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

季衛新

(江蘇省南京市雨花臺區教師發展中心，江蘇 南京 210012)

1 問題的提出

最近,有不少教師向我請教這樣一個問題:在蘇科版初中物理教材第10章第4節“浮力”的“學生實驗:探究影響浮力大小的因素”中,[1]如何設計實驗探究方案比較好?又該如何設計實驗探究方案來對“浮力與深度是否有關”這個難點進行有效突破?

關于“浮力與深度是否有關”這個話題,近來經常出現在一些中考物理試卷或者學習輔導資料上,并一直在困擾著一線初中物理教師．對于學生而言,體現了對于“科學探究”的過程和方法的理解和應用;對于教師而言,凸顯了核心素養的“學科思維”和對教材的理解、教學設計的思考;對于教學資料編寫者到中考命題者,反應了創新意識和“導向”功能．殊不知,如果這個問題本身就是一個“偽命題”的話,那又該如何處理呢?

2 有關背景研究綜述

2.1 難點產生的原因

羅國忠[2]通過分析全國教學比賽錄像的教學片段,發現浮力難學難教有兩大原因: 一是教師受教材束縛,罔顧物理事實,用自己的片面認識去扭轉學生的片面認識;二是教師本位思想作祟,應變能力不強,回避或強扭學生的思想．

羅老師指出,“對浮力與深度的關系的探究, 還是缺乏有效的突破方法,依然是教學難點”． 分析得到兩大原因的共同核心是漠視學生認知．常見的錯誤做法有:堵住學生嘴巴,避談深度;堵不住學生嘴巴,但充耳不聞;錯誤方法引導,學生一頭霧水;預設軌道過窄,生拉硬拽學生．

針對以上問題,羅國忠分別就具體案例給出了具體的改進建議,并提出觀點:教師只有真正以學生為主體,按照學生的認知規律去教學,才能讓學生學會、會學、樂學．

2.2 思維錯誤的校正

胡廣形[3]認為,針對學生“浮力與深度有關”的質疑,教師可讓學生畫圖來說明．如圖1所示,學生通過畫圖暴露出錯誤思維,從而產生認知沖突,通過點撥,最后由學生總結出:“當物體沒有全部浸沒時,浮力與深度有關;當物體全部浸沒時,浮力與深度無關”.

圖1

胡老師提出,可以通過以下兩條路徑來進行“錯誤思維的校正”:一是運用科學探究思想,理解“浮力與深度無關”．二是通過兩個創新探究方案,證明“浮力與深度無關”——在不完全浸沒時,改變深度時,控制排開體積相同;在不完全浸沒時,改變排開體積時,控制深度相同．從而得出“不管是否浸沒,浮力都與深度無關”的結論.

2.3 設計探究的方法

張向陽[4]認為,在常規實驗中,當物體浸沒前,物體在液體中深度增加時,卻沒有控制V排這個影響浮力的變量保持不變.隨著物體深度的增加是表面現象,實質是由于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生改變時,來探究浮力是否改變呢?

圖2

針對“物體在浸沒前浮力是否隨深度而發生變化”,提出了以下兩種方法:彈簧測力計法(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.

圖3

3 為何這是一個“偽命題”

初中物理課堂教學中的“科學探究”基本實驗方法就是“控制變量法”,其核心思維就是:當一個物理量P與多個因素(變量)Y1、Y2…Yn有關時,為了探究它們之間的關系,每次只能有一個因素(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,無論是學生、教師、教學資料編寫者或中考命題者,幾乎都沒有意識到一個核心的問題:“控制變量法”無論是需要改變的、還是需要控制的,都應該是真正的“因素(變量)”．如果某個“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”來進行所謂的“科學探究”,這本身就是一個“偽命題”了．

案例1.關于蘇科版初中物理教材第11章第1節“動能、勢能、機械能”的“活動12.1:探究動能大小與哪些因素有關”,[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題節選)如圖4所示,在探究物體動能的大小與哪些因素有關時,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

本實驗探究的是________(木塊/小車/斜面)的動能與________的關系,實驗中是通過觀察________來比較動能大小的.

例2.(2017年四川省雅安市中考物理試卷第20題節選)在探究“物體的動能跟哪些因素有關”的實驗中,李瑞提出了如下猜想:……

于是設計了如下的探究實驗: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、質量分別為m1和m2的鐵球各1個,質量為m1的鋁球1個,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水平面的________．

點評： 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,由實際情況來看,有較多的考生認為是“高度”．這兩題的答案為什么是“速度”而不是“高度”呢?教師、教學資料編寫者或中考命題者,都清楚地知道“高度”只是“表面現象”,只是用來改變“速度”的方式或手段,而不是最終的目的．所以,教師會指導學生“透過現象看本質”,其本質——“因素(變量)”——是“速度”而不是“高度”．

如果設置這樣一個“命題”:探究物體的動能與高度是否有關?你有什么感覺．是的,你會說這是不對的,因為這就是一個“偽命題”,根本“就不應該是一個問題”．

事實上,文首綜述的3位作者也好,眾多的初中物理教師也罷,都能明確并能達成的一個共識就是:無論是物體浸沒前還是浸沒后,表面所看到的“深度”這個“變量”,并不是其本質．透過現象看本質,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”,其實質只不過是改變“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”其本身就是一個“偽命題”,那么我們再去研究如何突破教學難點、如何設計創新實驗、甚至試圖讓學生理解這個問題,其本身就是一個“問題”．這是沒有任何實際意義的,甚至,是曲解了“科學探究”的思維本質的．

4 由此想到的

由此,就初中物理課堂教學中的“科學探究”,筆者想到了兩個問題.

科學探究的7個要素之一“作出猜想”,應該如何進行?是建立在一定的生活體驗或現實情境的基礎上進行“有依據的判斷”?還是“毫無限制”、“天馬行空”式的“瞎想”?

課堂教學中的科學探究與試題中的科學探究是否一樣?應該踐行“真探究”還是進行“偽探究”?

4.1 應該如何進行“科學猜想”

科學探究的核心思想就是針對所提出的問題,就可能的原因(因素)進行“猜想”,然后設計、進行實驗,根據實驗現象或采集的數據進行分析、論證,從而判斷猜想是否正確．如果猜想正確,又具有什么樣的數學關系．

為了培養學生的“科學思維意識”,提升學生“科學思維能力”,我們應該引導和培養學生進行“科學猜想”．“科學猜想”要求學生依據一定的生活體驗或現實情境的基礎上進行“有依據的判斷”,而不是“毫無限制”、“天馬行空”式“瞎想”．

為此,教師在讓學生“作出猜想”之前,要創設合適的情景幫助學生“回憶”相關的生活體驗和現象．如果學生不具有對應的基礎,則必須通過實驗、活動或者圖片、視頻等形式,向學生展示相關情景．當學生作出一個猜想后,追問一下“你的依據是什么”．很多時候,學生未必就能猜想正確或者表述規范,但是,長期以往,對于培養學生的“核心素養”和“科學思維”卻是大有裨益的．

4.2 應該如何進行“科學探究”

就初中物理“科學探究”而言,目前的現狀不容樂觀,“偽探究”占據了主流思想,“真探究”有點“邊緣化”了,這是非常危險的．

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

圖6

(1) 為了測量物體受到的滑動摩擦力,應當用彈簧測力計沿水平方向拉著物塊在同一水平桌面上做________運動.

(2) 小明根據圖(甲)、(乙)得到了實驗的結論,支持該結論成立的現象是________.

(3) 小明想知道實驗所用鐵塊和鋁塊的下表面哪個更粗糙,對比(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.

點評： 此題關注點在于第(3)問,其答案設置為“能”還是“不能”,將會體現命題者是“真探究”還是“偽探究”．

因為考生可以由此題的第(2)問得知“結論1”:當接觸面粗糙程度相同時,滑動摩擦力的大小與壓力有關,且壓力越大滑動摩擦力越大．但是,由于試題沒有進行“滑動摩擦力大小是否與接觸面粗糙程度有關”的探究,所以沒有任何現象或者數據來支持“結論2”:“滑動摩擦力大小與接觸面粗糙程度有關,且接觸面越粗糙,滑動摩擦力越大”．

由于不知道摩擦力與粗糙程度的關系——如果有關,是“越大越大關系”還是“越大越小關系”,因為不知道,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“結論2”跳過實際探究作為課堂已學的已知條件來使用,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到未經探究,不能使用“結論2”,那么這就是“真探究”了．

案例3.(2013年某市中考物理試題)甲、乙兩位同學做“探究物體所受重力的大小與質量的關系”實驗．

圖7

(1) 如圖7所示,甲同學用彈簧測力計測量鉤碼所受重力大小,讀數時他讓鉤碼保持靜止狀態,根據

________

知識可知,此時鉤碼所受的重力大小和它受到的拉力大小相等．他分別測出1個鉤碼、2個鉤碼、3個鉤碼的重力大小后,根據實驗數據得出結論:物體所受重力的大小與它的質量成正比．

(2) 乙同學取了質量不同的蘋果、小木塊、小鐵球各1個,并分別測出它們的質量和重力,來探究物體所受重力大小與質量的關系,你認為乙同學的做法________．

(A) 不合理,因為他沒有用同種物質的物體做實驗.

(B) 不合理,因為他沒有使物體的質量成整數倍變化.

(C) 合理,因為他同樣可以得到的物體所受重力大小與質量的關系.

(D) 合理,因為他的操作比甲同學更簡便.

點評： 此題第(1)問是課本“活動8.3:探究物體所受重力的大小與質量的關系[1]”的內容．對于第(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置為“(A)”,則意味著“物體的重力不僅僅只與質量有關”,可能還與物體的密度、現狀等因素有關．由于之前沒有對“密度”進行探究,無法排除這個因素,那么,依據“控制變量法”的要求,在“探究物體所受重力的大小與質量的關系”時,我們理應需要“控制密度不變”,這符合“真探究”的本質內涵．

如果命題者把答案設置為“(C)”,則意味著“物體的重力只與質量有關”．在沒有實際探究的情況,就根據課本已經學習的內容來進行“探究”,就有了“偽探究”之嫌了．

5 結束語

“科學探究”是科學家們解決問題的基本方法.對于初中學生來說,學習“科學探究”,了解科學探究的7個要素(環節),以及掌握“控制變量法”,其主要目的就是經歷“科學探究”的過程,掌握科學探究的基本方法,能實際地解決一些與生活、社會有關的簡單問題,并在此過程中能培養自己的“核心素養”、提升自身的“思維能力”,同時也能認識到“科學探究并不是只是科學家才能做的”．

“隨風潛入夜,潤物細無聲”,對于初中物理教育工作者而言,如何使得“真探究”在課堂教學、試題命制等環節中“落地生根”,將是一個較為長期而又現實的問題．