探究性实验中分析论证的思路与方法

发布时间:2017-11-14 07:00 编辑:admin666

  摘 要:探究性实验中的分析论证环节既是实验教学的重点,更是教学的难点.教师要在这一环节中做好启发引导作用,给学生提供一些分析论证的思路与方法,即给学生一个思维的支撑点,让学生通过自己的思维进行分析论证,而不是教师的包办代替,这样才能真正达到探究性实验的目的.

  关键词:探究性实验;分析论证;思路方法;思维支撑点
  从科学方法论角度,我们可以把探究性实验看作是人们用控制手段向特定的研究对象输入明确的问题信息,迫使它输出应答信息,然后用观测手段收集应答信息,最后整理、破译应答信息的过程.这一过程一般可解析为两个主要要素:一是进行实验与收集证据;二是分析论证.在这两个要素中,通过一定的实验方法来观察现象、获取数据只是实验的一个初级阶段,要达到实验所预期的目的,还必须通过分析论证这一高层次的阶段,也就是整理、破译应答信息的阶段.在该阶段中需要对实验现象和数据进行分析、综合、抽象、概括等逻辑思维,也需要数学、图像等一系列科学方法,才能挖掘出实验现象和数据中所蕴含的深刻含义,从而探究出物理规律.
  高中物理探究性实验中的分析论证环节,绝大多数是对实验数据类的分析与论证,用图像描绘出变化曲线(直线),然后从图线得出物理规律.也有一部分是对实验现象类的分析与论证,一般是通过比较法来寻找物理规律.此外也有通过作图类来探寻物理量之间的关系的,等等.
  一、实验数据类分析论证中的思路与方法
  在中学物理的探究性实验中,大多数获得的是实验数据,对实验数据类的分析论证,往往采用图像法处理.图像法处理实验数据具有以下一些优点.一是在探究性实验中,由于物理规律和结果还没有完全掌握或者还没有找到明确的函数表达式时,采用图像法作出的图线,能形象、直观地显示出物理量变化的规律,便于得出实验结论.二是图像法作出的图线具有取平均的效果.因为一般的图线是根据许多组数据拟合出来的平滑曲线或直线,这样的图线就有多次测量取平均的作用.三是由图像法得到的规律具有统计性,在描绘实验图像时,可以帮助我们发现某些错误数据.如描图过程中发现某个点偏离得特别远,则提示测量或数据计算中可能有错误,应剔除或进行重新测量,从而减小了实验误差,避免了偶然性的错误数据,使实验结果更加准确.四是图像法具有外推的作用.有的实验数据限于客观条件,不能直接测得,但是,我们可以根据能够测得的数据变化情况,合理地进行外推,以得出实验不能测得的结果.
  用图像法处理实验数据时,要注意以下几点.一是坐标轴和原点的选择方法:坐标的横轴为自变量,纵轴为因变量.由于被测物理量的不同,坐标原点可以和变量的零点不一致,单位的选取要合适,使图线均衡分布.二是描点的方法:实验数据必须用一定的符号(如用“×”“・”)描点.三是图线的描绘方法:作图线时,如果点迹的分布情况是一条直线,那么要使尽可能多的点落在图线上,偏离点应以大体相同的数目分布在图线两侧(对称).如果点迹的分布情况是一条曲线,那么就要用一条光滑的曲线去拟合.
  在高中物理实验中,很多实验根据实验数据作出来的图像直接是一条直线,如“探究小车速度随时间变化的规律”“探究加速度与力的关系”等,这样就可以直接根据图线(直线)及其坐标所表示的物理量得出物理规律来.如果描绘出来的是一条曲线,那么就要根据曲线的形状,进行合理的猜想,如“探究加速度与质量的关系”的图线形状像一条反比例函数的图像,由此提出“加速度与质量可能成反比关系”的猜想,然后根据猜想,采用坐标轴变换的方法进一步作图,直至得到一条直线为止.因为这种变换不仅是由于直线容易描绘,更重要的是直线的斜率和截距所包含的内容正是我们所需要的.但是,对一些比较复杂的曲线(猜想不出物理量之间的关系),这就需要教师做一个合理的引导.引导并不是给学生一个结论式的尝试,而是给学生一个思维上的支撑点.
  例如,“探究功与速度变化的关系”实验,实验数据如表1,作出功与速度的关系图像如图1所示.
  得到的图线是一条曲线,如果猜想不出曲线满足的功与速度变化的关系,一次次地尝试化曲为直,那么既费时又毫无意义.这时,可以提示学生尝试先取对数后作图像的方法.
  设功与速度变化之间的关系满足W=kvx,如何寻找x的值,从而化曲为直呢?因为处理指数函数的方法往往是取对数,所以,我们通过取对数的方法进行分析与论证.
  启发:从图线可以看出,当入射角和折射角都较小时,两者成正比,当入射角和折射角都较大时,两者不成正比了,也就是说,当角度较小时,两者接近相等,但是当角度较大时,两者不相等,这跟我们学过的什么函数相似呢?这样,学生就会很自然地想到角度与正弦函数(或角度与正切函数)的关系,然后通过进一步检验,就可以得出光的折射定律了.
  二、实验现象类分析论证的方法与策略
  一些物理实验得到的是实验现象而不是实验数据,从实验现象通过分析论证试图得到实验结论比实验数据的分析论证难度更大,这就更需要教师在分析论证这一环节中做好启发引导作用,教给学生一些分析论证的科学方法,让学生通过自己的思维进行分析论证,从实验现象中得出实验结论,而不是教师包办代替.
  例如,在“楞次定律”的探究过程中,通过磁铁插入与拔出螺线管的实验装置,可以得出如表3所示的实验现象[1].
  从表3的实验现象中,很难通过分析与论证探究出感应电流方向的规律.我们可以通过以下的思路来启发学生思考与讨论.
  启发1:如果实验结果是一些数据的话,我们通常是怎样找规律的?现在是一些实验现象,所以我们只能通过比较的方法来寻找规律.而且要控制变量,两两比较.看一、二两行,磁通量都增加,感应电流方向怎样?再比较一、三两行,穿过线圈的原磁场方向相同,感应电流方向又怎样?好像是没规律,没找到规律怎么办?
  此时,学生有这样的一个感觉,规律好像不在身边而是在河的对岸,作�榻淌�就必须为学生铺路架桥,这个“路”“桥”就是给学生一个思维的支撑点,让学生的思维通过教师铺的“路”、架的“桥”到河的对岸去探究规律.   启发2:我们知道,比较是有前提的,必须在同一前提之下才能对事物做比较,失去了前提,比较也就失去了意义.在这里,磁通量(的变化)和磁场(的方向)是描述磁场类的物理量,感应电流(的方向)是描述电流类的物理量,它们不是同一类物理量,不能直接比较.怎么办?是否可以引入一个“中介”物理量――感应电流的磁场?
  启发3:引导学生在表3的末项再添加对应的“感应电流的磁场方向”一项.然后比较一、二两行和三、四两行,看看有什么规律可循.
  通过教师为学生的铺路架桥,学生的思路就畅通了,从一、二两行就容易探究出“当原磁场的磁通量增加时,感应电流的磁场方向与原磁场的方向相反”, 从三、四两行就容易探究出“当原磁场的磁通量减少时,感应电流的磁场方向与原磁场的方向相同”的规律来.
  在“楞次定律”的前一节“探究电磁感应的产生条件”,也是从实验现象通过分析论证探究出电磁感应的产生条件的,分析论证的方法与楞次定律有异曲同工之妙,限于篇幅,在此不再一一赘述.
  三、作图类分析论证的方法与策略
  高中物理探究实验中的分析与论证环节,除了对实验数据类和实验现象类的分析论证外,还有通过作图的方法进行分析与论证.这类的分析与论证相对来说思维的层次要求更高,难度更大.教师的启发引导就显得尤为重要.通过作图的方法进行分析与论证往往有这样的特点,教师对给予学生的思维支撑点的把握很难落实.低一点,支撑的效果不大,高一点,就会失去让学生通过自己的思维去分析论证的意义.这就要求教师要拿捏好思维进度和难度的分寸.
  例如,在“探究求合力的方法”实验中,在白纸上作出了两个分力F1、F2和合力F的大小与方向后,怎样表述合力的大小、方向与两个分力的大小、方向的关系?教材中“建议用虚线把合力的箭头端分别与两个分力的箭头端连接,也许能够得到启示.”其实,这个“启示”启得太大了,这不是给学生一个思维上的支撑点,而是给了学生一个明确的结论式的指向,从而失去了在这个实验中让学生通过自己的思维去分析论证探究求合力方法的意义.诚然,作出了两个分力F1、F2和合力F的大小与方向的图示后,如果不给学生提供思维的支撑点,要探究出求合力的方法,难度也实在太大了.
  要较好地解决这个问题,我们认为应该注重实验的过程与方法,中间应该有一个过渡,从特殊到一般,这样比较符合学生的认知规律,也解决了“启示”难的问题.我们在让学生“探究求合力的方法”实验时,增加了两个步骤.
  步骤一:两个细绳套之间的夹角为90°,两支弹簧秤的示数分别控制为3 N和4 N,用一支弹簧秤拉(合力)的大小约为5 N,合力与两个分力之间可能存在怎样的关系?
  步骤二:两个细绳套之间的夹角为120°,两支弹簧秤的示数均控制为3 N,用一支弹簧秤拉(合力)的大小约为3 N,合力与两个分力之间可能存在怎样的关系?
  启发1:对于步骤一,3N、4N和5N的关系,联想到合力与两个分力可能满足直角三角形三条边之间的关系,试用力的图示方法作图探究之.
  启发2:对于步骤二,在步骤一作图的基础上,再作出一个等边三角形,其中一边在竖直方向.等边三角形的竖直边的长度,其实也是夹角为120°的等长的两条边为邻边的平行四边形对角线的长度.
  启发3:结合步骤一和二,你怎样用图示法作出合力与两个分力关系的图示?
  有了合力与两个分力可能满足平行四边形邻边与对角线的长度关系的猜想的思维支撑点,学生就会从这个角度出发,尝试作出合力与两个分力关系的图示,这个难度也就不大了.
  启发4:在探究性实验中,如果只从一个(或几个)特殊的实验得出的结论是否在一般情况下也成立?�需要我们通过怎样的实验来验证?
  需要改变F1和F2的大小与方向,重做上述实验,看看结论是否相同.
  增加了一个实验步骤,就给学生搭了一座思维的桥梁,有了思维的铺垫,降低了思维的难度,也为教师的启发起到了点到为止、恰到好处的作用.
  通过以上几个案例说明,探究性实验中的分析论证环节既是实验教学的重点(它是更高层次的实验),更是教学的难点(学生的分析论证能力相对薄弱).所以,教师在这一环节中要做好启发引导作用,教给学生一些分析论证的思路与方法,给学生一个思维的支撑点,让学生通过自己的思维进行分析论证,体验从实验数据或现象中通过自己的探寻得到实验结论带来的乐趣.

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