ARTICLE · 1094814
收藏学习《对高中物理比值定义法和控制变量法的再思考》
收藏学习《对高中物理比值定义法和控制变量法的再思考》
50—53 1 当前高中物理教学中对比值定义法的曲解
现行高中物理教材普遍认为,如果某两个(或几个)物理量在一定条件下的比值是一个常量,这个常量便反映了事物的本质属性,由此,利用这个比值就可以定义描述事物本质属性的一类概念.这种方法就叫做比值定义法。例如,"用速度变化量与发生这一变化所用时间的比值来定义加速度的概念"。然而,这种叙述仅仅是对比值定义式概念的界定,而不能称其为"比值定义法"。原因在于,比值定义法作为一种方法.它是人们认识客观事物的途径.是将书本上贮存状态知识转化为传输状态知识的桥梁,即一种可操作的程序,并非陈述性的定义。这种对"比值定义法"和"比值定义式"概念的 混淆,无疑会导致学生对比值中定义量与被定义量间辩证关系的理解陷入泥淖中。同时,现在教学中存在的一大疾便是,把所有用比值定义的式子(如:加速度a =△v/△t,电容C ＝Q/U)无一例外地都称为比值定义法,而在式子的建立过程中又都采用了先通过控制变量法得出关系式,再由比例系数法关系式变为等式,最后借助数学变换得到物理量的流程。可以说,在当今科学探究思潮的影响下,控制变量法已成为通过实验探究建立物理概念的"金科玉律",被广大一线教师奉为圭臬.这最终造成了控制变量法的滥用,使大多数物理概念的得出变得迂回间接,而视了数学公式背后蕴含的物理意义。那么,控制变量法和比值定义法有什么区别与联系?
2 比值定义法和控制变量法的教学程序及属性
科学方法一般分为思维方法和物理方法两类,其中物理方法是特定专业领域的独特认知方法往往与专业知识紧密相联2,比值定义法和控制变量法均属于这类科学方法的范畴。而在科学方法的二级分类中,物理方法又被分成建立物理概念的方法和解决物理问题的方法。如果能分清比值定义法和控制变量法的属问题无疑有助于科学方法在实际教学中的准确应用。那么这两种物理方法究竟谁属于建立物理概念的方法,谁又属于解决物理问题的方法?下面结合操作流程及特点对其属性进行界定。 使用控制变量法的教学程序是,在研究某一个物理量与多个物理量之间是否存在联系或存在何种比例的关系时,先把一个或几个物理量控制起来.使它们保持不变;进而把研究的问题转化成探究该物理量(因变量)与单个物理量(自变量)之间的关系,由此使被研究的问题由复杂变简单。在分别得到因变量与每个自变量的比例关系后,再将各关系综合起来.最终得出正确的结论。该方法的特点是:每一步往往只是定性或定量研究其中两个变量之间的关系,而其余变量须保持不变。可见,在整个教学脉络中,控制变量法以一种解决物理问题(即"孤立"自变量,"屏蔽"干扰变量)的形式而存在为进一步定量得出正反比例关系奠定了坚实的基础。 比值定义法的教学程序是:在建立一个新的物理概念时,先从这个概念的物理意义入手进行比较,然后在学生已有认知结构中找到一个和该物理量意义相关的量进行尝试性比较,进而引发学生的认知冲突,随后帮助学生确定谬误产生的根源-比较时未能选取相同的标准:接下来用除法工具进行处理,即借助比值的形式进行比较.最终结合多组数据及学生的生活经验诠释比值的含义。此方法的一大特点便是.在总结比较共同出现的关键物理量后,借助除法工具对比较的标准加以统综上,比值定义法属于一种建立物理概念的方法,利用演绎推理的形式对假设进行修改与验证,从而获得陌生物理量的定义式及相应的物理意义。 3 控制变量法和比值定义法的比较研究 3.1比较形式层面 比值定义法和控制变量法的实施都要以比较作为先决条件。其实,对物体进行比较源自人类对经典物理世界最为朴素、本原的感知。乌申斯基说过:"比较是一切理解和思维的基础。"可以说没有比较就没有认识和研究。根据时空上的区别,可以把比较分为纵向比较和横向比较。纵向比较是比较同一对象在不同时期内的发展与变化;横向比较是对同类别的不同对象在相同标准下比较。可见,控制变量法涉及的比较属于一种纵向比较,因变量和自己的过去做比,即改变自变量大小,观察因变量的变化趋势;而比值定义法涉及的比较则是横行比较,比较同一类事物中的两个对象在某一方面的能力强弱或变化快慢等,如比较两个电容器容纳电荷能力的强弱。此外.这两种物理方法的背后还影射着不同的实验研究范式:控制变量法与单组前后测相对应,其实验处理为使自变量发生变化;而比值定义法与双组前后测相对应,实验处理则是利用除法统一标准。两者在比较形式上的不同,最终转变成了实验研究范式的迥异。 3.2认知路径层面 科学方法是人类认识物质世界的途径与方式,支配着知识的获取和应用。心理学家西蒙把知识获取的途径结为两类(,一类是数据驱动,先收集大量数据.然后进行分析,找出规律并予以解释:另一类是概念驱动,先提出假设.然后根据实验来检验并修改假设。有研究显示,这两种认知途径分别对应着学生不同的认知水平.数据驱动与具体运算阶段的认知规律相吻合,而概念驱动则契合了形式运算阶段的认知规律。如果能厘清比值定义法和控制变量法与这两种认知路径间的对应关系,无疑有助于教师在教学中的因材施教,即结合学生不同的认知水平,合理选择建立物理概念的方法。那么究竟哪种物理方法属于概念驱动模式,哪种又属于数据驱动模式呢?笔者认为,以分析数据、归纳规律入手的控制变量法是数据驱动模式;而以提出假设、验证假设入手的比值定义法则是概念驱动模式(4)。可见,两种物理方法的不同,实际是人类认知路径的不同。 3.3思维方法层面 思维方法是可以被用于各种问题解决过程中的一般策略和方法。这种方法属于一种特殊的心理体验_不能靠单纯的讲解来传授,往往需要使用、训练才能为学生所体会、领悟。由于思维方法隐藏在物理方法的背后,对物理方法起着支配与统摄的作用,所以思维方法教育必须要借助物理方法进行。 因此,识别物理方法与思维方法之间的对应关系,有利于通过物理方法对思维方法进行渗透式教学结合两种物理方法的教学流程,可以发现,在使用"控制变量法"前,首先要利用生活实例让学生思考影响因变量的因素.这里便涉及到了猜想这一非逻辑式的思维:接下来通过对所得实验数据的分析得到因变量与自变量的比例关系,又需要用到纳思维;可见在使用控制变量法建立物理概念时,用到的思维便是猜想与纳了。反观比值定义法,先要结合学生已有认知结构.后发他们提出一种粗略描述物理概念的假设,然后设计实验验证假设,在否定先前假设的基础上找到不足并修改假设,由此通过一步一步的假设和演绎推理最终得出要定义的物理量。因此,假设、演绎思维统摄着比值定义法。 4比值定义法和控制变量法的教学实例 在明晰了两种物理方法各自的特点及规律后,下面以电容定义式和决定式的建立过程为例,结合日常教学来探讨这两种方法在实际中的应用。 4.1利用比值定义法建立电容的定义式 定义式是指利用某几个物理量对一个新的物理量进行定量描述,从中表达出这个新量的物理意义,同时这个物理量与定义它的量之间并无比例关系。 在充、放电实验中,学生已认识到电容器两端加上电压后便能纳电荷。据此,教师可顺势提问对于不同规格的电容器该如何衡量它们容纳电荷的能力呢?回顾之前的知识可知:电荷的多少用电量表示。这样引导学生提出"通过直接比较电容器极板携带的电量来断它们容纳电荷能力"的假设。接下来,教师可帮助学生设计验证实验,选取两个不同容量且已标明规格的电容器,它们分别接入电路中进行带电量多少的比较。然而结果却显示,当电容器两端所加电压不同时,实验中会出现容量大的电容器带电量少、容量小的电容器反而带电量多的现象,即直接比较极板携带电量的做法是错误的!这便引发了学生的认知冲突,为下一步的教学做出了铺垫。随后的教学环节中,教师要及时把握教学契机,后发学生找寻谬误产生的根源并尝试修改先前的假设。谬误产生是因为电容器加载的电压不同,即比较时未能选取相同的标准,因此解决问题的方 法就是对电容器两端的电压做标准上的统一。这里出于简单和方便考虑,可以借助除法这种数学工具,用极板携带的电量Q除以相应的电压U,得到"单位电压下极板所携带的电量",即以比值的形 式进行比较。经计算,大电容器的值的确大于小电容器的值,与观事实(容量大的电容器携带的电量更多)相吻合。但这种比较方式却与直接比较极板携带电量的初衷大相径庭,那么究竟这个比值的含义是什么? 为解答比值引发的困惑并分析其内,教师可给电容器两端依次施加不同数值的电压,计算比值的大小,并归纳规律。通过计算可知比值是一个常数,和极板带电量Q及两端电压U的 大小无关。它是电容器自身的一种属性,只与电容器本身有关,这个比值反映了电容器容纳电荷本领 的强弱,该比值越大,单位电压下极板携带的电量就越多。一般称该比值为电容器的"电容",用字母C表示 4.2通过控制变量法引入电容的决定式 当然也不是所有比值形式的式子都是由比值定义法建立的,有些比值形式的式子就是要借助控制变量法引入,例如"决定式"。决定式是利用等式的形式来反映一个新的物理量所受到的制约因素与影响_从这个式子中可以了解新物理量与影响因素间的正、反比关系。在学生知道了电容的概念后,下一步的教学任务就聚焦到"平行极板电容器电容的决定式"上。鉴于教学应遵循由直观向抽象过渡的规律.首先为增强学生的感性认识,教师可让学生观察平行板电容器的特点与构造,从而"猜想"影响平行极板电容器电容大小的因素。由这种非逻辑式的思维出发,最终学生的关注焦点汇聚到"板间距离"、"极板正对面积""板间的介质层"三个因素上。 接下来.教师应进一步发问,这些因素和电容大小之间存在着怎样的数关系,该如何探究呢?由此帮助学生设计实验,在实验探究过程中,学生会发现这样一个问题:当一个因变量(即平行板电容器的电容大小)与三个自变量(板间距离 极板正对面积、板间的介质层)都存在相应的数关系时,那么该如何"屏蔽"掉这些多余的自变量,而仅研究某一个自变量与因变量间的关系?此刻,便引一种十分重要的方法——控制变量法,即先把几个物理量控制起来,使它们保持不变,从而把研究的问题转化为因变量(即电容大小)与单个自变量之间的关系问题。于是教师可保持极板正对面积 和板间介质层恒定,让学生观察随着板间距离的增大(减小),电容大小的变化趋势,从而得出一个重 
5 结语 在物理教学中显化科学方法的重要性日益受到关注,但是倘若对科学方法的内辨别不清,在教学实践中就会导致方法使用的混淆。这种张冠李戴的教学徒增了学生学习物理概念的认知负荷也势必会对科学方法显化教育造成极大的阻碍。因此,对于科学方法的传授不能仅仅停留在对名称的记忆层面,而要对易混淆的科学方法进行严格区分.识别它们的使用条件,应用范围和教育价值。 参考文献: ]人民教育出版社课程教材研究所,物理课程教材研究开发中心.物理(高中必修1)[M].北京:人民教育出版社 [2]陈清梅,邢红军,李正福.论物理课程改革背景下的科学方法教育J.课程.教材.教法,2009(8):52-56 ［3]邢红军.从数据驱动到概念驱动:物理问题解决方式的重要转变.课程.教材.教法,2010,30(3) :50-55. ［4]石尧.电容定义式引入的再认识.中学物理教学参考.2014.47(7):34-36