高中生控制變量推理能力的分析與培養

【摘要】控制變量推理在科學研究和物理教學中均具有重要地位，但是通過LCTSR問卷測評發現，高一學生的控制變量推理能力比較薄弱.本文通過查閱相關文獻，明確控制變量推理的內涵，梳理人教版普通高中物理教科書中控制變量推理的內容，提出提高學生控制變量推理能力的相應策略，以達到提升高中學生物理核心素養的目的.

【關鍵詞】高中物理;推理能力;學生培養

教育部2017年頒布了《普通高中物理課程標準》并于2020年進行修訂.其中指出了物理核心素養包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”四個方面，科學推理是“科學思維”素養的要素之一，控制變量推理又是科學推理的重要組成部分［1］REF_Ref101560691＼w＼h.因此，發展學生控制變量推理能力，是提高學生物理學科能力、培養物理核心素養的必然要求.控制變量推理在科學研究和物理教學中均具有重要地位，能夠幫助學生在科學研究中對多個變量進行隔離控制，將多變量問題轉化成單變量問題，是解決復雜問題的有效途徑.控制變量推理在教材中出現的頻率較高，涉及識別變量、控制變量以及歸納分析各個因變量間的關系，大多數以隱性方式出現，這反映了高中物理對學生控制變量推理能力的需要，同時也為培養學生的控制變量推理能力提供了廣闊的空間.通過科學推理測評工具LCTSR量表對聊城市莘縣某高中的學生進行測評發現，學生對簡單的控制變量推理掌握較好，但是對于復雜的控制變量推理，錯誤率較高，說明學生頭腦中有控制變量的思想，但未明白其內涵.因此，明確控制變量推理的內涵，分析教材中蘊含控制變量推理的內容，并為控制變量推理在物理教學中的應用提供建議具有非常重要的意義.

1 控制變量推理的內涵與教材呈現方式

1.1 控制變量推理的內涵

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》學業要求中指出，“能明確科學探究實驗所要解決的問題，知道制定實驗方案是重要的，有控制變量的意識.”［1］控制變量推理是指在研究多變量問題時，人為地控制影響事物變化的因素，使某一個因素根據特定需求發生變化，而其他因素保持不變，將多變量問題轉變為單變量問題，以利于尋找事物發展變化的規律.

從知識的獲取途徑來看，以分析數據、歸納規律入手的控制變量推理是數據驅動模式；從思維方法和教學流程上來看，學生首先要猜測影響因變量的因素，這便需要猜想思維，在分析實驗數據時，要歸納因變量與自變量的比例和關系，這又需要歸納思維，可見在使用控制變量推理時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

為了落實物理核心素養，從章節分布、內容和呈現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.

通過梳理教材發現控制變量推理在教材中出現的頻率較高，主要體現在探究影響某一物理量的因素和物理量間關系的實驗設計中，大部分是以隱性的形式呈現，其目的是讓學生受到科學方法的啟迪和熏陶，學習科學研究的方法和策略.

2 控制變量推理能力現狀分析

2.1 控制變量推理能力現狀調查

本次調查的研究工具為Lawson A.E教授團隊開發的LCTSR問卷，LCTSR問卷一共有24道題，選取其中的控制變量推理測試題（9-14題）對學生進行測試.隨機抽取290名聊城市莘縣某普通高中學生，以問卷的形式對高中學生的控制變量推理能力進行調查.

通過調查發現，在“控制變量推理能力測試”中，學生對“單擺實驗”（9-10題）回答的正確率明顯高于“果蠅實驗”（11-14題）的正確率.這兩道題目都要求學生在控制變量的情況下進行推理，不同點在于“單擺實驗”影響因素單一，并且已經給出測試方案，學生只需要從中作出選擇即可；“果蠅實驗”影響因素較多，情境復雜，要求學生在理解實驗方案的基礎上，依據實驗結果作答.部分學生雖然選對了這道題的答案，但是在原因分析上出錯了，由此可見，學生腦海中已經具備了“控制變量”思想，但并未真正理解其內涵，其控制變量推理思維在深度和廣度上都有所欠缺.

李夢宇使用LCTSR問卷，調查了曲阜師范大學附屬中學高二年級學生的科學推理能力，結果表明：學生的控制變量推理能力較弱［3］REF_Ref21720＼w＼h＼*MERGEFORMAT.這個結果與我們的研究結論一致.

2.2 原因分析

2.2.1 教師教學中對顯化“控制變量推理”的意識淡薄

教師是教學活動中的主導者，只有教師深入認識到控制變量推理在物理教學中的重要性，才會主動地進行控制變量推理的研究和教學.但是，通過聽課和對教師的訪談發現：一些教師沒意識到控制變量推理對于學生探索物理規律、發展科學思維的積極作用，他們認為學生在初中就已經接觸過控制變量推理，并且考試中對控制變量推理的考查比較簡單，因此在教學中缺乏滲透控制變量推理的意識，教學時對控制變量推理一筆帶過，這不僅難以系統地培養學生控制變量推理能力，還導致了物理教學未能發揮出提升學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

控制變量推理貫穿于中學物理的始終，物理中有許多規律是通過控制變量推理進行實驗得到的，這為控制變量推理的教學提供了平臺.但是，教師在物理教學中僅把控制變量推理作為探索規律的手段，對控制變量推理更傾向于“隱性”的教學方式，不向學生明示控制變量推理的方法，盡管教材中蘊涵了豐富的控制變量推理思想，但僅靠學生自己感悟，結果就是學生對控制變量推理沒有清晰的認識，難以用控制變量推理去解決深層次的問題.

2.2.3 科學探究中學生思維缺席

引導學生探究物理規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通過“講實驗”的方式，將實驗方案、實驗步驟、實驗結論直接呈現給學生，這樣的“科學探究”只是形式，學生沒有親身體驗規律的探究過程，難以感悟控制變量推理的思想，更無法深入理解控制變量推理，不利于培養學生的科學思維.

3 提高學生控制變量推理能力的策略

3.1 明確控制變量推理的內涵，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容以隱性為主，重在使學生受到科學方法的啟蒙教育和熏陶，但對于高中學生而言，他們的邏輯思維比較成熟.因此，對于控制變量推理的傳授不能僅僅停留在對名稱的記憶層面.在教學過程中，教師應有意識地明示控制變量推理的內涵、講解控制變量推理的操作步驟，彰顯控制變量推理的邏輯，引導學生自主設計實驗方案，解決實際問題.這一方法不僅能幫助他們深入理解控制變量推理的內涵和步驟，還能激發他們探索科學問題的積極性.

3.2 創設物理情境，讓學生體會控制變量推理

控制變量推理屬于程序性知識的范疇，具有抽象性和概括性，因此學生對控制變量推理的了解往往是淺層的，只會對簡單問題進行分析和推理［4］REF_Ref21821＼w＼h＼*MERGEFORMAT.因此，教師在教學設計和教學實施的過程中重視物理情境的創設.例如，在探究向心力的表達式時，教師可以為學生建構這樣的情境：在繩子的一端系一個小球，學生控制小球在水平面內做圓周運動，并通過改變繩子長度、小球質量和轉動快慢，讓學生感受向心力大小與圓周運動的一些運動學量之間的定性關系.教師提問：如果我們要探究向心力大小和多個物理量的關系時，應該采用哪種研究方法？通過實例讓學生對控制變量有了顯性認識，激發學生對控制變量推理的興趣.

3.3 引導學生自主探究，掌握控制變量推理

布魯納的發現學習理論提出：“學習的本質并不是被動地刺激—反應聯結，而是主動形成認知結構.”該理論強調學生的主觀能動性和獨立性［5］REF_Ref21997＼w＼h＼*MERGEFORMAT.因此，教師教學中可以明確利用控制變量推理設計實驗的流程，引導學生在控制變量的基礎上設計實驗方案，積極展開探索，親身經歷探究過程，學生才能真正理解控制變量推理的本質，提高科學推理能力.

第一，引導學生分析問題情境.首先，教師引導學生分析問題情境，明確研究對象，也就是找出情境中的因變量.

例如 探究影響導體電阻的大小的因素時，研究對象就是導體的電阻，電阻的大小就是因變量.其次，猜想影響研究對象的因素，也就是自變量.教師應該設置一些體驗類活動或趣味實驗，引導學生猜測影響研究對象的因素，而不是讓學生進行無根據的猜想.教師在教學過程中不僅要提出有價值的問題，還需要為學生提供可靠的信息和事實作為支撐，確保每個猜想都建立在有事實依據的基礎上.

第二，對影響研究對象的多個因素控制分離，將多變量問題轉化為單變量問題，推導出單個因素與研究對象之間的關系.

例如 在探究“牛頓第二定律”的實驗中，要研究加速度與質量的關系，我們如何保持小車所受拉力不變？又怎樣改變小車的質量？這些問題的思考為后面的實驗操作奠定了基礎，同時也是學生思維的增長點.

第三，通過分析實驗數據，得出每個自變量與因變量之間的比例關系，并將這些比例關系進行歸納整理，最終得出概括性的結論.

4 結語

總之，教師要清晰地認識到控制變量推理是解決受多因素影響的復雜問題的常用辦法，教師可以通過分析教材，挖掘培養學生控制變量推理能力的落腳點；在教學過程中，教師應該向學生明確控制變量推理的內涵，多創設物理情境，讓學生體會和感悟控制變量推理，同時在實驗探究的教學活動中引導學生應用控制變量推理自主設計實驗方案，加強學生對控制變量推理的理解與應用，提高學生解決問題的能力.

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2017.

［2］石堯.對高中物理比值定義法和控制變量法的再思考［J］.北京教育學院學報（自然科學版），2015，10（01）：50-53.

［3］李夢宇，李建彬，胡象嶺.高二學生科學推理能力現狀調查［J］.物理教師，2018，39（09）：18-21.

［4］李剛.科學探究中“控制變量推理”的教學策略［J］.物理教師，2022，43（12）：43-46.

［5］何先友.青少年發展與教育心理學［M］.北京：高等教育出版社，2016.