科学探究中培养学生的分析与论证能力

杨连武

(济宁学院物理与信息工程系 山东曲阜 273155)

分析与论证是科学探究要素中的一个重要要素,也是贯穿科学探究整个过程中的一个必要因素.培养学生的分析与论证能力,不仅强调分析与论证要素中对学生分析与论证能力的作用,还要把学生分析与论证能力的培养贯穿到科学探究整个过程中.

1 分析与论证解读

分析与论证是一个因素的两个方面,一个过程的两个阶段.分析就是对现有的资料和数据进行分类、整理,通过比较、分析、归纳、概括等思维方式,寻找在这些现象背后的规律和实质.论证就是把现有的资料、数据和猜想与假设联系起来,看这些事实与猜想与假设之间究竟有没有关系,有什么样的关系,能否通过这些资料和数据证明或者证伪猜想与假设.分析是论证的基础,通过分析整理数据、理清思路,寻求最可能的结论.论证是分析的必然结果,分析的目的和性质必然为论证服务,以取得数据和事实的支持,证明或者证伪假设.

从分析与论证的性质上可以把分析与论证分为定性分析和定量分析.定性分析就是在分析问题时,尽量将问题简化,抛开那些无关紧要的非本质的东西,不用计算就得出所研究问题的各种量之间的粗略关系,显示该现象的物理景象.定量分析就是考虑各种数据和事实,利用数学的方法,得到所研究问题的各量之间的关系,形成一个明确的公式.从分析和论证的手段上可以把分析与论证分为理论分析和实验分析.理论分析就是在现有事实基础上,利用已有的理论或者规律,通过逻辑推理得出所研究问题各量之间的关系.实验分析就是利用做实验的方法收集资料和数据,通过对数据和资料的分析、判断,得出所研究问题各量之间的关系.在实际应用中我们常常把定性分析和定量分析,理论分析和实验分析结合起来.

2 科学探究过程中培养学生的分析与论证能力

在科学探究的思维活动中,除了经验和已有知识的提取和回忆,以及一些直觉和灵感外,主要的就是不断的分析与论证等逻辑思维,因此我们要抓住科学探究各环节的分析与论证过程,培养学生的分析与论证能力.

2.1 分析与论证问题的价值性,形成分析与论证的意识

提出问题是科学探究的第一个环节.在科学探究中,教师千方百计的创设各种各样的情景,让学生发现问题、提出问题;但是学生往往提出一些没有价值或者与主题无关的问题,对此我们又不能置之不理,这就需要对提出的这些问题进行分析与论证.如在研究自感现象时,教师通常会让学生并联到连有一个线圈、一节电池的电路中,通电断开开关的瞬间,学生会发出痛苦的声音.对此情景学生往往会提出:人体导电能力有多强?多大电流对人体造成伤害?为什么一节电池产生的电流会使人疼痛等问题.这个情景突出的是本来不会对人体造成任何伤害的一节电池,在接上了一个线圈后对人体造成伤害.在和电磁感应等相关知识联系起来之后,我们得出前两个关于人体导电的问题不是这个情景所要提出的问题.有价值的问题是第三个,把这个问题和产生现象的条件联系起来,就是这节课所要探究的问题.

2.2 分析与论证猜想与假设的可能性,养成分析与论证的习惯

我们可能就一个问题的结论有很多个猜想与假设,在实际的科学探究中,我们不可能也没有必要对所有猜想与假设都进行探究,这就需要对这些猜想与假设进行分析与论证,排除掉一些不相关的猜想与假设.例如,在探究抛体运动时,根据我们的经验,抛体的初速度影响抛体运动,重力使抛体回到地面上,抛体落地的远近与地球的大小有关.忽略空气阻力和地球的自转因素后,我们猜想影响抛体运动的主要因素可能有:地球半径R、物体的质量m、重力加速度g以及抛体的初速度v,对于这些猜想的可能性我们可用量纲分析的方法来分析与论证一下.首先找到研究运动的两个最基本的物理量:时间和空间,从量纲分析上来看,四种猜想的量能组成三种以时间为量纲的组合,即,m没有进入式子,说明物体的质量是不会影响抛体运动的.和三种时间量纲对应的三种空间量纲,即R,对于地面上的抛体运动,其运动的高度和是相当的,和地球半径 R,以及 v相差较大;由此可以得出影响抛体运动的主要因素可能是重力加速度和抛体的初速度.

2.3 分析与论证方案的可行性,培养全面、综合的分析论证能力

方案是对科学探究的整体设计与规划,方案中采取的思想、方法要科学合理.如果按这个方案进行实验或者探究,实验得到的数据和资料是否客观、准确,资料的描述和记录是否便于得出结论等等,这需要对探究的方案进行论证和分析.例如,研究加速度和物体受力定量关系的实验,有同学设计了如下方案.每次用质量不同的砂桶拖动小车加速前进,在每次实验中测出砂和砂桶的质量、小车的质量以及小车的加速度,并据此确定加速度和物体受力的定量关系.方案中运动物体包括沙桶和小车,运动物体的质量和所受的外力随着沙桶质量的改变同时改变.因此,我们无法从实验结果中确定物体加速度的改变到底是由什么因素引起的,该方案不符合“控制变量法”的设计思想,不可行.

2.4 分析与论证资料的规律性,掌握分析与论证的技巧与方法

无论是定性分析还是定量分析,理论分析还是实验分析,对数据和资料的分析论证、得出结论的过程是需要一些方法和技巧的.学生要在学习的过程中通过自己的练习和老师的指导逐步的掌握这些技巧和方法.例如,对楞次定律的探究,我们通常采用表格来进行分析和论证,但是表格的设计如果不合理就会给学生的分析和论证带来困难.如有的表格设计如表1.

表1

学生在分析此表时,由于涉及的内容较多,往往不知道如何归纳总结结论.针对这个问题,我们在设计表格时可以增加一栏,“感应电流磁场方向与原磁场方向的关系”.通过这一栏的分析,有时相同,有时相反,就把需要总结的四种情况简化为两种情况了.怎样把这两种情况总结为一条结论,学生在深入分析时往往在“阻碍”二字上出现思维障碍,其原因在于探究中的方向和目标不明确.为了解决这一难点,在上述表格基础上,对学生提出如下问题:原磁场磁通量出现何种变化时,感应电流的磁场方向和原磁场磁通量方向是相同的?原磁场磁通量出现何种变化时,感应电流的磁场方向和原磁场磁通量的方向是相反的.有了这样一个引导,学生的思维便有了方向,他们的分析就不会停留在寻找感应电流的磁场方向和原磁场方向关系上,而是深入到感应电流磁场和原磁场磁通量的依存关系上,从而顺利得出结论.

2.5 分析与论证结论的科学性,提高对结论进行解释和说明的能力

科学探究形成的结论是否科学,是否是现象、数据所反映的本质和规律,这需要利用已有的知识和方法对其进行分析和论证.同时,通过对结论的分析和论证可以提高学生对结论的理解和把握.

2.6 展示、交流分析与论证的过程,借鉴别人分析与论证的思想与方法

在分析与论证同一个问题时,不同人采用的思想方法可能不同.通过了解别人分析论证的思维过程,和自己的比较,可以看出不同思想方法的优缺点,为以后更好的分析论证提供好的思想方法.

探究关于真空中所有物体下落的是否同样快,有二种方法.第一种方法 ——悖论法.假设重的物体下落的快,当把轻的物体和重的物体绑在一块时,一种情况是两个物体的重量更大,应该下落的更快;另一种情况是下落得快的物体被下落得慢的物体阻挡,两个物体下落应该变慢.同一个问题出现相矛盾的两种情况,假设错误.第二种方法 —— 实验法.把不同重量的物体放入抽成真空的玻璃管中,让物体下落,通过观察得出真空所有物体下落的同样快.

这二种分析论证的方法都是科学的,但是不同方法的作用和思维方式不同,各有利弊,我们可以根据具体情况灵活应用或者结合起来运用.

2.7 反思、总结分析与论证的各过程,全面提高分析论证能力

在每次的分析与论证过程结束后,都要求学生反思、总结一下,看看分析论证的思路是怎样的,采取的方法是否合理,资料是否充分,过程是否严谨,得出的结论是否科学.经过长时间的不断反思、总结,学生的分析论证能力就会全面的提高.