物理科學探究能力之“分析與論證”能力的培養(yǎng)

安立艷

初中物理課程內(nèi)容由科學探究和科學內(nèi)容兩部分組成?？茖W探究是科學知識生成、驗證和發(fā)展的過程，面對的是開放性的問題，需要探究者的科學知識、研究方法和技能、直覺和想象力、創(chuàng)造性以及個性品質(zhì)的介入。將科學探究納入課程內(nèi)容，旨在讓學生經(jīng)歷與科學工作者相似的探究過程，主動獲取物理知識，領悟科學探究方法，發(fā)展科學探究能力，體驗科學探究樂趣，養(yǎng)成科學精神?？茖W探究作為一種研究能力，在初中階段應作為一種顯性的技能傳授給學生。

物理學科核心素養(yǎng)中的“科學探究”包括提出科學問題、形成猜想和假設、設計實驗與制訂方案、進行實驗和收集數(shù)據(jù)、分析與論證、進行評估、交流合作這七個要素。各要素間的關系是交互在一起的（見圖1）。例如，設計實驗既是對已經(jīng)提出的問題、猜想假設的初步的檢驗，又是對進行實驗和收集數(shù)據(jù)的具體指導；交流合作幾乎穿插在實驗探究的各個要素之間?！胺治雠c論證”是發(fā)展學生審辨式思維能力的好載體，本文簡要談談如何基于學生研究和知識分析培養(yǎng)學生的“分析與論證”能力。

一、傳統(tǒng)實驗探究之“分析與論證”要素教學的困惑與困難

從課堂教學來看：教師急于迅速讓學生動手探究，使得問題的提出和方案設計略顯不足；教師心中有結(jié)論，偶爾有急于求成的想法，想在有限的課堂教學時間內(nèi)得到正確的結(jié)論；可能沒有深入了解學生在實際操作中遇到的困難或新發(fā)現(xiàn)。從數(shù)據(jù)處理的技術上來看，教師對數(shù)據(jù)分析、證據(jù)分析的研究還比較膚淺，數(shù)據(jù)的研究還浮于表面的淺層分析。

從學生反饋來看：部分學生動手探究前對實驗的探究目的和方法不明確；部分學生做過預習，并且了解結(jié)論，看到不符合規(guī)律的數(shù)據(jù)就想篡改數(shù)據(jù)，無法做到實事求是。

從知識積累來看：學科間的知識支撐還有不足，初二的學生數(shù)據(jù)分析能力還較弱，正比例函數(shù)、一次函數(shù)、反比例函數(shù)還未進行學習。

從階段性測試來看：學生對結(jié)論總是記不住，死記硬背了也容易忘記。

二、科學探究之“分析與論證”要素研究

初中物理課標中對“分析與論證”要素的描述如下：①經(jīng)歷從物理現(xiàn)象和試驗中歸納科學規(guī)律的過程。②能對收集的信息進行簡單歸類及比較。③能進行簡單的因果推理。④嘗試對探究結(jié)果進行描述和解釋。⑤了解該要素在科學探究中的

意義。

“分析與論證”就是對探究的數(shù)據(jù)進行描述、對探究的現(xiàn)象進行歸納總結(jié)，從而將實驗結(jié)論升華為物理概念和規(guī)律。物理學基于觀察與實驗、建構理想模型、應用數(shù)學等工具，通過科學推理和論證，形成系統(tǒng)的理論體系和研究方法。對“分析與論證”要素的內(nèi)涵與外延理解如下。

一是對證據(jù)進行整理和分析處理的必要性。在分析論證環(huán)節(jié)，利用數(shù)學工具、表格和圖像可以幫助分析數(shù)據(jù)，揭示隱含在數(shù)據(jù)背后的整體格局和發(fā)展趨勢。

二是大數(shù)據(jù)分析方法的多樣性。分析過程中可能需要用到觀察、分類、排序、比較、因果關系、推理、預測、建模、解釋、應用等技能和工具。

三是分析論證需要審辨式思維。對于數(shù)據(jù)的研究應該是學生主動思考、懷著質(zhì)疑、尋找規(guī)律的過程，不斷發(fā)現(xiàn)的過程。分析過程中，可能還會聯(lián)想到特例，可能會有新發(fā)現(xiàn)等。

四是如何確保證據(jù)真實可靠。聚焦非規(guī)律性數(shù)據(jù)，如何追蹤它的來源，如何辨別證據(jù)的來源是否可靠？分析數(shù)據(jù)時，需要對數(shù)據(jù)的準確性和精確度做出描述和檢驗，盡可能減小誤差。非規(guī)律數(shù)據(jù)的產(chǎn)生源自學生實驗操作不規(guī)范。對于特殊數(shù)據(jù)，應當充分討論，嘗試還原情境，找到問題所在，在去偽存真的基礎上，做到“改偽存真”。

五是事實和觀點如何聯(lián)系。觀點需要證據(jù)來支持，能證明觀點的事實就是證據(jù)。通常需要重復實驗和生活應用實例來得出或幫助理解最后的結(jié)論。

教師只有切實把握了“分析與論證”的內(nèi)涵，才能真正培養(yǎng)學生實事求是的科學態(tài)度，不斷引導、鼓勵學生科學推理、敢于質(zhì)疑，幫助學生不斷完善科學思維。

三、“分析與論證”要素的教學探索

筆者以“凸透鏡成像規(guī)律”一課為例說明。

1. 突出數(shù)據(jù)的廣泛性、普遍性，利用數(shù)學工具排序，發(fā)現(xiàn)并總結(jié)規(guī)律

設計1：在使用表格記錄數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)方式同時，使用薄膜貼點輔助記錄現(xiàn)象，凸顯數(shù)據(jù)分界點。

教師給學生準備A4紙大小的坐標紙和透明薄膜，坐標紙的縱坐標標記為物距，將薄膜放在坐標紙上。學生將實驗現(xiàn)象用貼點法記錄在透明薄膜上， 紅點表示凸透鏡成的倒立縮小的像，綠點表示倒立放大的像，藍點表示正立放大的像。教師收集全班同學的貼點薄膜，并疊加在一起展示結(jié)果。學生們清晰地發(fā)現(xiàn)凸透鏡所成的三類像都在特定的區(qū)域內(nèi)，進一步得出結(jié)論：一倍焦距是凸透鏡成正立或倒立的像、實像或虛像的物距分界點，二倍焦距處是凸透鏡成放大或縮小的實像的分界點。向?qū)W生滲透生活中的照相機、幻燈機、放大鏡燈光具使用時的物距分別對應了紅綠藍三色點的區(qū)域。

設計2：大數(shù)據(jù)排序，尋找凸透鏡成像的變化規(guī)律，提高思維深度。

用Excel匯總學生實驗數(shù)據(jù)（含物距、像的特點、像距、像高等項目），按照物距從大到小的順序排列，使數(shù)據(jù)的變化更有規(guī)律，學生在觀察過程中首先將數(shù)據(jù)按照成像特點或者一、二倍焦點處的特殊作用，將表格分成三部分。分段充分分析數(shù)據(jù)，使結(jié)論更加直觀，同時更充分地挖掘數(shù)據(jù)的深層價值。

設計3：將數(shù)據(jù)按照成像特點分段，尋找動態(tài)變化規(guī)律。

將龐大的數(shù)據(jù)表格分區(qū)域處理，在凸透鏡成三種像的特點下尋找變化規(guī)律，逐漸融入學生的思考，將直觀的數(shù)據(jù)賦予生動的活力，同時也逐漸激發(fā)學生猜想照相機、幻燈機使用過程中的調(diào)焦調(diào)距等問題。

2. 對問題數(shù)據(jù)的質(zhì)疑與再分析，提高學生思維的嚴謹性

（1）再次觀察數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)新問題。組織學生觀察數(shù)據(jù)，找出數(shù)據(jù)記錄單里的問題數(shù)據(jù)，分析問題成因，討論解決方案。對于表格中的非順序性數(shù)據(jù)是怎么出現(xiàn)的，學生的猜想很多。有人認為是讀數(shù)錯誤；有人認為是讀數(shù)時光屏上的像不清晰；還有人認為是凸透鏡型號不精準等。對這樣的數(shù)據(jù)怎么處理呢？讓學生思考。endprint

（2）還原實驗情境，展示真實問題。學生按照表格數(shù)據(jù)組裝器材，發(fā)現(xiàn)了真實問題：此時光屏上顯示的并不是清晰的像，學生的實驗操作存在問題。調(diào)整光屏位置再次承接清晰的像，并對數(shù)據(jù)進行修正。

（3）修改問題數(shù)據(jù)，結(jié)論更具普遍性。將實驗得出的正確數(shù)據(jù)填入表格，修正原錯誤數(shù)據(jù)，此時學生發(fā)現(xiàn)表中數(shù)據(jù)完全符合動態(tài)規(guī)律。此時，對問題數(shù)據(jù)的處理過程體現(xiàn)出科學精神。學生本著實事求是的科學態(tài)度能夠發(fā)現(xiàn)問題數(shù)據(jù)并提出質(zhì)疑，合理猜想錯誤數(shù)據(jù)成因，對非規(guī)律性數(shù)據(jù)追蹤來源，重現(xiàn)實驗研究，以確保數(shù)據(jù)真實可靠，初步形成了審辨式思維。

3. 動手體驗，尋找凸透鏡成像的變化規(guī)律的事實證據(jù)，提高思維靈活度

設置學生活動1：利用自制相機分別拍攝遠景和近景。使用自制相機先給遠處的物體找遠景，調(diào)節(jié)鏡筒，使光屏（薄膜）上成的像清晰；再給近處物體照相，調(diào)節(jié)鏡筒，使光屏（薄膜）上成的像清晰，感受物距、相距、像的大小的變化情況。學生發(fā)現(xiàn)： 手持自制相機靠近物體使物距減小時，鏡頭前伸（或者光屏后移）使相距增大，才能使光屏上成的像再次清晰，而且像逐漸變大。操作過程與實驗數(shù)據(jù)所得結(jié)論吻合，對數(shù)據(jù)進行了清晰有利的事實證明。

設置學生活動2：研究使用投影手電筒。通過調(diào)節(jié)膠片到鏡頭的距離改變物距，調(diào)節(jié)手電筒到光屏的距離改變物距，感受凸透鏡成像的變化規(guī)律。學生發(fā)現(xiàn)：調(diào)整膠片與鏡頭的間隙以減小物距后，應手持投影手電筒遠離承接像的屏幕使像距增大，才能使像再次清晰，而且像逐漸變大。在投影手電筒所成的像變大的過程中，物距在變小，像距在變大。體驗與數(shù)據(jù)分析結(jié)果吻合。

設置學生活動3：練習使用放大鏡，探索如何才能看到更大更清晰的指紋。學生們逐漸增大放大鏡到指紋的距離（但距離始終小于凸透鏡的焦距）時發(fā)現(xiàn)，指紋的虛像逐漸變大。結(jié)合電腦動畫幫助學生理解凸透鏡成虛像的變化規(guī)律。

使用自制相機、投影手電筒，練習使用放大鏡等體驗過程既是對已得結(jié)論的檢驗，又成為了結(jié)論的新證據(jù)。

上述“凸透鏡成像規(guī)律”的教學設計中，運用實驗數(shù)據(jù)、事實描述等方法收集了學生的大量實驗數(shù)據(jù)，再利用數(shù)學思維工具，展示清晰的數(shù)據(jù)，提升學生的數(shù)據(jù)分析能力；對非規(guī)律性數(shù)據(jù)追蹤來源的教學實踐，重現(xiàn)實驗研究以確保數(shù)據(jù)真實可靠，處理過程體現(xiàn)科學精神，幫助學生初步形成了審辨式思維。

真正的科學探究不是按部就班的機械性實驗，不是已知結(jié)論驅(qū)動下的、無思想的簡單的技能重復，而是讓學生通過實驗模擬科學家的研究過程，重走科學家敢于質(zhì)疑、敢于研究、敢于創(chuàng)新、敢于發(fā)現(xiàn)的過程，體驗求真務實、不畏艱辛的科學精神。如果將“知識”直接給學生，學生還不能發(fā)自內(nèi)心地理解“知識”時，這些“知識”只是表象化的信息，當他們理解了、領悟了的時候，才內(nèi)化為真正的知識，進而轉(zhuǎn)化為能力。真正的科學探究能夠讓學生體驗發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的真實的全過程，領悟科學的本質(zhì)，理解真正的知識，實現(xiàn)深度學習。

（作者單位：北京市第十三中學分校；指導教師：北京教育學院周瑩）

責任編輯：肖佳曉

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