3個變量，分別為：物質(zhì)、質(zhì)量、體積。自由組合可以分為4組實驗：①相同體積的不同物質(zhì)，它們的質(zhì)量相同嗎；②不同體積的相同物質(zhì)，質(zhì)量是否相同呢；③相同質(zhì)量，不同體積的物質(zhì)相同嗎；④不同質(zhì)量，相同體積的物質(zhì)相同嗎？endprint

很多教師是通過分析數(shù)據(jù)來發(fā)現(xiàn)同種物質(zhì)的質(zhì)量，體積成倍增加，直接來向?qū)W生說明，學(xué)生其實并未發(fā)覺數(shù)據(jù)中的奧秘，所以接下來教師引導(dǎo)學(xué)生用質(zhì)量除以體積，繼而引出密度概念。這個過程中，學(xué)生的思維是有斷層的。毫無疑問，學(xué)生很難發(fā)現(xiàn)這樣成倍的關(guān)系，因為學(xué)生根本沒有這樣的意識，會產(chǎn)生疑問：“為什么就要除？”而且如果要通過觀察分析數(shù)據(jù)得出，必須要有大量的實驗數(shù)據(jù)，那樣才會比較直觀地體現(xiàn)這一結(jié)論。但對于有限的課堂時間，課堂上記錄的實驗數(shù)據(jù)數(shù)量不足以完成結(jié)論的得出。其實，這里碰到的只是一個思維的轉(zhuǎn)變，學(xué)生應(yīng)該認(rèn)識到：學(xué)習(xí)知識是為了使今后的學(xué)習(xí)和生活更加便捷。教師只要告訴學(xué)生：“要區(qū)別兩個物體，當(dāng)體積相同時，只要比質(zhì)量就可以，那么體積可以是l m3、2m³、3m³等，我們會發(fā)現(xiàn)不同的人可能選取的體積不同，那么，怎么才能最簡單地比較？”學(xué)生自然而然也認(rèn)為體積相同才可以有良好的對比性，而且體積都固定為1m³才最簡單。這樣學(xué)生很自然會將質(zhì)量和體積作除法，緊接著面對計算后的數(shù)據(jù)，學(xué)生會容易地得出不同的物質(zhì)，質(zhì)量和體積的比值不同；相同的物質(zhì)，質(zhì)量與體積的比值相同。此時，密度的概念其實已經(jīng)得出，即質(zhì)量與體積的比值。學(xué)生就會明白“對數(shù)據(jù)做這樣的處理，只是通過化作最直觀的比較形式，幫助判斷”。這樣，學(xué)生的思維會更加流暢，學(xué)習(xí)情緒也會更加高漲。

其實，這個過程運用的就是控制變量的思想，保證無關(guān)變量一致，去研究單一變量。這個過程并不是有多么深奧，只是一個去繁從簡的過程。物理學(xué)中的很多方法思想都在體現(xiàn)物理的簡潔美，比如：等效思想、理想模型思想等。

除了密度這一重要概念滲透控制變量思想，還有比熱容、速度等。比如，要比較兩種物質(zhì)比熱容，只有保證質(zhì)量相同、升高或降低的溫度相同，吸收或放出的熱量才具有可比性；要比較兩者的速度，保持時間相同，僅通過比較路程多少，就可得出準(zhǔn)確結(jié)論。關(guān)于一些應(yīng)用控制變量法進(jìn)行探究的實驗亦是如此。比如，在研究電阻的影響因素時，對于探究長度因素的影響，是通過保證材料、橫截面積、溫度相同的條件下進(jìn)行研究的，這一過程就是在制造可比性，從而確保實驗結(jié)果的有效性。

4 結(jié)束語

對于控制變量思想，最核心的內(nèi)容應(yīng)該是：如何使研究對象具有可比性和可觀察性。控制變量是一種方法，一種研究單一因素影響力的方法；是一種角度，一種從錯綜復(fù)雜的問題中求得解決方案的角度；是一種思想，是一種平衡次要問題，突出主要問題的思想；更是一種態(tài)度，一種如何公正公平地去衡量某一事物的態(tài)度。北京大學(xué)教授虞福春先生曾經(jīng)指出：“迄今以來的物理學(xué)發(fā)展中，有過許許多多的卓越實驗，具有極其豐富和精彩的物理思想，揭示了解決問題的途徑和方法。這些思想和方法已經(jīng)超越了各個具體的實驗而有著普遍的指導(dǎo)意義?！爆F(xiàn)代教學(xué)中，如何讓學(xué)生養(yǎng)成科學(xué)的思維習(xí)慣，擁有科學(xué)的態(tài)度，使學(xué)生能夠通過方法，體會思想，來處理各種問題，達(dá)到終身學(xué)習(xí)，終身創(chuàng)新的收獲，才是教師的新使命。endprint