芻議初中物理“科學(xué)探究”的思維本質(zhì)
——由偽命題“浮力與深度是否有關(guān)”想到的

季衛(wèi)新

(江蘇省南京市雨花臺(tái)區(qū)教師發(fā)展中心，江蘇 南京 210012)

1 問題的提出

最近,有不少教師向我請(qǐng)教這樣一個(gè)問題:在蘇科版初中物理教材第10章第4節(jié)“浮力”的“學(xué)生實(shí)驗(yàn):探究影響浮力大小的因素”中,[1]如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究方案比較好?又該如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究方案來對(duì)“浮力與深度是否有關(guān)”這個(gè)難點(diǎn)進(jìn)行有效突破?

關(guān)于“浮力與深度是否有關(guān)”這個(gè)話題,近來經(jīng)常出現(xiàn)在一些中考物理試卷或者學(xué)習(xí)輔導(dǎo)資料上,并一直在困擾著一線初中物理教師．對(duì)于學(xué)生而言,體現(xiàn)了對(duì)于“科學(xué)探究”的過程和方法的理解和應(yīng)用;對(duì)于教師而言,凸顯了核心素養(yǎng)的“學(xué)科思維”和對(duì)教材的理解、教學(xué)設(shè)計(jì)的思考;對(duì)于教學(xué)資料編寫者到中考命題者,反應(yīng)了創(chuàng)新意識(shí)和“導(dǎo)向”功能．殊不知,如果這個(gè)問題本身就是一個(gè)“偽命題”的話,那又該如何處理呢?

2 有關(guān)背景研究綜述

2.1 難點(diǎn)產(chǎn)生的原因

羅國(guó)忠[2]通過分析全國(guó)教學(xué)比賽錄像的教學(xué)片段,發(fā)現(xiàn)浮力難學(xué)難教有兩大原因: 一是教師受教材束縛,罔顧物理事實(shí),用自己的片面認(rèn)識(shí)去扭轉(zhuǎn)學(xué)生的片面認(rèn)識(shí);二是教師本位思想作祟,應(yīng)變能力不強(qiáng),回避或強(qiáng)扭學(xué)生的思想．

羅老師指出,“對(duì)浮力與深度的關(guān)系的探究, 還是缺乏有效的突破方法,依然是教學(xué)難點(diǎn)”． 分析得到兩大原因的共同核心是漠視學(xué)生認(rèn)知．常見的錯(cuò)誤做法有:堵住學(xué)生嘴巴,避談深度;堵不住學(xué)生嘴巴,但充耳不聞;錯(cuò)誤方法引導(dǎo),學(xué)生一頭霧水;預(yù)設(shè)軌道過窄,生拉硬拽學(xué)生．

針對(duì)以上問題,羅國(guó)忠分別就具體案例給出了具體的改進(jìn)建議,并提出觀點(diǎn):教師只有真正以學(xué)生為主體,按照學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律去教學(xué),才能讓學(xué)生學(xué)會(huì)、會(huì)學(xué)、樂學(xué)．

2.2 思維錯(cuò)誤的校正

胡廣形[3]認(rèn)為,針對(duì)學(xué)生“浮力與深度有關(guān)”的質(zhì)疑,教師可讓學(xué)生畫圖來說明．如圖1所示,學(xué)生通過畫圖暴露出錯(cuò)誤思維,從而產(chǎn)生認(rèn)知沖突,通過點(diǎn)撥,最后由學(xué)生總結(jié)出:“當(dāng)物體沒有全部浸沒時(shí),浮力與深度有關(guān);當(dāng)物體全部浸沒時(shí),浮力與深度無關(guān)”.

圖1

胡老師提出,可以通過以下兩條路徑來進(jìn)行“錯(cuò)誤思維的校正”:一是運(yùn)用科學(xué)探究思想,理解“浮力與深度無關(guān)”．二是通過兩個(gè)創(chuàng)新探究方案,證明“浮力與深度無關(guān)”——在不完全浸沒時(shí),改變深度時(shí),控制排開體積相同;在不完全浸沒時(shí),改變排開體積時(shí),控制深度相同．從而得出“不管是否浸沒,浮力都與深度無關(guān)”的結(jié)論.

2.3 設(shè)計(jì)探究的方法

張向陽[4]認(rèn)為,在常規(guī)實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)物體浸沒前,物體在液體中深度增加時(shí),卻沒有控制V排這個(gè)影響浮力的變量保持不變.隨著物體深度的增加是表面現(xiàn)象,實(shí)質(zhì)是由于V排增大,使得浮力增大的,卻不是由于深度的變化引起浮力變化的.怎樣做才能控制ρ液和V排不變,又能使物體浸沒前在液體中的深度發(fā)生改變時(shí),來探究浮力是否改變呢?

圖2

針對(duì)“物體在浸沒前浮力是否隨深度而發(fā)生變化”,提出了以下兩種方法:彈簧測(cè)力計(jì)法(如圖2所示)和漂浮法(如圖3所示)．最后指出:浸在液體中的物體無論浸沒前,還是浸沒后,物體所受浮力始終與物體在液體中的深度無關(guān).

圖3

3 為何這是一個(gè)“偽命題”

初中物理課堂教學(xué)中的“科學(xué)探究”基本實(shí)驗(yàn)方法就是“控制變量法”,其核心思維就是:當(dāng)一個(gè)物理量P與多個(gè)因素(變量)Y1、Y2…Yn有關(guān)時(shí),為了探究它們之間的關(guān)系,每次只能有一個(gè)因素(變量)改變,而其他因素(變量)需要控制起來,使其不變．

“控制變量法”在概念理解上幾乎沒有難度,但是,在該方法的使用上,無論是學(xué)生、教師、教學(xué)資料編寫者或中考命題者,幾乎都沒有意識(shí)到一個(gè)核心的問題:“控制變量法”無論是需要改變的、還是需要控制的,都應(yīng)該是真正的“因素(變量)”．如果某個(gè)“研究量”根本就不是真正的“因素(變量)”,那么試圖用“控制變量法”來進(jìn)行所謂的“科學(xué)探究”,這本身就是一個(gè)“偽命題”了．

案例1.關(guān)于蘇科版初中物理教材第11章第1節(jié)“動(dòng)能、勢(shì)能、機(jī)械能”的“活動(dòng)12.1:探究動(dòng)能大小與哪些因素有關(guān)”,[5]看下面兩條中考題．

例1.(2017年江蘇省泰州市中考物理試卷第27題節(jié)選)如圖4所示,在探究物體動(dòng)能的大小與哪些因素有關(guān)時(shí),讓同一小車分別從同一斜面的不同高度由靜止釋放,撞擊水平面上同一木塊.

圖4

本實(shí)驗(yàn)探究的是________(木塊/小車/斜面)的動(dòng)能與________的關(guān)系,實(shí)驗(yàn)中是通過觀察________來比較動(dòng)能大小的.

例2.(2017年四川省雅安市中考物理試卷第20題節(jié)選)在探究“物體的動(dòng)能跟哪些因素有關(guān)”的實(shí)驗(yàn)中,李瑞提出了如下猜想:……

于是設(shè)計(jì)了如下的探究實(shí)驗(yàn):讓小球從斜面上某一高度靜止釋放,撞擊靜止在水平面上的木塊,使木塊在水平面上滑行一段距離．如圖5所示,選擇的器材有:斜面、木塊各1塊、質(zhì)量分別為m1和m2的鐵球各1個(gè),質(zhì)量為m1的鋁球1個(gè),已知m1

圖5

分別讓小球從斜面不同高度由靜止開始滾下,目的是改變小球到達(dá)水平面的________．

點(diǎn)評(píng)： 例題1第二空的答案為“速度”;例題2答案為“速度”．例題1的第二空,由實(shí)際情況來看,有較多的考生認(rèn)為是“高度”．這兩題的答案為什么是“速度”而不是“高度”呢?教師、教學(xué)資料編寫者或中考命題者,都清楚地知道“高度”只是“表面現(xiàn)象”,只是用來改變“速度”的方式或手段,而不是最終的目的．所以,教師會(huì)指導(dǎo)學(xué)生“透過現(xiàn)象看本質(zhì)”,其本質(zhì)——“因素(變量)”——是“速度”而不是“高度”．

如果設(shè)置這樣一個(gè)“命題”:探究物體的動(dòng)能與高度是否有關(guān)?你有什么感覺．是的,你會(huì)說這是不對(duì)的,因?yàn)檫@就是一個(gè)“偽命題”,根本“就不應(yīng)該是一個(gè)問題”．

事實(shí)上,文首綜述的3位作者也好,眾多的初中物理教師也罷,都能明確并能達(dá)成的一個(gè)共識(shí)就是:無論是物體浸沒前還是浸沒后,表面所看到的“深度”這個(gè)“變量”,并不是其本質(zhì)．透過現(xiàn)象看本質(zhì),真正的變量是“物體排開液體的體積”,或者說是“物體浸入液體的體積”．我們所說的“深度的改變”,其實(shí)質(zhì)只不過是改變“物體排開液體的體積”或者 “物體浸入液體的體積”的手段而已．

“探究浮力是否與物體浸入液體的深度有關(guān)”其本身就是一個(gè)“偽命題”,那么我們?cè)偃パ芯咳绾瓮黄平虒W(xué)難點(diǎn)、如何設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、甚至試圖讓學(xué)生理解這個(gè)問題,其本身就是一個(gè)“問題”．這是沒有任何實(shí)際意義的,甚至,是曲解了“科學(xué)探究”的思維本質(zhì)的．

4 由此想到的

由此,就初中物理課堂教學(xué)中的“科學(xué)探究”,筆者想到了兩個(gè)問題.

科學(xué)探究的7個(gè)要素之一“作出猜想”,應(yīng)該如何進(jìn)行?是建立在一定的生活體驗(yàn)或現(xiàn)實(shí)情境的基礎(chǔ)上進(jìn)行“有依據(jù)的判斷”?還是“毫無限制”、“天馬行空”式的“瞎想”?

課堂教學(xué)中的科學(xué)探究與試題中的科學(xué)探究是否一樣?應(yīng)該踐行“真探究”還是進(jìn)行“偽探究”?

4.1 應(yīng)該如何進(jìn)行“科學(xué)猜想”

科學(xué)探究的核心思想就是針對(duì)所提出的問題,就可能的原因(因素)進(jìn)行“猜想”,然后設(shè)計(jì)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn),根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、論證,從而判斷猜想是否正確．如果猜想正確,又具有什么樣的數(shù)學(xué)關(guān)系．

為了培養(yǎng)學(xué)生的“科學(xué)思維意識(shí)”,提升學(xué)生“科學(xué)思維能力”,我們應(yīng)該引導(dǎo)和培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行“科學(xué)猜想”．“科學(xué)猜想”要求學(xué)生依據(jù)一定的生活體驗(yàn)或現(xiàn)實(shí)情境的基礎(chǔ)上進(jìn)行“有依據(jù)的判斷”,而不是“毫無限制”、“天馬行空”式“瞎想”．

為此,教師在讓學(xué)生“作出猜想”之前,要?jiǎng)?chuàng)設(shè)合適的情景幫助學(xué)生“回憶”相關(guān)的生活體驗(yàn)和現(xiàn)象．如果學(xué)生不具有對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ),則必須通過實(shí)驗(yàn)、活動(dòng)或者圖片、視頻等形式,向?qū)W生展示相關(guān)情景．當(dāng)學(xué)生作出一個(gè)猜想后,追問一下“你的依據(jù)是什么”．很多時(shí)候,學(xué)生未必就能猜想正確或者表述規(guī)范,但是,長(zhǎng)期以往,對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的“核心素養(yǎng)”和“科學(xué)思維”卻是大有裨益的．

4.2 應(yīng)該如何進(jìn)行“科學(xué)探究”

就初中物理“科學(xué)探究”而言,目前的現(xiàn)狀不容樂觀,“偽探究”占據(jù)了主流思想,“真探究”有點(diǎn)“邊緣化”了,這是非常危險(xiǎn)的．

案例2.(2017年某地一模物理試題節(jié)選)小明用如圖6所示的實(shí)驗(yàn)探究“影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素”.實(shí)驗(yàn)中所用鐵塊和鋁塊的體積和形狀完全相同.

圖6

(1) 為了測(cè)量物體受到的滑動(dòng)摩擦力,應(yīng)當(dāng)用彈簧測(cè)力計(jì)沿水平方向拉著物塊在同一水平桌面上做________運(yùn)動(dòng).

(2) 小明根據(jù)圖(甲)、(乙)得到了實(shí)驗(yàn)的結(jié)論,支持該結(jié)論成立的現(xiàn)象是________.

(3) 小明想知道實(shí)驗(yàn)所用鐵塊和鋁塊的下表面哪個(gè)更粗糙,對(duì)比(甲)、(丙)兩圖,________(選填“能”或“不能”)比較出鐵塊和鋁塊下表面的粗糙程度.

點(diǎn)評(píng)： 此題關(guān)注點(diǎn)在于第(3)問,其答案設(shè)置為“能”還是“不能”,將會(huì)體現(xiàn)命題者是“真探究”還是“偽探究”．

因?yàn)榭忌梢杂纱祟}的第(2)問得知“結(jié)論1”:當(dāng)接觸面粗糙程度相同時(shí),滑動(dòng)摩擦力的大小與壓力有關(guān),且壓力越大滑動(dòng)摩擦力越大．但是,由于試題沒有進(jìn)行“滑動(dòng)摩擦力大小是否與接觸面粗糙程度有關(guān)”的探究,所以沒有任何現(xiàn)象或者數(shù)據(jù)來支持“結(jié)論2”:“滑動(dòng)摩擦力大小與接觸面粗糙程度有關(guān),且接觸面越粗糙,滑動(dòng)摩擦力越大”．

由于不知道摩擦力與粗糙程度的關(guān)系——如果有關(guān),是“越大越大關(guān)系”還是“越大越小關(guān)系”,因?yàn)椴恢?所以不能比較．充其量只能知道,鋁塊與鐵塊的下表面粗糙程度不一樣而已．

如果答案是“能”,那么就是意味著命題者把“結(jié)論2”跳過實(shí)際探究作為課堂已學(xué)的已知條件來使用,那么這就是“偽探究”．

如果答案是“不能”,那么就是意味著命題者意識(shí)到未經(jīng)探究,不能使用“結(jié)論2”,那么這就是“真探究”了．

案例3.(2013年某市中考物理試題)甲、乙兩位同學(xué)做“探究物體所受重力的大小與質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)．

圖7

(1) 如圖7所示,甲同學(xué)用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量鉤碼所受重力大小,讀數(shù)時(shí)他讓鉤碼保持靜止?fàn)顟B(tài),根據(jù)

________

知識(shí)可知,此時(shí)鉤碼所受的重力大小和它受到的拉力大小相等．他分別測(cè)出1個(gè)鉤碼、2個(gè)鉤碼、3個(gè)鉤碼的重力大小后,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出結(jié)論:物體所受重力的大小與它的質(zhì)量成正比．

(2) 乙同學(xué)取了質(zhì)量不同的蘋果、小木塊、小鐵球各1個(gè),并分別測(cè)出它們的質(zhì)量和重力,來探究物體所受重力大小與質(zhì)量的關(guān)系,你認(rèn)為乙同學(xué)的做法________．

(A) 不合理,因?yàn)樗麤]有用同種物質(zhì)的物體做實(shí)驗(yàn).

(B) 不合理,因?yàn)樗麤]有使物體的質(zhì)量成整數(shù)倍變化.

(C) 合理,因?yàn)樗瑯涌梢缘玫降奈矬w所受重力大小與質(zhì)量的關(guān)系.

(D) 合理,因?yàn)樗牟僮鞅燃淄瑢W(xué)更簡(jiǎn)便.

點(diǎn)評(píng)： 此題第(1)問是課本“活動(dòng)8.3:探究物體所受重力的大小與質(zhì)量的關(guān)系[1]”的內(nèi)容．對(duì)于第(2)問,同樣存在“真探究”與“偽探究”的問題了．

首先來看一下答案:如果選擇“合理”,答案選擇(C)最為合理;如果選擇“不合理”,答案選擇(A)最為合理．

如果命題者把答案設(shè)置為“(A)”,則意味著“物體的重力不僅僅只與質(zhì)量有關(guān)”,可能還與物體的密度、現(xiàn)狀等因素有關(guān)．由于之前沒有對(duì)“密度”進(jìn)行探究,無法排除這個(gè)因素,那么,依據(jù)“控制變量法”的要求,在“探究物體所受重力的大小與質(zhì)量的關(guān)系”時(shí),我們理應(yīng)需要“控制密度不變”,這符合“真探究”的本質(zhì)內(nèi)涵．

如果命題者把答案設(shè)置為“(C)”,則意味著“物體的重力只與質(zhì)量有關(guān)”．在沒有實(shí)際探究的情況,就根據(jù)課本已經(jīng)學(xué)習(xí)的內(nèi)容來進(jìn)行“探究”,就有了“偽探究”之嫌了．

5 結(jié)束語

“科學(xué)探究”是科學(xué)家們解決問題的基本方法.對(duì)于初中學(xué)生來說,學(xué)習(xí)“科學(xué)探究”,了解科學(xué)探究的7個(gè)要素(環(huán)節(jié)),以及掌握“控制變量法”,其主要目的就是經(jīng)歷“科學(xué)探究”的過程,掌握科學(xué)探究的基本方法,能實(shí)際地解決一些與生活、社會(huì)有關(guān)的簡(jiǎn)單問題,并在此過程中能培養(yǎng)自己的“核心素養(yǎng)”、提升自身的“思維能力”,同時(shí)也能認(rèn)識(shí)到“科學(xué)探究并不是只是科學(xué)家才能做的”．

“隨風(fēng)潛入夜,潤(rùn)物細(xì)無聲”,對(duì)于初中物理教育工作者而言,如何使得“真探究”在課堂教學(xué)、試題命制等環(huán)節(jié)中“落地生根”,將是一個(gè)較為長(zhǎng)期而又現(xiàn)實(shí)的問題．