物理科學探究能力之“分析與論證”能力的培養

安立艷

初中物理課程內容由科學探究和科學內容兩部分組成。科學探究是科學知識生成、驗證和發展的過程，面對的是開放性的問題，需要探究者的科學知識、研究方法和技能、直覺和想象力、創造性以及個性品質的介入。將科學探究納入課程內容，旨在讓學生經歷與科學工作者相似的探究過程，主動獲取物理知識，領悟科學探究方法，發展科學探究能力，體驗科學探究樂趣，養成科學精神。科學探究作為一種研究能力，在初中階段應作為一種顯性的技能傳授給學生。

物理學科核心素養中的“科學探究”包括提出科學問題、形成猜想和假設、設計實驗與制訂方案、進行實驗和收集數據、分析與論證、進行評估、交流合作這七個要素。各要素間的關系是交互在一起的（見圖1）。例如，設計實驗既是對已經提出的問題、猜想假設的初步的檢驗，又是對進行實驗和收集數據的具體指導；交流合作幾乎穿插在實驗探究的各個要素之間。“分析與論證”是發展學生審辨式思維能力的好載體，本文簡要談談如何基于學生研究和知識分析培養學生的“分析與論證”能力。

一、傳統實驗探究之“分析與論證”要素教學的困惑與困難

從課堂教學來看：教師急于迅速讓學生動手探究，使得問題的提出和方案設計略顯不足；教師心中有結論，偶爾有急于求成的想法，想在有限的課堂教學時間內得到正確的結論；可能沒有深入了解學生在實際操作中遇到的困難或新發現。從數據處理的技術上來看，教師對數據分析、證據分析的研究還比較膚淺，數據的研究還浮于表面的淺層分析。

從學生反饋來看：部分學生動手探究前對實驗的探究目的和方法不明確；部分學生做過預習，并且了解結論，看到不符合規律的數據就想篡改數據，無法做到實事求是。

從知識積累來看：學科間的知識支撐還有不足，初二的學生數據分析能力還較弱，正比例函數、一次函數、反比例函數還未進行學習。

從階段性測試來看：學生對結論總是記不住，死記硬背了也容易忘記。

二、科學探究之“分析與論證”要素研究

初中物理課標中對“分析與論證”要素的描述如下：①經歷從物理現象和試驗中歸納科學規律的過程。②能對收集的信息進行簡單歸類及比較。③能進行簡單的因果推理。④嘗試對探究結果進行描述和解釋。⑤了解該要素在科學探究中的

意義。

“分析與論證”就是對探究的數據進行描述、對探究的現象進行歸納總結，從而將實驗結論升華為物理概念和規律。物理學基于觀察與實驗、建構理想模型、應用數學等工具，通過科學推理和論證，形成系統的理論體系和研究方法。對“分析與論證”要素的內涵與外延理解如下。

一是對證據進行整理和分析處理的必要性。在分析論證環節，利用數學工具、表格和圖像可以幫助分析數據，揭示隱含在數據背后的整體格局和發展趨勢。

二是大數據分析方法的多樣性。分析過程中可能需要用到觀察、分類、排序、比較、因果關系、推理、預測、建模、解釋、應用等技能和工具。

三是分析論證需要審辨式思維。對于數據的研究應該是學生主動思考、懷著質疑、尋找規律的過程，不斷發現的過程。分析過程中，可能還會聯想到特例，可能會有新發現等。

四是如何確保證據真實可靠。聚焦非規律性數據，如何追蹤它的來源，如何辨別證據的來源是否可靠？分析數據時，需要對數據的準確性和精確度做出描述和檢驗，盡可能減小誤差。非規律數據的產生源自學生實驗操作不規范。對于特殊數據，應當充分討論，嘗試還原情境，找到問題所在，在去偽存真的基礎上，做到“改偽存真”。

五是事實和觀點如何聯系。觀點需要證據來支持，能證明觀點的事實就是證據。通常需要重復實驗和生活應用實例來得出或幫助理解最后的結論。

教師只有切實把握了“分析與論證”的內涵，才能真正培養學生實事求是的科學態度，不斷引導、鼓勵學生科學推理、敢于質疑，幫助學生不斷完善科學思維。

三、“分析與論證”要素的教學探索

筆者以“凸透鏡成像規律”一課為例說明。

1. 突出數據的廣泛性、普遍性，利用數學工具排序，發現并總結規律

設計1：在使用表格記錄數據的傳統方式同時，使用薄膜貼點輔助記錄現象，凸顯數據分界點。

教師給學生準備A4紙大小的坐標紙和透明薄膜，坐標紙的縱坐標標記為物距，將薄膜放在坐標紙上。學生將實驗現象用貼點法記錄在透明薄膜上， 紅點表示凸透鏡成的倒立縮小的像，綠點表示倒立放大的像，藍點表示正立放大的像。教師收集全班同學的貼點薄膜，并疊加在一起展示結果。學生們清晰地發現凸透鏡所成的三類像都在特定的區域內，進一步得出結論：一倍焦距是凸透鏡成正立或倒立的像、實像或虛像的物距分界點，二倍焦距處是凸透鏡成放大或縮小的實像的分界點。向學生滲透生活中的照相機、幻燈機、放大鏡燈光具使用時的物距分別對應了紅綠藍三色點的區域。

設計2：大數據排序，尋找凸透鏡成像的變化規律，提高思維深度。

用Excel匯總學生實驗數據（含物距、像的特點、像距、像高等項目），按照物距從大到小的順序排列，使數據的變化更有規律，學生在觀察過程中首先將數據按照成像特點或者一、二倍焦點處的特殊作用，將表格分成三部分。分段充分分析數據，使結論更加直觀，同時更充分地挖掘數據的深層價值。

設計3：將數據按照成像特點分段，尋找動態變化規律。

將龐大的數據表格分區域處理，在凸透鏡成三種像的特點下尋找變化規律，逐漸融入學生的思考，將直觀的數據賦予生動的活力，同時也逐漸激發學生猜想照相機、幻燈機使用過程中的調焦調距等問題。

2. 對問題數據的質疑與再分析，提高學生思維的嚴謹性

（1）再次觀察數據，發現新問題。組織學生觀察數據，找出數據記錄單里的問題數據，分析問題成因，討論解決方案。對于表格中的非順序性數據是怎么出現的，學生的猜想很多。有人認為是讀數錯誤；有人認為是讀數時光屏上的像不清晰；還有人認為是凸透鏡型號不精準等。對這樣的數據怎么處理呢？讓學生思考。endprint

（2）還原實驗情境，展示真實問題。學生按照表格數據組裝器材，發現了真實問題：此時光屏上顯示的并不是清晰的像，學生的實驗操作存在問題。調整光屏位置再次承接清晰的像，并對數據進行修正。

（3）修改問題數據，結論更具普遍性。將實驗得出的正確數據填入表格，修正原錯誤數據，此時學生發現表中數據完全符合動態規律。此時，對問題數據的處理過程體現出科學精神。學生本著實事求是的科學態度能夠發現問題數據并提出質疑，合理猜想錯誤數據成因，對非規律性數據追蹤來源，重現實驗研究，以確保數據真實可靠，初步形成了審辨式思維。

3. 動手體驗，尋找凸透鏡成像的變化規律的事實證據，提高思維靈活度

設置學生活動1：利用自制相機分別拍攝遠景和近景。使用自制相機先給遠處的物體找遠景，調節鏡筒，使光屏（薄膜）上成的像清晰；再給近處物體照相，調節鏡筒，使光屏（薄膜）上成的像清晰，感受物距、相距、像的大小的變化情況。學生發現： 手持自制相機靠近物體使物距減小時，鏡頭前伸（或者光屏后移）使相距增大，才能使光屏上成的像再次清晰，而且像逐漸變大。操作過程與實驗數據所得結論吻合，對數據進行了清晰有利的事實證明。

設置學生活動2：研究使用投影手電筒。通過調節膠片到鏡頭的距離改變物距，調節手電筒到光屏的距離改變物距，感受凸透鏡成像的變化規律。學生發現：調整膠片與鏡頭的間隙以減小物距后，應手持投影手電筒遠離承接像的屏幕使像距增大，才能使像再次清晰，而且像逐漸變大。在投影手電筒所成的像變大的過程中，物距在變小，像距在變大。體驗與數據分析結果吻合。

設置學生活動3：練習使用放大鏡，探索如何才能看到更大更清晰的指紋。學生們逐漸增大放大鏡到指紋的距離（但距離始終小于凸透鏡的焦距）時發現，指紋的虛像逐漸變大。結合電腦動畫幫助學生理解凸透鏡成虛像的變化規律。

使用自制相機、投影手電筒，練習使用放大鏡等體驗過程既是對已得結論的檢驗，又成為了結論的新證據。

上述“凸透鏡成像規律”的教學設計中，運用實驗數據、事實描述等方法收集了學生的大量實驗數據，再利用數學思維工具，展示清晰的數據，提升學生的數據分析能力；對非規律性數據追蹤來源的教學實踐，重現實驗研究以確保數據真實可靠，處理過程體現科學精神，幫助學生初步形成了審辨式思維。

真正的科學探究不是按部就班的機械性實驗，不是已知結論驅動下的、無思想的簡單的技能重復，而是讓學生通過實驗模擬科學家的研究過程，重走科學家敢于質疑、敢于研究、敢于創新、敢于發現的過程，體驗求真務實、不畏艱辛的科學精神。如果將“知識”直接給學生，學生還不能發自內心地理解“知識”時，這些“知識”只是表象化的信息，當他們理解了、領悟了的時候，才內化為真正的知識，進而轉化為能力。真正的科學探究能夠讓學生體驗發現問題和解決問題的真實的全過程，領悟科學的本質，理解真正的知識，實現深度學習。

（作者單位：北京市第十三中學分校；指導教師：北京教育學院周瑩）

責任編輯：肖佳曉

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