1、物理科学探究实验过程中如何进行分析与论证江苏省宜兴市实验中学 顾雪英关键词：科学探究 分析与论证 现象 数据 图象摘要：科学探究的形式是多种多样的，其过程环节为：提出问题、猜想与假设、制定计划与设计实验、进行实验与收集证据、分析与论证、评估、交流与合作。初中阶段，分析与论证简单地说就是要求学生能对探究过程中得到的信息进行分析，得出正确的结论。分析每一类信息时都有一些特殊的方法。如分析现象信息类问题的方法主要有归纳、比较和推理；数据类信息问题解决的方法一般先进行定性分析，然后再进行定量分析；图像类信息问题主要采用从形到点的分析。下面从几方面具体说明。一、分析现象，得出结论。一般认为，“物理问题”
2、是从“物理现象”抽象、归纳出来。学生如何分析物理现象找到相应的“物理问题”？二、分析数据，得出结论。对实验数据不仅要学会从定性分析中找到规律，也要在定量分析中找到更明确定量关系。三、分析图像，得出结论：图像是一种丰富的语言，能直观形象反映物理规律或物质的某一特性。我们要学会如何分析图像得出结论。图像类信息主要采用从形到点的分析。初中物理课程标准中倡导的“科学探究”其中很重要的内容就是“探究性实验”，它是在学生不知道相关知识，尤其是不知道各物理量之间有何关系的前提下，让学生通过一个科学探究性实验来完成求知的过程。这样，将学生学习的重心从过分强调知识的传承和积累向知识的探究过程转化，从学生被动接受
3、知识向主动获取知识转化。同时，在科学探究活动中，让学生通过经历与科学工作者进行科学探究时的相似过程，学习物理知识与技能，体验科学探究的乐趣，学习科学家的科学探究方法，领悟科学的思想和精神即培养学生的科学探究能力，实事求是的科学态度和敢于创新的探索精神。在初中物理课程各部分内容中都安排了一些典型的科学探究实验。科学探究的形式是多种多样的，其过程环节为：提出问题、猜想与假设、制定计划与设计实验、进行实验与收集证据、分析与论证、评估、交流与合作。科学探究能力的培养体现在科学探究各个环节中。其中课程标准就科学探究“分析与论证”这一环节对学生科学探究及物理实验能力的基本要求是：对实验数据进行分析处理；尝
4、试根据实验现象和数据得出结论；对实验结果进行解释和描述；认识在实验中进行分析论证是很重要的。那么，在科学探究实验中，如何引导学生正确的进行分析论证呢？根据自己多年的教学实践，我从初中物理新教材中，总结了一些有关分析与论证这一环节的方法。初中阶段，分析与论证简单地说就是要求学生能对探究过程中得到的信息进行分析，得出正确的结论。物理探究实验过程中得到的信息可分为：现象、数据、图像。分析每一类信息时都有一些特殊的方法。如分析现象信息类问题的方法主要有归纳、比较和推理；数据类信息问题解决的方法一般先进行定性分析，然后再进行定量分析；图像类信息问题主要采用从形到点的分析。下面从几方面具体说明。一、分析现
5、象，得出结论物理与生活息息相关，生活中的许多神奇的现象都能用物理知识。在自然界和生活中，有许多需要我们探究的物理现象。一般认为，“物理问题”是从“物理现象”抽象、归纳出来。所谓物理现象是指自然(科学)界及生活、生产、科研中客观存在的，未被加工的实际问题。而“物理问题”是指从实际问题中分解、简化、抽象，经过加工出来的共性问题。学生如何分析物理现象找到相应的“物理问题”？在物理探究过程中，经常会遇到一些类似的物理现象，例如：生活中有许多相似的现象值得我们思考:湿衣服在夏天容易干,粮食晒在阳光下干得快,炒菜前将锅放在火上可使剩水很快变干, 从这类些现象中你能得出什么结论?只要引导学生找出关键的点：“
6、夏天”“容易干“；“阳光下”“干的快”；“火上”“很快变干”，由“夏天”“阳光下” “火上”归纳到温度，“容易干”“干的快” “很快变干”归纳到蒸发，因此从这些现象中不难得出：液体温度越高，蒸发越快。在引导学生得出结论过程中，找到现象的共同特征。而把一类现象的共同特征，概括总结出来的方法是归纳法。它在在分析物理现象时是种常用的方法。但有些物理现象并不能直接从表象中归纳出结论，而应该透过现象看本质。例：伽利略的斜坡实验。由实验现象，可以得出什么结论呢？我们通常会这样分析：比较三个实验条件：同样的小车，同样的斜面，同样的高度滑下，唯一不同的是平面的光滑程度，而导致的实验现象是三个小车最后停止的位置
7、不同，越光滑的平面，小车滑过的距离越远。由此，我们可以归纳出小车受到摩擦力的大小跟接触面的光滑程度有关，且接触面越光滑，摩擦力越小。但对实验结论的探讨并非到此为止，我们要进行更深一步的研究。如果实验是在理想情况下进行的，及对实验条件进行“终极”假设，推导出：如果运动的小车不受摩擦力作用，它将一直匀速运动下去。即：力是改变物体运动状态的原因。引导学生比较实验条件的基础上，进一步理想化实验条件进行“终极”推导，最后归纳得出实验结论，此方法为推理法。在分析一些特殊的物理现象时用这种方法。初中教材中还有一个实验也使用了此方法。在探究“声音的传播”一个实验中，玻璃罩内的闹钟逐渐抽出空气，根据声音的变化，
8、引导学生作出推理：真空不能传播，声音需要介质传播。往往这类实验真正实验过程中，受到实验条件的限制，不可能在理想的条件进行实验，只能根据实验条件的趋势进行推理。在上面两种方法中也用到了比较的方法。比较法也是分析与论证这一环节中的常用方法。它不仅用在分析物理现象中，还可以用在分析数据、和图象中。二、分析数据，得出结论在探究过程中除了得到一些现象，也会得到许多数据。因而，我们也要学会如何分析这些数据。当然，分析数据也有一些方法。例如：小明和小芳为了“探究泡沫塑料和棉絮的保温性能好坏”，两人设计并做了一个实验。他们分别取大小、厚度相同的泡沫塑料和棉絮包着装有热水的密闭烧瓶，让她们自然冷却，利用温度计和
9、计时器定时测量两烧瓶中的水温随时间变化的情况。实验测得的时间与温度数据填在下列表格中：时 间 t/min 0 10 20 30 40 150 180泡沫塑料组水温 T1/ 80 64 55 50 46 21 20棉絮组水温 T2/ 80 56 43 32 23 20 20分析上表数据可以得出的实验什么结论呢？首先我们可以引导学生对数据进行定性分析：从总体来看，两组数据都随着时间的推移，水的温度逐渐下降；两组数据比较后不难看出，用泡沫塑料包裹的烧瓶中的水的温度下降的慢，由此可得出：泡沫塑料的保温性能比棉絮好。有些实验数据只可以得出定性结论，但有些实验数据中有明确的定量关系。所以，对实验数据不仅要
10、学会从定性分析中找到规律，也要在定量分析中找到更明确定量关系。如：小明在“探究电流与电压、电阻的关系” 的过程中，得到下面的数据：表一：R 一定 表二：U 一定U/V 2 4 8I/A 0.4 0.8 1.6首先对上面的数据进行定性分析：表一中，电阻一定，电流随电压的增大而增大；表二中，电压一定，电流随电阻的增大而减小。接着进行定量分析：观察表一中数据可以发现，电压从 2V4V8V，电压以 2倍的比例增大，电流从 0.4A0.8A1.6A，电流也以 2 倍的比例增大，所以，电阻一定时，电流与电压成正比。根据已有的数学基础，学生可以列出公式I=KU，其中 K 为比例系数。然后任取一组数据，如“2
11、V 0.4A”代入公式，计算得出 K=0.2，即 I=0.2U；表二中，电阻从 51020，电阻以 2 倍的比例增大，电流从 0.4A0.2A0.1A，电流以 1/2 的比例减小，所以，电压一定时，电流与电阻成反比。根据已有的数学基础，学生可列出公式 I=K/R，其中 K 为比例系数。然后同上方法，任取一组数据代入，可得出 K=2，即 I=2/R。对物理探究数据进行定量分析时会发现物理量之间可能是正比关系，反比关系、平方成正比关系，立方成比关系等，很多种情况。这和数学的有些探究实验中得到的数据并不是所有的都有定量关系，有时只在一定范围内存在定量关系。如：在探究弹簧伸长与拉力关系的实验时，分析得
12、到的数据，得出结论时，必须在定量关系前加上条件，即在一定范围内或在弹簧的弹性限度内。我们用比较法对各类数据进行定量或定性的分析，其实有许多数据还可以直接用图像表现出来，这样更容易更全面进行分析。三、分析图像，得出结论：图像是一种丰富的语言，能直观形象反映物理规律或物质的某一特性。我们要学会如何分析图像得出结论。图像类信息主要采用从形到点的分析。例如：在描绘了某物质在物态变化过程中，温度随时间变化的图象，从该图像上你能看出什么信息？首先引导学生看图线整体的形状，温度随加热时间的延长先升高，中间有一段时间保持不变，然后在继续升高。结合物态变化的温度特点，可得出：这属于晶体的熔化。然后再看图像中 B
13、 点到 C 点保持 60不变，可得出该晶体的熔点为 60；起始温度为20；加热至 12min 时温度为 80；R/ 5 10 20I/A 0.4 0.2 0.1又如：为了研究物质的某种特性，某小组同学分别用三种不同的液体做实验。实验时，用量筒和天平分别测出甲、乙、丙三种液体不同体积时的质量，记录了有关数据，并依据数据作出了质量与体积关系的 mV 图象。请你根据图象归纳出物质具有怎样的特性?首先引导学生观察单根直线的变化趋势，可得出：同种物质，质量与体积的比值相同；接着让学生观察一些特殊点如：点 B、D、G（三直线上体积相同的点）或点 A、D、H（三直线上质量相同的点）可以得出：不同种物质质量与体积的比值不同。在物理探究实验过程中得到的信息，并不是千篇一律，而是千变万化的，分析这些信息的方法也有许多。因而，在分析物理探究过程中的各种信息时，可根据具体情况选用适当的方法，才能得出正确的结论。参考文献：教育部基础教育司组织编写的走进新课程-与课程实施者的对话,北京师范大学出版社2002 年 4 月版.廖伯琴,陈峰等编著的中学物理课程改革的目标与实施,高等教育出版社,2003 年 8 月版.廖伯琴主编的物理探究式教学设计与案例分析.高等教育出版社,2003.12.刘炳升主编的中学物理实验教学与教具设计上海教育出版社,1999 年 8 月出版.
