刍议初中物理“科学探究”的思维本质——由伪命题“浮力与深度是否有关”想到的

季卫新

(江苏省南京市雨花台区教师发展中心，江苏 南京 210012)

1 问题的提出

最近,有不少教师向我请教这样一个问题:在苏科版初中物理教材第10章第4节“浮力”的“学生实验:探究影响浮力大小的因素”中,[1]如何设计实验探究方案比较好?又该如何设计实验探究方案来对“浮力与深度是否有关”这个难点进行有效突破?

关于“浮力与深度是否有关”这个话题,近来经常出现在一些中考物理试卷或者学习辅导资料上,并一直在困扰着一线初中物理教师．对于学生而言,体现了对于“科学探究”的过程和方法的理解和应用;对于教师而言,凸显了核心素养的“学科思维”和对教材的理解、教学设计的思考;对于教学资料编写者到中考命题者,反应了创新意识和“导向”功能．殊不知,如果这个问题本身就是一个“伪命题”的话,那又该如何处理呢?

2 有关背景研究综述

2.1 难点产生的原因

罗国忠[2]通过分析全国教学比赛录像的教学片段,发现浮力难学难教有两大原因: 一是教师受教材束缚,罔顾物理事实,用自己的片面认识去扭转学生的片面认识;二是教师本位思想作祟,应变能力不强,回避或强扭学生的思想．

罗老师指出,“对浮力与深度的关系的探究, 还是缺乏有效的突破方法,依然是教学难点”． 分析得到两大原因的共同核心是漠视学生认知．常见的错误做法有:堵住学生嘴巴,避谈深度;堵不住学生嘴巴,但充耳不闻;错误方法引导,学生一头雾水;预设轨道过窄,生拉硬拽学生．

针对以上问题,罗国忠分别就具体案例给出了具体的改进建议,并提出观点:教师只有真正以学生为主体,按照学生的认知规律去教学,才能让学生学会、会学、乐学．

2.2 思维错误的校正

胡广形[3]认为,针对学生“浮力与深度有关”的质疑,教师可让学生画图来说明．如图1所示,学生通过画图暴露出错误思维,从而产生认知冲突,通过点拨,最后由学生总结出:“当物体没有全部浸没时,浮力与深度有关;当物体全部浸没时,浮力与深度无关”.

图1

胡老师提出,可以通过以下两条路径来进行“错误思维的校正”:一是运用科学探究思想,理解“浮力与深度无关”．二是通过两个创新探究方案,证明“浮力与深度无关”——在不完全浸没时,改变深度时,控制排开体积相同;在不完全浸没时,改变排开体积时,控制深度相同．从而得出“不管是否浸没,浮力都与深度无关”的结论.

2.3 设计探究的方法

张向阳[4]认为,在常规实验中,当物体浸没前,物体在液体中深度增加时,却没有控制V排这个影响浮力的变量保持不变.随着物体深度的增加是表面现象,实质是由于V排增大,使得浮力增大的,却不是由于深度的变化引起浮力变化的.怎样做才能控制ρ液和V排不变,又能使物体浸没前在液体中的深度发生改变时,来探究浮力是否改变呢?

图2

针对“物体在浸没前浮力是否随深度而发生变化”,提出了以下两种方法:弹簧测力计法(如图2所示)和漂浮法(如图3所示)．最后指出:浸在液体中的物体无论浸没前,还是浸没后,物体所受浮力始终与物体在液体中的深度无关.

图3

3 为何这是一个“伪命题”

初中物理课堂教学中的“科学探究”基本实验方法就是“控制变量法”,其核心思维就是:当一个物理量P与多个因素(变量)Y1、Y2…Yn有关时,为了探究它们之间的关系,每次只能有一个因素(变量)改变,而其他因素(变量)需要控制起来,使其不变．

“控制变量法”在概念理解上几乎没有难度,但是,在该方法的使用上,无论是学生、教师、教学资料编写者或中考命题者,几乎都没有意识到一个核心的问题:“控制变量法”无论是需要改变的、还是需要控制的,都应该是真正的“因素(变量)”．如果某个“研究量”根本就不是真正的“因素(变量)”,那么试图用“控制变量法”来进行所谓的“科学探究”,这本身就是一个“伪命题”了．

案例1.关于苏科版初中物理教材第11章第1节“动能、势能、机械能”的“活动12.1:探究动能大小与哪些因素有关”,[5]看下面两条中考题．

例1.(2017年江苏省泰州市中考物理试卷第27题节选)如图4所示,在探究物体动能的大小与哪些因素有关时,让同一小车分别从同一斜面的不同高度由静止释放,撞击水平面上同一木块.

图4

本实验探究的是________(木块/小车/斜面)的动能与________的关系,实验中是通过观察________来比较动能大小的.

例2.(2017年四川省雅安市中考物理试卷第20题节选)在探究“物体的动能跟哪些因素有关”的实验中,李瑞提出了如下猜想:……

于是设计了如下的探究实验:让小球从斜面上某一高度静止释放,撞击静止在水平面上的木块,使木块在水平面上滑行一段距离．如图5所示,选择的器材有:斜面、木块各1块、质量分别为m1和m2的铁球各1个,质量为m1的铝球1个,已知m1

图5

分别让小球从斜面不同高度由静止开始滚下,目的是改变小球到达水平面的________．

点评： 例题1第二空的答案为“速度”;例题2答案为“速度”．例题1的第二空,由实际情况来看,有较多的考生认为是“高度”．这两题的答案为什么是“速度”而不是“高度”呢?教师、教学资料编写者或中考命题者,都清楚地知道“高度”只是“表面现象”,只是用来改变“速度”的方式或手段,而不是最终的目的．所以,教师会指导学生“透过现象看本质”,其本质——“因素(变量)”——是“速度”而不是“高度”．

如果设置这样一个“命题”:探究物体的动能与高度是否有关?你有什么感觉．是的,你会说这是不对的,因为这就是一个“伪命题”,根本“就不应该是一个问题”．

事实上,文首综述的3位作者也好,众多的初中物理教师也罢,都能明确并能达成的一个共识就是:无论是物体浸没前还是浸没后,表面所看到的“深度”这个“变量”,并不是其本质．透过现象看本质,真正的变量是“物体排开液体的体积”,或者说是“物体浸入液体的体积”．我们所说的“深度的改变”,其实质只不过是改变“物体排开液体的体积”或者 “物体浸入液体的体积”的手段而已．

“探究浮力是否与物体浸入液体的深度有关”其本身就是一个“伪命题”,那么我们再去研究如何突破教学难点、如何设计创新实验、甚至试图让学生理解这个问题,其本身就是一个“问题”．这是没有任何实际意义的,甚至,是曲解了“科学探究”的思维本质的．

4 由此想到的

由此,就初中物理课堂教学中的“科学探究”,笔者想到了两个问题.

科学探究的7个要素之一“作出猜想”,应该如何进行?是建立在一定的生活体验或现实情境的基础上进行“有依据的判断”?还是“毫无限制”、“天马行空”式的“瞎想”?

课堂教学中的科学探究与试题中的科学探究是否一样?应该践行“真探究”还是进行“伪探究”?

4.1 应该如何进行“科学猜想”

科学探究的核心思想就是针对所提出的问题,就可能的原因(因素)进行“猜想”,然后设计、进行实验,根据实验现象或采集的数据进行分析、论证,从而判断猜想是否正确．如果猜想正确,又具有什么样的数学关系．

为了培养学生的“科学思维意识”,提升学生“科学思维能力”,我们应该引导和培养学生进行“科学猜想”．“科学猜想”要求学生依据一定的生活体验或现实情境的基础上进行“有依据的判断”,而不是“毫无限制”、“天马行空”式“瞎想”．

为此,教师在让学生“作出猜想”之前,要创设合适的情景帮助学生“回忆”相关的生活体验和现象．如果学生不具有对应的基础,则必须通过实验、活动或者图片、视频等形式,向学生展示相关情景．当学生作出一个猜想后,追问一下“你的依据是什么”．很多时候,学生未必就能猜想正确或者表述规范,但是,长期以往,对于培养学生的“核心素养”和“科学思维”却是大有裨益的．

4.2 应该如何进行“科学探究”

就初中物理“科学探究”而言,目前的现状不容乐观,“伪探究”占据了主流思想,“真探究”有点“边缘化”了,这是非常危险的．

案例2.(2017年某地一模物理试题节选)小明用如图6所示的实验探究“影响滑动摩擦力大小的因素”.实验中所用铁块和铝块的体积和形状完全相同.

图6

(1) 为了测量物体受到的滑动摩擦力,应当用弹簧测力计沿水平方向拉着物块在同一水平桌面上做________运动.

(2) 小明根据图(甲)、(乙)得到了实验的结论,支持该结论成立的现象是________.

(3) 小明想知道实验所用铁块和铝块的下表面哪个更粗糙,对比(甲)、(丙)两图,________(选填“能”或“不能”)比较出铁块和铝块下表面的粗糙程度.

点评： 此题关注点在于第(3)问,其答案设置为“能”还是“不能”,将会体现命题者是“真探究”还是“伪探究”．

因为考生可以由此题的第(2)问得知“结论1”:当接触面粗糙程度相同时,滑动摩擦力的大小与压力有关,且压力越大滑动摩擦力越大．但是,由于试题没有进行“滑动摩擦力大小是否与接触面粗糙程度有关”的探究,所以没有任何现象或者数据来支持“结论2”:“滑动摩擦力大小与接触面粗糙程度有关,且接触面越粗糙,滑动摩擦力越大”．

由于不知道摩擦力与粗糙程度的关系——如果有关,是“越大越大关系”还是“越大越小关系”,因为不知道,所以不能比较．充其量只能知道,铝块与铁块的下表面粗糙程度不一样而已．

如果答案是“能”,那么就是意味着命题者把“结论2”跳过实际探究作为课堂已学的已知条件来使用,那么这就是“伪探究”．

如果答案是“不能”,那么就是意味着命题者意识到未经探究,不能使用“结论2”,那么这就是“真探究”了．

案例3.(2013年某市中考物理试题)甲、乙两位同学做“探究物体所受重力的大小与质量的关系”实验．

图7

(1) 如图7所示,甲同学用弹簧测力计测量钩码所受重力大小,读数时他让钩码保持静止状态,根据

________

知识可知,此时钩码所受的重力大小和它受到的拉力大小相等．他分别测出1个钩码、2个钩码、3个钩码的重力大小后,根据实验数据得出结论:物体所受重力的大小与它的质量成正比．

(2) 乙同学取了质量不同的苹果、小木块、小铁球各1个,并分别测出它们的质量和重力,来探究物体所受重力大小与质量的关系,你认为乙同学的做法________．

(A) 不合理,因为他没有用同种物质的物体做实验.

(B) 不合理,因为他没有使物体的质量成整数倍变化.

(C) 合理,因为他同样可以得到的物体所受重力大小与质量的关系.

(D) 合理,因为他的操作比甲同学更简便.

点评： 此题第(1)问是课本“活动8.3:探究物体所受重力的大小与质量的关系[1]”的内容．对于第(2)问,同样存在“真探究”与“伪探究”的问题了．

首先来看一下答案:如果选择“合理”,答案选择(C)最为合理;如果选择“不合理”,答案选择(A)最为合理．

如果命题者把答案设置为“(A)”,则意味着“物体的重力不仅仅只与质量有关”,可能还与物体的密度、现状等因素有关．由于之前没有对“密度”进行探究,无法排除这个因素,那么,依据“控制变量法”的要求,在“探究物体所受重力的大小与质量的关系”时,我们理应需要“控制密度不变”,这符合“真探究”的本质内涵．

如果命题者把答案设置为“(C)”,则意味着“物体的重力只与质量有关”．在没有实际探究的情况,就根据课本已经学习的内容来进行“探究”,就有了“伪探究”之嫌了．

5 结束语

“科学探究”是科学家们解决问题的基本方法.对于初中学生来说,学习“科学探究”,了解科学探究的7个要素(环节),以及掌握“控制变量法”,其主要目的就是经历“科学探究”的过程,掌握科学探究的基本方法,能实际地解决一些与生活、社会有关的简单问题,并在此过程中能培养自己的“核心素养”、提升自身的“思维能力”,同时也能认识到“科学探究并不是只是科学家才能做的”．

“随风潜入夜,润物细无声”,对于初中物理教育工作者而言,如何使得“真探究”在课堂教学、试题命制等环节中“落地生根”,将是一个较为长期而又现实的问题．