青島市初中物理學科對科學方法考查的探索與實踐

王

(青島市教育科學研究院 山東 青島 266012)

“授人以魚不如授人以漁”.科學方法是探究和學習的工具，是連接知識與能力的橋梁，方法的運用是能力的外在表現(xiàn).青島市初中物理學科根據(jù)初中物理知識內容和初中學生的特點，在長期的教學實踐中挑選了17種科學方法(包括一部分創(chuàng)造學技法)應用到物理教學中，作為學生探究與學習的重要工具，也作為學生必須掌握的學習內容.

在教學過程中，我們訓練學生積極運用這些方法解決他們遇到的物理問題，比如：探究一個問題與多個因素的關系時，運用“控制變量法”解決問題；遇到不完美問題的時候，運用“缺點列舉法”可以找出不足并加以改進；直接研究問題比較困難時，采用“轉換法”進行迂回解決等等.這些方法不僅可以解決物理問題，還可以解決學習和生活中更廣泛的問題，甚至可以運用這些方法科學地指導今后的工作和生活，這將比學習物理知識本身更為重要.

考試是教學指揮棒.為了讓教師和學生在日常學習中對科學方法高度重視，青島市初中物理學科近20年以來，一直將科學方法考查作為日常檢測和中考的必考內容(中考中相關分值長期占15%左右).下面談談我們對科學方法的考查內容、要求和常用題型.

1 考查目的

通過考查，一方面作為教學指揮棒促進日?？茖W方法教學，讓教師在授課中引導學生有意識地、積極地運用科學方法去探究和學習；另一方面檢驗學生科學方法相關知識及在實際學習中的應用能力.

2 考查內容及要求

在教學與檢測中，要求學生記住下面17種科學方法的名稱、常見應用實例，并會運用這些方法解決問題.這17種科學方法的內容如下.

2.1 控制變量法

(1)定義

在研究一個量與多個因素關系時，將一些因素固定不變，只研究該量與一個因素的關系，從而達到簡化問題的目的.

(2)舉例

1)研究電流與電壓、電阻關系時，先將電阻固定不變，研究電流與電壓的關系；然后再將電壓固定不變，研究電流與電阻的關系.

2)研究壓力效果有關因素時，先讓受力面積不變，研究與壓力大小的關系；然后再讓壓力不變，研究與受力面積大小的關系.

2.2 轉換法

(1)定義

將看不見、摸不著、不便于研究的問題或因素，轉換成看得見、摸得著、便于研究的問題或因素.

(2)舉例

1)動能大小無法直接測出，但我們可以通過木塊被撞出去的距離來比較動能大小.

2)磁場看不見，撒上鐵粉，通過鐵粉的有序排列“看見”磁場并進行研究.

2.3 放大法

(1)定義

通過放大、擴大、變大或增大某些因素，從而使問題看得更加清楚，更容易解決.

(2)舉例

1)將帶有細玻璃管的塞子插到裝滿水的瓶口，顯示玻璃瓶的微小形變.

2)電流表通過指針將偏轉幅度放大，從而可以劃分刻度值.

2.4 換元法(替代法)

(1)定義

通過將問題中的元素進行替換或代換，從而解決問題.

(2)舉例

1)研究平面鏡成像時，用玻璃板代替平面鏡進行研究.

2)研究大氣壓的測量時，用水銀柱代替水柱，測出了大氣壓的值.

2.5 等效法

(1)定義

兩種事物在某一方面上的效果完全一樣，因此在解決這一方面問題時就可以完全相互替代.可以認為這是一種特殊的替代法.

(2)舉例

1)為了讓手暖和，在沒有熱水袋的情況下，可以雙手互搓，達到完全相同的效果.

2)用兩個5 Ω的電阻串聯(lián)，去當做一個10 Ω電阻用，達到相同的效果.

2.6 分類法

(1)定義

將許多事物根據(jù)一定的規(guī)則進行分組，以便更好地搞清事物之間的關系.

(2)舉例

1)將汽化現(xiàn)象按照發(fā)生地點和劇烈程度，分為蒸發(fā)、沸騰兩類.

2)將電路根據(jù)連接情況，分為串聯(lián)、并聯(lián)電路兩種.

2.7 比較法

(1)定義

找到兩種事物的相同點、不同點，進一步理解知識，發(fā)現(xiàn)隱含的規(guī)律.

(2)舉例

1)比較蒸發(fā)和沸騰的異同點.

2)比較定值電阻和小燈泡電阻測量中的異同點，發(fā)現(xiàn)了電阻與溫度的關系.

2.8 類比法

(1)定義

由兩種事物的一部分相似之處，推測其他部分也可能相似.

(2)舉例

1)研究功率時，想到功率表示做功快慢、速度表示運動快慢這一相似性，推測功率在定義、定義式、單位等方面也可能與速度相似，從而迅速建構出功率這一物理量.

2)研究船閘時，想到船閘的作用是讓船升降，而升降機的作用是讓人和物升降，通過這一相似性，聯(lián)想如何實現(xiàn)的方法，由此建構出船閘的結構.

2.9 擬人類比法

(1)定義

擬人類比又稱“親身類比”或“角色扮演”.在解決問題時，讓學生設想自己變成了問題中的某些事物，從而去設身處地、親臨其境地感受問題的本質，解決問題.是一種特殊的類比法.

(2)舉例

1)在研究分子熱運動時，可以讓學生設想自己就是一個個的分子.

2)在研究電流時，讓學生想象自己就是一個個移動的電荷，如何在電路中運動.

2.10 模型法

(1)定義

將研究的問題在抓住要點的基礎上進行簡化、抽象，建立模型，運用模型去更方便地研究問題.

(2)舉例

1)為研究光現(xiàn)象，引入“光線”這一模型.

2)為了方便地表示力，引入了力的示意圖.

2.11 等價變換法

(1)定義

把有關知識的數(shù)據(jù)、形象、動作、符號、公式、實例、文字敘述等各種不同的信息形式，進行自由地互相變換.

(2)舉例

1)在研究壓強時，將壓強定義式變換為定義的文字敘述，或相反.

2)在研究水沸騰的實驗中，將實驗數(shù)據(jù)變換成圖像，從而更容易發(fā)現(xiàn)規(guī)律.

2.12 逆向思考法

(1)定義

從研究問題的相反方向思考，從而受到啟發(fā)或得出結論.

(2)舉例

1)由“電能生磁”，引導學生反過來想一想，“磁能否生電？”

2)在研究光的反射過程中，將激光手電沿著反射光線的反方向進行照射，發(fā)現(xiàn)了光路可逆現(xiàn)象.

2.13 缺點列舉法

(1)定義

以挑剔的眼光去看待被研究的問題，找到它的缺點或不完美之處，然后針對這些缺點或不完美之處找到改進的辦法.

(2)舉例

1)在研究了“彈簧測力計”之后，對彈簧測力計進行改進.

首先，讓學生找出普通彈簧測力計的缺點，如：不能記憶數(shù)據(jù)(一旦指針回零，就不能再顯示剛才的數(shù)據(jù))；不能在暗處讀數(shù)；不能測壓力.

然后，讓學生合作學習、分組討論、頭腦風暴，就可能解決上述問題，如：在指針軌道上加一可以上下活動的類似游碼的塑料泡沫片；加一個小燈泡電路；將彈簧測力計頂部打開，接入一受力裝置與指針和彈簧連接.

2)先讓學生自由測量物體的溫度，然后對實驗情境進行缺點列舉，改進，最終形成了溫度計使用規(guī)則.

2.14 缺點利用法

(1)定義

針對研究內容中的缺點和不足，將錯就錯、變害為利、變廢為寶，找到知識的應用途徑.

(2)舉例

1)重力的方向豎直向下易使物體下落破碎是缺點，但同時也可以利用這一點制成打樁機、重錘，懸掛物體等等.

2)導體中電流過大，產生大量熱量而引起火災是缺點，但正是據(jù)此制成了電熱器來為我們服務.

2.15 組合法

(1)定義

通過不同原理、不同技術、不同方法、不同現(xiàn)象、不同器材等組合，去設計創(chuàng)造、解決問題.常用有3種組合法：主體附加法、輻集式組合法、二元坐標組合法.

(2)舉例

1)將電流表、電壓表組合使用，去測量電阻.

2)將凸透鏡與凹透鏡組合，形成望遠鏡.

2.16 逐漸逼近法

(1)定義

在解決某些問題時，若是無法直接解決，可以讓學生設計漸進實驗，然后根據(jù)實驗現(xiàn)象的發(fā)展趨勢和走向，進行理想化推理，從而推出結論或規(guī)律.

(2)舉例

1)在研究“牛頓第一定律”時，由于無法找到物體不受力的環(huán)境，因此可以讓學生設計阻力逐漸減小的3個斜面實驗，根據(jù)實驗現(xiàn)象得出“阻力越小，速度變化越慢”，最終進行理想化推理，得到“當阻力為零時物體做勻速直線運動”的結論.

2)在研究“真空能否傳聲”時，由于真空無法獲得，因此設計空氣越來越稀薄的“真空鈴實驗”，通過聽到的聲音越來越小，再進行理想化推理，得出“真空不傳聲”的結論.

2.17 反證法

(1)定義

在解決某些問題時，若正向證明該問題的存在有困難，可以讓學生反向設計證明該問題不存在的實驗，通過實驗情境，反推出原來問題的存在.

(2)舉例

1)在研究“二力平衡條件”時，直接證明二力平衡必須在同一物體上很困難，可以設計一個可分離為兩半的物體，當將該物體分為兩個物體后，發(fā)現(xiàn)二力不平衡了，從而說明了一對平衡力必須作用在同一個物體上.

2)在研究光的反射中“三線共面”時，直接證明三線共面似乎力度不夠，可以設計平面可彎折的實驗，從而反向說明若是不共面就不會同時看到這3條線，由此反推出三線共面的結論.

3 考查形式及典型題例

青島市初中物理學科對科學方法的考查，主要有如下3種遞進形式：選擇題、回顧實驗探究題、在新問題情境中的應用題.前兩種都是學過的舊問題情境，主要考查科學方法的有關知識；第3種是未學過的新問題情境，主要考查運用科學方法的能力.

3.1 選擇題

(1)考查內容

通過選擇題，考查學生對科學方法的概念及常見實例的掌握情況.

(2)典型題例(下面的所有題例，均直接采用或改編自青島市歷年中考或模擬試題)

【例1】下列運用科學方法的實例中，屬于“缺點利用法”的是( )

A.將受平衡力的物體轉動一個角度發(fā)現(xiàn)不再平衡，說明平衡力必須作用在同一直線上

B.將材料按導電性能分為導體、半導體和絕緣體

C.用被彈簧連著的小球演示分子間作用力

D.噪聲對人體有危害，但可以利用噪聲清除雜草

答案：D.

說明：選項A為反證法，選項B為分類法，選項C為模型法.

【例2】下列運用科學方法的實例中，說法正確的是( )

A.根據(jù)增大摩擦的方法想到減小摩擦的方法，這是運用了逆向思考法

B.為了研究磁場引入磁感線，這是運用了模型法

C.制作滑動變阻器時，發(fā)現(xiàn)導線太長而采取纏繞方式，這是運用了缺點列舉法

D.將光的反射分為鏡面反射和漫反射，這是運用了比較法

答案：A，B，C.

說明：選項D應為分類法.

3.2 回顧實驗探究題(學過的實驗探究過程)

(1)考查內容

以學生在初中學習和經(jīng)歷過的重要實驗和探究過程為情境(青島市試題是以探究報告的表格形式呈現(xiàn))，考查學生的科學方法運用能力.

(2)典型題例

【例3】以“探究牛頓第一定律”實驗為例，展示回顧實驗探究題中科學方法的應用，如表1所示.

表1 探究牛頓第一定律

【例4】以“探究液體壓強規(guī)律”為例，展示回顧實驗題中科學方法的運用，如表2所示.

表2 探究液體壓強規(guī)律

3.3 在新問題情境中的應用題

設置新的問題情境(學生沒有經(jīng)歷和學習過的)，考查學生在新情境中運用科學方法的能力.在新情境中考查科學方法，又可以分為3種類型：理解能力、探究能力、創(chuàng)造能力.

(1)考查學生在新情境中對科學方法的理解能力

1)考查內容

設置新知識的探究過程，判斷和感悟該過程所運用的科學方法.

2)典型題例

【例5】研究氣體分子對器壁的壓強.

如圖1所示，將托盤天平的左盤倒扣在支架上.調節(jié)天平平衡后，將一袋綠豆均勻地、源源不斷地從同一高處撒到左盤上，發(fā)現(xiàn)天平指針偏轉并保持一定角度，說明左盤受到一個持續(xù)的壓力.

圖1 綠豆實驗

容器中氣體分子碰撞器壁的現(xiàn)象與上述實驗現(xiàn)象十分相似.我們可以將一個個氣體分子當做一個個小球，可見，容器中大量氣體分子不斷碰撞器壁時也會對器壁產生一個持續(xù)的壓力，而單位面積上所受的壓力就是氣體分子對器壁的壓強.

上述過程中運用的科學方法主要有類比法、模型法、轉換法、放大法.

說明：通過綠豆實驗來說明氣體壓強，這是運用了類比法；將分子看成小球去研究，這是運用了模型法；通過天平指針偏轉來說明，這是運用了轉換法和放大法.

(2)考查學生在探究新問題中對科學方法的實際應用能力

1)考查內容

該探究能力分為3類：運用科學方法設計探究方案的能力、探究新知識的能力、建構新概念的能力.

第1類：運用科學方法設計探究方案的能力.提出一個學生沒有探究過的新問題，讓學生運用科學方法去設計探究實驗方案.

第2類：運用科學方法探究新知識的能力.讓學生運用科學方法，閱讀自學一段未學過的新知識，學生收集信息，歸納得出一個新結論或新公式，并對新公式進行應用(包括圖像判斷、解釋現(xiàn)象、相關計算).

第3類：運用科學方法建構新概念的能力.通過收集有關資料，運用科學方法，建構新的物理概念.

2)典型題例

第1類：運用科學方法設計探究方案的能力

【例6】現(xiàn)在有同學提出，要探究“壓力作用效果與物體密度的關系”.請你幫他完成實驗設計方案.

具體設計方案如表3所示.

表3 探究“壓力作用效果與物體密度的關系”實驗設計方案

說明：此題中所提出的“壓力作用效果與物體密度的關系”，是一個學生沒有探究過的新問題.通過讓學生設計探究方案，考查了學生實際運用“控制變量法”“轉換法”“比較法”的能力.

控制變量法的運用：在設計中，學生首先要根據(jù)所學的壓力作用效果的有關因素，控制住壓力大小、受力面積大小這兩個變量，為此需要找到質量、底面積相同的銅圓柱體、鐵圓柱體、鋁圓柱體.另外，還要盡可能使其他因素都一樣(如用同一塊海綿等)，從而減少無關變量.

轉換法的運用：由于沒有可以直接測量壓力作用效果大小的儀器，因此轉換為測量海綿下陷的深度.

比較法的運用：為了探究壓力作用效果與物體密度的關系，需要比較多組數(shù)據(jù)，因此設計上述表格進行比較，最終可以得出結論.

第2類：運用科學方法探究新知識的能力.

【例7】研究魚缸側壁所受的壓力.

由于液體內部有壓強，當魚缸中盛入液體后，魚缸側壁就會受到液體的壓力.魚缸側壁所受的液體的壓力跟什么因素有關呢？表4是在魚缸中盛入不同的液體進行研究得到的一些數(shù)據(jù)[其中ρ為液體密度，L為側壁長度，H為液體深度，F(xiàn)為側壁所受壓力，如圖2(a)所示].請你填空回答如下問題：

表4 魚缸中盛入不同液體時得到的數(shù)據(jù)

圖2 魚缸的相關數(shù)據(jù)及F-L關系圖像

a.通過探究，可以得到公式：F=k，其中k=(填上數(shù)值和單位).剛才將數(shù)據(jù)表格形式變成公式形式，這里運用的科學方法是法.

b.在一個魚缸中分別盛入相同深度的海水和淡水，對魚缸側壁的壓力大.

c.在不同的游泳池中注入相同深度的水，游泳池側壁所受的壓力與側壁長度的關系可以用圖2(b)中的圖線表示.

d.如圖3所示，攔河大壩的長度L為30 m，若大壩能夠承受的最大壓力F為6×107N，則水深H不能超過m.

圖3 攔河大壩示意圖

答案：ρLH2，5 N/kg，等價變換；海水；a；20.

說明：此題讓學生通過閱讀自學“魚缸側壁所受的壓力”的實驗過程，收集數(shù)據(jù)信息，歸納得出未學過的側壁壓力公式，并對這個新公式進行應用.這個過程中考查了學生運用“控制變量法”“等價變換法”的能力.

控制變量法的應用：通過表格中的數(shù)據(jù)，運用控制變量法，分別研究因變量與各個自變量的關系，最終進行歸納得出公式.

等價變換法的應用：將表格數(shù)據(jù)變成公式，由公式判斷圖像，這是在同一個知識的多種不同表現(xiàn)形式之間進行變換，考查了學生靈活運用信息的能力.

第3類：運用科學方法建構新概念的能力.

【例8】建構一個新物理量.

如圖4所示，選擇規(guī)定的淬火鋼球，給它加載壓力F，將它壓到被測試的材料表面，保持規(guī)定的時間后卸載壓力，就會在材料表面留下凹形壓痕.如果用S凹表示凹形壓痕的面積，用H表示材料的硬度，某次實驗中對一些材料的測試數(shù)據(jù)如表5所示.

圖4 用淬火鋼球壓被試材料

表5 不同被試材料、不同壓力對應的凹形壓痕面積

請你類比“壓強”這個物理量的建構過程，建構一個表示材料軟硬程度的物理量——硬度(H).請寫出該物理量的定義、定義式、單位.材料d的硬度為.a，b，c，d 4種材料的F-S凹圖像如圖5所示，其中表示材料d硬度的圖線是.

圖5 F-S凹圖像

說明：在上述新物理量建構過程中，學生運用了類比法、控制變量法、比較法、轉換法等多種科學研究方法.在判斷圖像問題中，運用了等價變換法、比較法、控制變量法等科學方法.

(3)考查學生在問題解決(創(chuàng)造)過程中對科學方法的實際應用能力

1)考查內容

該創(chuàng)造能力分為兩類：運用給定的科學方法進行創(chuàng)造設計的能力、進行自由創(chuàng)造設計的能力.

第1類：運用給定的科學方法進行創(chuàng)造設計的能力.給定一個或多個科學方法，讓學生運用該方法去解決問題.

第2類：進行自由創(chuàng)造設計的能力.給出要解決的問題，讓學生自由、綜合運用各種科學方法去解決.

2)典型題例

第1類：運用給定的科學方法進行創(chuàng)造設計的能力.

【例9】請你運用“缺點列舉法”和“組合法”解決下列問題.

現(xiàn)在，要到野外進行生存體驗，給你一把學生用的塑料刻度尺，請你找到它的3個不足之處，并進行一一改進，將其變成一把多功能刻度尺.

針對野外作業(yè)的特點，學生找到如下缺點：不能測量曲面、曲線；不能夜晚測量；老人眼花不宜看清刻度……

根據(jù)上述缺點，一一找到改進辦法：在刻度尺上固定一根線繩的一端，屆時可以先用線繩測量曲面、曲線，然后再將其沿刻度尺拉直即可讀數(shù)；在刻度尺上安裝一個小燈泡電路，夜晚就可以繼續(xù)測量；在刻度尺上安裝一個可以滑動的凸透鏡，屆時老人也可以看清讀數(shù)……

說明：上述題目的解決過程中，整體過程運用了“缺點列舉法”，去尋找缺點和不足，然后進行一一改進.在改進過程中，主要運用了“組合法”，通過刻度尺與其他物品的組合，解決和改進問題.

第2類：進行自由創(chuàng)造設計的能力.

【例10】問題解決——測量手鐲的密度.

有一只手鐲，想知道它的密度.現(xiàn)在給你一個水槽和足量的水、細線、刻度尺、一個正方體木塊.請你推導出測量手鐲密度的數(shù)學表達式，并說明測量步驟.(請你配圖說明)

思路：

F浮=ρ水gV排→V排=S(h2-h1)

推導過程：

測量步驟：

第1步：將木塊放入水槽中，用刻度尺測出它的下表面到水面的距離h1，如圖6(a)所示.

第2步：將手鐲放在木塊上，用刻度尺測出它的下表面到水面的距離h2，如圖6(b)所示.

第3步：用細線將手鐲系在木塊下方，然后放入水中，用刻度尺測出它的下表面到水面的距離h3，如圖6(c)所示.

圖6 測量手鐲的密度步驟示意圖