高中生控制變量推理能力的分析與培養(yǎng)

【摘要】控制變量推理在科學(xué)研究和物理教學(xué)中均具有重要地位，但是通過(guò)LCTSR問(wèn)卷測(cè)評(píng)發(fā)現(xiàn)，高一學(xué)生的控制變量推理能力比較薄弱.本文通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，明確控制變量推理的內(nèi)涵，梳理人教版普通高中物理教科書中控制變量推理的內(nèi)容，提出提高學(xué)生控制變量推理能力的相應(yīng)策略，以達(dá)到提升高中學(xué)生物理核心素養(yǎng)的目的.

【關(guān)鍵詞】高中物理;推理能力;學(xué)生培養(yǎng)

教育部2017年頒布了《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》并于2020年進(jìn)行修訂.其中指出了物理核心素養(yǎng)包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個(gè)方面，科學(xué)推理是“科學(xué)思維”素養(yǎng)的要素之一，控制變量推理又是科學(xué)推理的重要組成部分［1］REF_Ref101560691＼w＼h.因此，發(fā)展學(xué)生控制變量推理能力，是提高學(xué)生物理學(xué)科能力、培養(yǎng)物理核心素養(yǎng)的必然要求.控制變量推理在科學(xué)研究和物理教學(xué)中均具有重要地位，能夠幫助學(xué)生在科學(xué)研究中對(duì)多個(gè)變量進(jìn)行隔離控制，將多變量問(wèn)題轉(zhuǎn)化成單變量問(wèn)題，是解決復(fù)雜問(wèn)題的有效途徑.控制變量推理在教材中出現(xiàn)的頻率較高，涉及識(shí)別變量、控制變量以及歸納分析各個(gè)因變量間的關(guān)系，大多數(shù)以隱性方式出現(xiàn)，這反映了高中物理對(duì)學(xué)生控制變量推理能力的需要，同時(shí)也為培養(yǎng)學(xué)生的控制變量推理能力提供了廣闊的空間.通過(guò)科學(xué)推理測(cè)評(píng)工具LCTSR量表對(duì)聊城市莘縣某高中的學(xué)生進(jìn)行測(cè)評(píng)發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)簡(jiǎn)單的控制變量推理掌握較好，但是對(duì)于復(fù)雜的控制變量推理，錯(cuò)誤率較高，說(shuō)明學(xué)生頭腦中有控制變量的思想，但未明白其內(nèi)涵.因此，明確控制變量推理的內(nèi)涵，分析教材中蘊(yùn)含控制變量推理的內(nèi)容，并為控制變量推理在物理教學(xué)中的應(yīng)用提供建議具有非常重要的意義.

1 控制變量推理的內(nèi)涵與教材呈現(xiàn)方式

1.1 控制變量推理的內(nèi)涵

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》學(xué)業(yè)要求中指出，“能明確科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)所要解決的問(wèn)題，知道制定實(shí)驗(yàn)方案是重要的，有控制變量的意識(shí).”［1］控制變量推理是指在研究多變量問(wèn)題時(shí)，人為地控制影響事物變化的因素，使某一個(gè)因素根據(jù)特定需求發(fā)生變化，而其他因素保持不變，將多變量問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)閱巫兞繂?wèn)題，以利于尋找事物發(fā)展變化的規(guī)律.

從知識(shí)的獲取途徑來(lái)看，以分析數(shù)據(jù)、歸納規(guī)律入手的控制變量推理是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模式；從思維方法和教學(xué)流程上來(lái)看，學(xué)生首先要猜測(cè)影響因變量的因素，這便需要猜想思維，在分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，要?dú)w納因變量與自變量的比例和關(guān)系，這又需要?dú)w納思維，可見(jiàn)在使用控制變量推理時(shí)用到的思維便是猜想與歸納思維［2］.

1.2 控制變量推理在高中物理教材中的體現(xiàn)

為了落實(shí)物理核心素養(yǎng)，從章節(jié)分布、內(nèi)容和呈現(xiàn)形式等方面梳理了人民教育出版社2019年修訂出版的高中物理教材，如表1所示.

通過(guò)梳理教材發(fā)現(xiàn)控制變量推理在教材中出現(xiàn)的頻率較高，主要體現(xiàn)在探究影響某一物理量的因素和物理量間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，大部分是以隱性的形式呈現(xiàn)，其目的是讓學(xué)生受到科學(xué)方法的啟迪和熏陶，學(xué)習(xí)科學(xué)研究的方法和策略.

2 控制變量推理能力現(xiàn)狀分析

2.1 控制變量推理能力現(xiàn)狀調(diào)查

本次調(diào)查的研究工具為L(zhǎng)awson A.E教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的LCTSR問(wèn)卷，LCTSR問(wèn)卷一共有24道題，選取其中的控制變量推理測(cè)試題（9-14題）對(duì)學(xué)生進(jìn)行測(cè)試.隨機(jī)抽取290名聊城市莘縣某普通高中學(xué)生，以問(wèn)卷的形式對(duì)高中學(xué)生的控制變量推理能力進(jìn)行調(diào)查.

通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在“控制變量推理能力測(cè)試”中，學(xué)生對(duì)“單擺實(shí)驗(yàn)”（9-10題）回答的正確率明顯高于“果蠅實(shí)驗(yàn)”（11-14題）的正確率.這兩道題目都要求學(xué)生在控制變量的情況下進(jìn)行推理，不同點(diǎn)在于“單擺實(shí)驗(yàn)”影響因素單一，并且已經(jīng)給出測(cè)試方案，學(xué)生只需要從中作出選擇即可；“果蠅實(shí)驗(yàn)”影響因素較多，情境復(fù)雜，要求學(xué)生在理解實(shí)驗(yàn)方案的基礎(chǔ)上，依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果作答.部分學(xué)生雖然選對(duì)了這道題的答案，但是在原因分析上出錯(cuò)了，由此可見(jiàn)，學(xué)生腦海中已經(jīng)具備了“控制變量”思想，但并未真正理解其內(nèi)涵，其控制變量推理思維在深度和廣度上都有所欠缺.

李夢(mèng)宇使用LCTSR問(wèn)卷，調(diào)查了曲阜師范大學(xué)附屬中學(xué)高二年級(jí)學(xué)生的科學(xué)推理能力，結(jié)果表明：學(xué)生的控制變量推理能力較弱［3］REF_Ref21720＼w＼h＼*MERGEFORMAT.這個(gè)結(jié)果與我們的研究結(jié)論一致.

2.2 原因分析

2.2.1 教師教學(xué)中對(duì)顯化“控制變量推理”的意識(shí)淡薄

教師是教學(xué)活動(dòng)中的主導(dǎo)者，只有教師深入認(rèn)識(shí)到控制變量推理在物理教學(xué)中的重要性，才會(huì)主動(dòng)地進(jìn)行控制變量推理的研究和教學(xué).但是，通過(guò)聽(tīng)課和對(duì)教師的訪談發(fā)現(xiàn)：一些教師沒(méi)意識(shí)到控制變量推理對(duì)于學(xué)生探索物理規(guī)律、發(fā)展科學(xué)思維的積極作用，他們認(rèn)為學(xué)生在初中就已經(jīng)接觸過(guò)控制變量推理，并且考試中對(duì)控制變量推理的考查比較簡(jiǎn)單，因此在教學(xué)中缺乏滲透控制變量推理的意識(shí)，教學(xué)時(shí)對(duì)控制變量推理一筆帶過(guò)，這不僅難以系統(tǒng)地培養(yǎng)學(xué)生控制變量推理能力，還導(dǎo)致了物理教學(xué)未能發(fā)揮出提升學(xué)生控制變量推理能力的作用.

2.2.2 教師缺少顯性的控制變量推理教學(xué)

控制變量推理貫穿于中學(xué)物理的始終，物理中有許多規(guī)律是通過(guò)控制變量推理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得到的，這為控制變量推理的教學(xué)提供了平臺(tái).但是，教師在物理教學(xué)中僅把控制變量推理作為探索規(guī)律的手段，對(duì)控制變量推理更傾向于“隱性”的教學(xué)方式，不向?qū)W生明示控制變量推理的方法，盡管教材中蘊(yùn)涵了豐富的控制變量推理思想，但僅靠學(xué)生自己感悟，結(jié)果就是學(xué)生對(duì)控制變量推理沒(méi)有清晰的認(rèn)識(shí)，難以用控制變量推理去解決深層次的問(wèn)題.

2.2.3 科學(xué)探究中學(xué)生思維缺席

引導(dǎo)學(xué)生探究物理規(guī)律是感悟控制變量推理思想的重要途徑，然而一些教師通常會(huì)通過(guò)“講實(shí)驗(yàn)”的方式，將實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)結(jié)論直接呈現(xiàn)給學(xué)生，這樣的“科學(xué)探究”只是形式，學(xué)生沒(méi)有親身體驗(yàn)規(guī)律的探究過(guò)程，難以感悟控制變量推理的思想，更無(wú)法深入理解控制變量推理，不利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維.

3 提高學(xué)生控制變量推理能力的策略

3.1 明確控制變量推理的內(nèi)涵，顯化控制變量推理

在高中物理教科書中控制變量推理的內(nèi)容以隱性為主，重在使學(xué)生受到科學(xué)方法的啟蒙教育和熏陶，但對(duì)于高中學(xué)生而言，他們的邏輯思維比較成熟.因此，對(duì)于控制變量推理的傳授不能僅僅停留在對(duì)名稱的記憶層面.在教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)有意識(shí)地明示控制變量推理的內(nèi)涵、講解控制變量推理的操作步驟，彰顯控制變量推理的邏輯，引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，解決實(shí)際問(wèn)題.這一方法不僅能幫助他們深入理解控制變量推理的內(nèi)涵和步驟，還能激發(fā)他們探索科學(xué)問(wèn)題的積極性.

3.2 創(chuàng)設(shè)物理情境，讓學(xué)生體會(huì)控制變量推理

控制變量推理屬于程序性知識(shí)的范疇，具有抽象性和概括性，因此學(xué)生對(duì)控制變量推理的了解往往是淺層的，只會(huì)對(duì)簡(jiǎn)單問(wèn)題進(jìn)行分析和推理［4］REF_Ref21821＼w＼h＼*MERGEFORMAT.因此，教師在教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施的過(guò)程中重視物理情境的創(chuàng)設(shè).例如，在探究向心力的表達(dá)式時(shí)，教師可以為學(xué)生建構(gòu)這樣的情境：在繩子的一端系一個(gè)小球，學(xué)生控制小球在水平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)改變繩子長(zhǎng)度、小球質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)快慢，讓學(xué)生感受向心力大小與圓周運(yùn)動(dòng)的一些運(yùn)動(dòng)學(xué)量之間的定性關(guān)系.教師提問(wèn)：如果我們要探究向心力大小和多個(gè)物理量的關(guān)系時(shí)，應(yīng)該采用哪種研究方法？通過(guò)實(shí)例讓學(xué)生對(duì)控制變量有了顯性認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生對(duì)控制變量推理的興趣.

3.3 引導(dǎo)學(xué)生自主探究，掌握控制變量推理

布魯納的發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)理論提出：“學(xué)習(xí)的本質(zhì)并不是被動(dòng)地刺激—反應(yīng)聯(lián)結(jié)，而是主動(dòng)形成認(rèn)知結(jié)構(gòu).”該理論強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主觀能動(dòng)性和獨(dú)立性［5］REF_Ref21997＼w＼h＼*MERGEFORMAT.因此，教師教學(xué)中可以明確利用控制變量推理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的流程，引導(dǎo)學(xué)生在控制變量的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，積極展開(kāi)探索，親身經(jīng)歷探究過(guò)程，學(xué)生才能真正理解控制變量推理的本質(zhì)，提高科學(xué)推理能力.

第一，引導(dǎo)學(xué)生分析問(wèn)題情境.首先，教師引導(dǎo)學(xué)生分析問(wèn)題情境，明確研究對(duì)象，也就是找出情境中的因變量.

例如 探究影響導(dǎo)體電阻的大小的因素時(shí)，研究對(duì)象就是導(dǎo)體的電阻，電阻的大小就是因變量.其次，猜想影響研究對(duì)象的因素，也就是自變量.教師應(yīng)該設(shè)置一些體驗(yàn)類活動(dòng)或趣味實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生猜測(cè)影響研究對(duì)象的因素，而不是讓學(xué)生進(jìn)行無(wú)根據(jù)的猜想.教師在教學(xué)過(guò)程中不僅要提出有價(jià)值的問(wèn)題，還需要為學(xué)生提供可靠的信息和事實(shí)作為支撐，確保每個(gè)猜想都建立在有事實(shí)依據(jù)的基礎(chǔ)上.

第二，對(duì)影響研究對(duì)象的多個(gè)因素控制分離，將多變量問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單變量問(wèn)題，推導(dǎo)出單個(gè)因素與研究對(duì)象之間的關(guān)系.

例如 在探究“牛頓第二定律”的實(shí)驗(yàn)中，要研究加速度與質(zhì)量的關(guān)系，我們?nèi)绾伪３中≤囁芾Σ蛔儯坑衷鯓痈淖冃≤嚨馁|(zhì)量？這些問(wèn)題的思考為后面的實(shí)驗(yàn)操作奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)也是學(xué)生思維的增長(zhǎng)點(diǎn).

第三，通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出每個(gè)自變量與因變量之間的比例關(guān)系，并將這些比例關(guān)系進(jìn)行歸納整理，最終得出概括性的結(jié)論.

4 結(jié)語(yǔ)

總之，教師要清晰地認(rèn)識(shí)到控制變量推理是解決受多因素影響的復(fù)雜問(wèn)題的常用辦法，教師可以通過(guò)分析教材，挖掘培養(yǎng)學(xué)生控制變量推理能力的落腳點(diǎn)；在教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)該向?qū)W生明確控制變量推理的內(nèi)涵，多創(chuàng)設(shè)物理情境，讓學(xué)生體會(huì)和感悟控制變量推理，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)探究的教學(xué)活動(dòng)中引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用控制變量推理自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)控制變量推理的理解與應(yīng)用，提高學(xué)生解決問(wèn)題的能力.

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