定性與定量結(jié)合　培養(yǎng)學生科學思維

陳銘　侯恕

摘 要：本文以“浮力”一節(jié)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(jié)合：新授課中將實驗觀察與理論推導結(jié)合、習題課中一題多解，以期將培養(yǎng)學生科學思維落實在課堂教學中.

關(guān)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(yǎng)，讓學生養(yǎng)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(yǎng)的養(yǎng)成和發(fā)展”.科學思維是物理學科核心素養(yǎng)四個方面之一，主要包括模型建構(gòu)、科學推理、科學論證、質(zhì)疑創(chuàng)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(guān)問題進行科學推理、找出規(guī)律、形成結(jié)論”[2].

課堂教學中，教師要關(guān)注對學生科學思維的培養(yǎng).筆者在教學過程中發(fā)現(xiàn)：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(fā)展階段論提到兒童的思維從表象思維發(fā)展為具體運算思維又發(fā)展為形式運算思維，其中也包含形象思維向抽象思維的轉(zhuǎn)變.然而形象思維與抽象思維并非單獨發(fā)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(jié)合，引導學生全面發(fā)展形象思維與抽象思維，從而培養(yǎng)學生的科學思維.

筆者將以“浮力”一節(jié)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(jié)合，培養(yǎng)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(jié)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(nèi)容可通過探究實驗進行定性分析，再根據(jù)浮力的產(chǎn)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(jié)論.

1.1 實驗探究浮力大小與哪些因素有關(guān)

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(xiàn)在老師給大家每組一個小桶和一些石塊，請大家繼續(xù)探究浮力大小與什么因素有關(guān).

（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(fā)現(xiàn).

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(shù)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(shù)越小，說明石頭受到的浮力變大了.

組2：我們組也發(fā)現(xiàn)石頭越往下放，彈簧測力計的示數(shù)越小，但是石頭浸沒后，再往下放，示數(shù)就不變了，接觸到容器底時，示數(shù)突然減小.

組3：我們組發(fā)現(xiàn)，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(shù)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(fā)現(xiàn)浮力與哪些因素有關(guān)？

生：與物體浸入液體中的體積和液體的密度有關(guān).

1.2 理論推導浮力大小與哪些因素有關(guān)

學生通過實驗探究浮力大小與哪些因素有關(guān)后，根據(jù)理論進行推導，驗證實驗結(jié)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(guān)系.根據(jù)浮力的產(chǎn)生原因：物體上下表面的壓力差，以規(guī)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(jié)果可知，浮力大小與浸入液體中的體積和液體密度的關(guān)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(guī)律，形成結(jié)論;另一方面，多角度培養(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)學生模型建構(gòu)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(yǎng)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(jié)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(jié)合，培養(yǎng)學生的科學思維.

【原題重現(xiàn)】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(jīng)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(tài)，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(diào)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(guān)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(diào)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(xiàn)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(xiàn)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(shù)學知識結(jié)合，定量計算，科學推理，得出結(jié)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(fā)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(yǎng)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(shù)同學的原因都是：原來F浮=G，現(xiàn)在F浮=ρ液gV浸不變，而G減小，故F浮>G，物體將上浮.根據(jù)這一思路，思考原題，便有同學想到了解法二.

對這一例題結(jié)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(yǎng)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(jié)

除本節(jié)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(guān)，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(guān)系，再用公式描述它們之間的定量關(guān)系……但有的問題無法給出具體的數(shù)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(yǎng)學生的科學思維.

中學生處于思維能力發(fā)展的關(guān)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(jié)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(jié)論;習題課中，要對習題進行開發(fā)，用多種方法求解典型題，少總結(jié)套路，多發(fā)散思維，從而培養(yǎng)學生模型建構(gòu)、科學推理、科學論證、質(zhì)疑創(chuàng)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(huán)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(fā)展從元認知出發(fā)[J].物理教師， 2015， 36（04）：27-29.

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