科學探究中培養學生的分析與論證能力

楊連武

(濟寧學院物理與信息工程系 山東曲阜 273155)

分析與論證是科學探究要素中的一個重要要素,也是貫穿科學探究整個過程中的一個必要因素.培養學生的分析與論證能力,不僅強調分析與論證要素中對學生分析與論證能力的作用,還要把學生分析與論證能力的培養貫穿到科學探究整個過程中.

1 分析與論證解讀

分析與論證是一個因素的兩個方面,一個過程的兩個階段.分析就是對現有的資料和數據進行分類、整理,通過比較、分析、歸納、概括等思維方式,尋找在這些現象背后的規律和實質.論證就是把現有的資料、數據和猜想與假設聯系起來,看這些事實與猜想與假設之間究竟有沒有關系,有什么樣的關系,能否通過這些資料和數據證明或者證偽猜想與假設.分析是論證的基礎,通過分析整理數據、理清思路,尋求最可能的結論.論證是分析的必然結果,分析的目的和性質必然為論證服務,以取得數據和事實的支持,證明或者證偽假設.

從分析與論證的性質上可以把分析與論證分為定性分析和定量分析.定性分析就是在分析問題時,盡量將問題簡化,拋開那些無關緊要的非本質的東西,不用計算就得出所研究問題的各種量之間的粗略關系,顯示該現象的物理景象.定量分析就是考慮各種數據和事實,利用數學的方法,得到所研究問題的各量之間的關系,形成一個明確的公式.從分析和論證的手段上可以把分析與論證分為理論分析和實驗分析.理論分析就是在現有事實基礎上,利用已有的理論或者規律,通過邏輯推理得出所研究問題各量之間的關系.實驗分析就是利用做實驗的方法收集資料和數據,通過對數據和資料的分析、判斷,得出所研究問題各量之間的關系.在實際應用中我們常常把定性分析和定量分析,理論分析和實驗分析結合起來.

2 科學探究過程中培養學生的分析與論證能力

在科學探究的思維活動中,除了經驗和已有知識的提取和回憶,以及一些直覺和靈感外,主要的就是不斷的分析與論證等邏輯思維,因此我們要抓住科學探究各環節的分析與論證過程,培養學生的分析與論證能力.

2.1 分析與論證問題的價值性,形成分析與論證的意識

提出問題是科學探究的第一個環節.在科學探究中,教師千方百計的創設各種各樣的情景,讓學生發現問題、提出問題;但是學生往往提出一些沒有價值或者與主題無關的問題,對此我們又不能置之不理,這就需要對提出的這些問題進行分析與論證.如在研究自感現象時,教師通常會讓學生并聯到連有一個線圈、一節電池的電路中,通電斷開開關的瞬間,學生會發出痛苦的聲音.對此情景學生往往會提出:人體導電能力有多強?多大電流對人體造成傷害?為什么一節電池產生的電流會使人疼痛等問題.這個情景突出的是本來不會對人體造成任何傷害的一節電池,在接上了一個線圈后對人體造成傷害.在和電磁感應等相關知識聯系起來之后,我們得出前兩個關于人體導電的問題不是這個情景所要提出的問題.有價值的問題是第三個,把這個問題和產生現象的條件聯系起來,就是這節課所要探究的問題.

2.2 分析與論證猜想與假設的可能性,養成分析與論證的習慣

我們可能就一個問題的結論有很多個猜想與假設,在實際的科學探究中,我們不可能也沒有必要對所有猜想與假設都進行探究,這就需要對這些猜想與假設進行分析與論證,排除掉一些不相關的猜想與假設.例如,在探究拋體運動時,根據我們的經驗,拋體的初速度影響拋體運動,重力使拋體回到地面上,拋體落地的遠近與地球的大小有關.忽略空氣阻力和地球的自轉因素后,我們猜想影響拋體運動的主要因素可能有:地球半徑R、物體的質量m、重力加速度g以及拋體的初速度v,對于這些猜想的可能性我們可用量綱分析的方法來分析與論證一下.首先找到研究運動的兩個最基本的物理量:時間和空間,從量綱分析上來看,四種猜想的量能組成三種以時間為量綱的組合,即,m沒有進入式子,說明物體的質量是不會影響拋體運動的.和三種時間量綱對應的三種空間量綱,即R,對于地面上的拋體運動,其運動的高度和是相當的,和地球半徑 R,以及 v相差較大;由此可以得出影響拋體運動的主要因素可能是重力加速度和拋體的初速度.

2.3 分析與論證方案的可行性,培養全面、綜合的分析論證能力

方案是對科學探究的整體設計與規劃,方案中采取的思想、方法要科學合理.如果按這個方案進行實驗或者探究,實驗得到的數據和資料是否客觀、準確,資料的描述和記錄是否便于得出結論等等,這需要對探究的方案進行論證和分析.例如,研究加速度和物體受力定量關系的實驗,有同學設計了如下方案.每次用質量不同的砂桶拖動小車加速前進,在每次實驗中測出砂和砂桶的質量、小車的質量以及小車的加速度,并據此確定加速度和物體受力的定量關系.方案中運動物體包括沙桶和小車,運動物體的質量和所受的外力隨著沙桶質量的改變同時改變.因此,我們無法從實驗結果中確定物體加速度的改變到底是由什么因素引起的,該方案不符合“控制變量法”的設計思想,不可行.

2.4 分析與論證資料的規律性,掌握分析與論證的技巧與方法

無論是定性分析還是定量分析,理論分析還是實驗分析,對數據和資料的分析論證、得出結論的過程是需要一些方法和技巧的.學生要在學習的過程中通過自己的練習和老師的指導逐步的掌握這些技巧和方法.例如,對楞次定律的探究,我們通常采用表格來進行分析和論證,但是表格的設計如果不合理就會給學生的分析和論證帶來困難.如有的表格設計如表1.

表1

學生在分析此表時,由于涉及的內容較多,往往不知道如何歸納總結結論.針對這個問題,我們在設計表格時可以增加一欄,“感應電流磁場方向與原磁場方向的關系”.通過這一欄的分析,有時相同,有時相反,就把需要總結的四種情況簡化為兩種情況了.怎樣把這兩種情況總結為一條結論,學生在深入分析時往往在“阻礙”二字上出現思維障礙,其原因在于探究中的方向和目標不明確.為了解決這一難點,在上述表格基礎上,對學生提出如下問題:原磁場磁通量出現何種變化時,感應電流的磁場方向和原磁場磁通量方向是相同的?原磁場磁通量出現何種變化時,感應電流的磁場方向和原磁場磁通量的方向是相反的.有了這樣一個引導,學生的思維便有了方向,他們的分析就不會停留在尋找感應電流的磁場方向和原磁場方向關系上,而是深入到感應電流磁場和原磁場磁通量的依存關系上,從而順利得出結論.

2.5 分析與論證結論的科學性,提高對結論進行解釋和說明的能力

科學探究形成的結論是否科學,是否是現象、數據所反映的本質和規律,這需要利用已有的知識和方法對其進行分析和論證.同時,通過對結論的分析和論證可以提高學生對結論的理解和把握.

2.6 展示、交流分析與論證的過程,借鑒別人分析與論證的思想與方法

在分析與論證同一個問題時,不同人采用的思想方法可能不同.通過了解別人分析論證的思維過程,和自己的比較,可以看出不同思想方法的優缺點,為以后更好的分析論證提供好的思想方法.

探究關于真空中所有物體下落的是否同樣快,有二種方法.第一種方法 ——悖論法.假設重的物體下落的快,當把輕的物體和重的物體綁在一塊時,一種情況是兩個物體的重量更大,應該下落的更快;另一種情況是下落得快的物體被下落得慢的物體阻擋,兩個物體下落應該變慢.同一個問題出現相矛盾的兩種情況,假設錯誤.第二種方法 —— 實驗法.把不同重量的物體放入抽成真空的玻璃管中,讓物體下落,通過觀察得出真空所有物體下落的同樣快.

這二種分析論證的方法都是科學的,但是不同方法的作用和思維方式不同,各有利弊,我們可以根據具體情況靈活應用或者結合起來運用.

2.7 反思、總結分析與論證的各過程,全面提高分析論證能力

在每次的分析與論證過程結束后,都要求學生反思、總結一下,看看分析論證的思路是怎樣的,采取的方法是否合理,資料是否充分,過程是否嚴謹,得出的結論是否科學.經過長時間的不斷反思、總結,學生的分析論證能力就會全面的提高.