定性與定量結合　培養學生科學思維

陳銘　侯恕

摘 要：本文以“浮力”一節為例，介紹了新授課與習題課中如何將定性分析與定量分析結合：新授課中將實驗觀察與理論推導結合、習題課中一題多解，以期將培養學生科學思維落實在課堂教學中.

關鍵詞：定性分析;定量計算;科學思維;物理教學

文章編號：1008-4134（2019）14-0039中圖分類號：G633.7文獻標識碼：B

《義務教育物理課程標準（2011年版）》第二部分“課程目標”中指出“義務教育物理課程旨在提高學生的科學素養，讓學生養成良好的思維習慣，在分析問題和解決問題時嘗試運用科學知識和科學研究方法”[1] .《普通高中物理課程標準（2017年版）》的“課程目標”中指出“高中物理課程應在義務教育的基礎上，進一步促進學生物理學科核心素養的養成和發展”.科學思維是物理學科核心素養四個方面之一，主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素.要求學生“能運用科學思維方法，從定性和定量兩個方面對相關問題進行科學推理、找出規律、形成結論”[2].

課堂教學中，教師要關注對學生科學思維的培養.筆者在教學過程中發現：初中教學偏于定性分析，高中教學偏于定量計算.著名心理學家皮亞杰的兒童認知發展階段論提到兒童的思維從表象思維發展為具體運算思維又發展為形式運算思維，其中也包含形象思維向抽象思維的轉變.然而形象思維與抽象思維并非單獨發展的，定性分析與定量計算也不一定單獨存在，教師要在實際教學中將定性分析與定量計算結合，引導學生全面發展形象思維與抽象思維，從而培養學生的科學思維.

筆者將以“浮力”一節為例，介紹在新授課與習題課中，如何靈活運用科學思維方法，將定性分析與定量分析結合，培養學生的科學思維.

1 新授課中，從實驗到理論，進行科學推理

“浮力”一節新授課中，教學重點與難點是浮力大小的影響因素.本部分教學內容可通過探究實驗進行定性分析，再根據浮力的產生原因進行定量計算，從定性和定量兩個方面對這一問題進行科學推理，得出結論.

1.1 實驗探究浮力大小與哪些因素有關

實驗目的：用常見、簡單的實驗器材，讓學生感受并探究影響浮力大小的因素.

實驗器材：小水桶、水、乒乓球、石塊、彈簧測力計、洗衣粉.

教學過程：

師：請同學們將乒乓球放入水中，向下壓乒乓球，感受下壓的難易程度.

（學生開始操作，如圖1所示）

師：有什么感受？

生：剛開始，越向下壓越難壓，后來，再向下壓的難度不再增大.

師：“剛開始”是什么時候？

生：乒乓球沒有到水下時.

師：很好，我們將其稱為“浸沒前”.

師：感受到了浮力的大小變化，如何對它進行測量呢？

生：用彈簧測力計測量浮力的大小.

師：用彈簧測力計向下拉乒乓球嗎？可是彈簧測力計浸在水中，會被損壞.

生：那不能向下拉彈簧測力計，要讓彈簧測力計向上拉，那就不能測量乒乓球受到的浮力了，可以測量下沉物體的浮力.

師：現在老師給大家每組一個小桶和一些石塊，請大家繼續探究浮力大小與什么因素有關.

（各組學生開始操作，如圖2所示）

師：請各組跟大家分享一下本組的發現.

組1：將石頭掛在彈簧測力計下方，然后把石頭放入水中，由于石頭受到浮力，彈簧測力計示數變小，差值就是石頭受到的浮力.石頭越往下放，彈簧測力計的示數越小，說明石頭受到的浮力變大了.

組2：我們組也發現石頭越往下放，彈簧測力計的示數越小，但是石頭浸沒后，再往下放，示數就不變了，接觸到容器底時，示數突然減小.

組3：我們組發現，將石頭放入水中固定不動時，往水中加洗衣粉，彈簧測力計的示數變小，說明浮力變大.

師：很好.通過剛才的實驗和大家的分享，你有沒有發現浮力與哪些因素有關？

生：與物體浸入液體中的體積和液體的密度有關.

1.2 理論推導浮力大小與哪些因素有關

學生通過實驗探究浮力大小與哪些因素有關后，根據理論進行推導，驗證實驗結果，并進一步得到浮力與浸入液體的體積、液體的密度具有怎樣的關系.根據浮力的產生原因：物體上下表面的壓力差，以規則物體為例（如圖3所示），推導浮力的大小，過程如下：

由理論推導所得的結果可知，浮力大小與浸入液體中的體積和液體密度的關系為：F浮=ρ液gV浸

以上教學設計中，首先通過乒乓球的實驗，讓學生感受浮力的大小變化;然后用彈簧測力計，半定量分析浮力大小的影響因素;最后通過理論推導定量計算浮力大小的影響因素.從定性分析到定量計算，一方面，兩種探究方法相互驗證，找出規律，形成結論;另一方面，多角度培養學生科學推理與科學論證的能力，進而提升學生的思維能力.

2 習題課中，一題多解，多角度解決同一問題

習題課中，培養學生的科學思維，可從以下幾個方面進行：首先要挑選典型題，這一例題應包含具體情境，培養學生模型建構能力;然后剖析這一典型題，引導學生用多種方法對問題進行求解，靈活運用所學知識，綜合運用定性分析與定量計算，培養學生科學推理與科學論證的能力;最后將這一習題變形或運用習題中涉及的知識解決新的問題，考察學生解決問題的能力.以“浮力”一節中的一個習題為例，談談習題課中如何將定性分析與定量計算結合，培養學生的科學思維.

【原題重現】密度均勻的木塊漂浮在平靜的湖面上，切掉木塊在水面以下部分的一半，則剩余木塊將（選填“上浮”、“靜止”或“下沉”）.

【試題分析】本題考察物體浮沉條件.屬較難題.

筆者將本題作為例題在課堂上提出，學生經過思考討論后，形成了以下三種解法：

【解法一】

極限法：若將水面以下的部分全切掉，由于木塊與水密度不變，木塊密度小于水的密度，依舊為漂浮狀態，因此，木塊要下沉.

【解法一分析】

這一解法巧妙地考慮了極限的情況，學生調動了感性思維，運用了“感覺”.

【解法二】

定性分析：建立物理模型，如圖4所示.此時，木塊漂浮在水中，說明F浮=G;切掉木塊一部分，如圖5所示，圖中的棕色部分為切掉的部分，由密度關系可知，該部分木塊將上浮，說明該部分F浮>G;

原木塊F浮=G，切掉的部分F浮>G，則剩余部分F浮

【解法二分析】

此種解法調動了理性思維，三次運用物體的浮沉條件，定性分析，合理推理，得出答案.

【解法三】

定量計算：建立物理模型，如圖4所示.此時，木塊漂浮在水中，說明ρ物<ρ液，F浮=G;切掉木塊一部分后，木塊與水的密度不變，再次平衡時仍漂浮，F浮=G.用ρ液表示液體密度，V浸表示物體浸入液體中的

體積

【解法三分析】

此種解法將物理知識與數學知識結合，定量計算，科學推理，得出結論.

綜合分析三種解法，三種解法由感性認識到定性分析到定量計算，思維層次在逐漸上升，逐步從形象思維發展到抽象思維.如果學生能夠用這三種方法理解此題，無疑對于科學思維的培養是有益的.下面就課堂實際情況進行介紹：

解法一是學生最先想到的，且有六人在題目給出約10秒后，便給出這一解法.其中一人講解后，全班同學均能接受，表示贊同;

學生思考一段時間后，有兩名同學用解法三解出答案，這兩名同學的思維較活躍，其中一名同學進行講解后，約三分之一的同學不能理解此種解法.

沒有同學想到解法二，但筆者沒有直接進行講解，而是對題進行了改編，改編題為：如果物塊的上方少了一塊，物塊將上浮還是下沉呢？為什么？此時，一半以上的同學都能答出物塊將上浮，且多數同學的原因都是：原來F浮=G，現在F浮=ρ液gV浸不變，而G減小，故F浮>G，物體將上浮.根據這一思路，思考原題，便有同學想到了解法二.

對這一例題結合定性分析與定量計算，多角度的分析與求解，有助于活躍學生的思維，培養學生從定性與定量兩方面進行科學推理與科學論證，解決問題.

3 總結

除本節課外，中學物理教學中還有許多知識的建立過程包含定性分析與定量計算，比如：定義壓強時，先通過實驗探究壓力作用效果與什么因素有關，然后再進行定量計算;描述物體運動快慢時，先通過感性認識快慢，再定量計算速度的大小;得出歐姆定律時，先探究電流與電壓的關系，再用公式描述它們之間的定量關系……但有的問題無法給出具體的數值，只能半定量地判斷大小變化，例如法拉第電磁感應定律中的磁通量.教學過程中，教師應多角度分析同一問題，培養學生的科學思維.

中學生處于思維能力發展的關鍵時期，教師應使學生思維盡可能活躍，避免使思維僵化，形成“解題”思維.新授課中，應結合定性分析與定量計算，從實驗觀察與理論計算兩個角度進行論證，得出結論;習題課中，要對習題進行開發，用多種方法求解典型題，少總結套路，多發散思維，從而培養學生模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等能力.

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2011年版）[M].北京： 北京師范大學出版社，2012.

[2]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[M].北京： 人民教育出版社，2018.

[3]張建斌， 柴春琪. 問題解決循環模式下的高中物理一題多解[J].物理通報， 2015（08）：29-34.

[4]肖麗英. 從定性感知走向定量描述 讓思維發展從元認知出發[J].物理教師， 2015， 36（04）：27-29.

[5]李正福， 谷雅慧. 論物理核心素養視野下的科學思維教育內容[J].課程·教材·教法， 2018， 38（02）：97-101.