关于探究式教学中“分析与论证”要素的若干解读

探究式教学中的“分析与论证”是指学习者在探究过程中，在获得实证的基础上将探究结果与自己原有的知识联系起来，运用分析、综合、归纳、演绎等科学研究方法，找到事件的因果关系或其他解释，形成超越学生原有知识和当前观察结果的新的理解。“分析论证”是构成探究式学习过程中的诸多要素之一。那么，分析论证在科学探究中有什么意义？高中物理新课标对“分析论证”要素提出了什么要求？分析论证要素与探究要素之间的关系如何？教学中如何引导学生进行分析论证？本文试围绕这些问题，谈谈对分析论证要素的若干认识。

一、分析论证对科学探究活动的意义

在人类认知事业中，自然科学之所以享有特殊的认识论上的权威性，是因为它独自具有客观的、理性的探究方法，这其中包括了实证、分析论证等基本要素。实验证据虽然已经得到，但是它并不等于科学探究的结论，而仅仅是对实验事实的客观记录。第谷毕生的精力都用于观察星体上，积累了大量丰富的天文资料，但只是一堆可靠的资料而已，并不能说明天体的运行规律。是开普勒对这些资料运用猜测、类比假设、分析论证等多种方法，经过艰苦的研究，终于在杂乱无章的资料中总结出天体运动遵循的三大定律。只有对实验和证据进行分析与论证，才能得出具有普遍意义的科学规律，这是从实践上升到理性认识的过程，是唯物主义认识论规律的必然要求。

分析论证不仅有助于学生将实验证据、已有的科学知识和他们所提出的解释这三者之间更紧密地联系起来，而且由于这样的过程是在学生自主质疑、推理和批判性思维活动中完成的，打破了对知识的盲目迷信，增强了对自己学习的控制。学习者在有效建构新知识的同时，将获得新的观点、新的思维方法和对深层次思维结构的重组。

应该说，科学探究过程既是系统的，又是灵活的。在有的探究过程中，某些探究要素的特征并不明显，课程标准也允许学生在探究中只涉及部分要素，但一般而言，分析论证的要素是必不可少的。强调并提出这种观点，并不是凭空臆断。一则，由于传统教育的影响，学生很少会积极地为不同的解释寻找证据，很少去思考为什么某一种证据比其他的更有力，也很少做出判断哪一种解释得到更多的支持。这些对于探究至关重要的内容往往多由教科书或教师所包办，留给学生探究的空间很小。二则，由于学生探究的内容是人类早已发现的，学生的学习活动不易设计成真正具有探究性的过程。在较极端的情况下，往往成为目标和路线都明摆着的形式化的探究，吨假说求证的过程则被误导为纯粹的证实，而且往往一二个事实就给人以得到证实的印象，而更能反映科学研究活动真实的证伪则不见踪影。这样的教学，不仅不利于培养学生的探究能力，更严重的是会误导对科学本质的理解，在学生头脑中形成不正确的科学形象。如果我们能充分认识到分析在探究活动中的决定性作用，我们也就能明确探究式教学活动设计的重点，并避免对各探究要素的泛化。

二、课程标准对分析论证要求的内涵

1．能初步描述实验数据或有关信息

实验数据的描述应该是客观、真实的，以此为基础上进行分析论证的结果才是科学的。我们不能带着对实验结果的预期来影响对实验数据的描述。例如，在如图1所示的研究变压器原副线圈匝数与电压、电流之间的关系实验中，可得到的现象是，匝数越多的线圈，其两端的电压越大，流过的电流越小，但与精确的正、反关系有差异，即为。许多时候，我们都以实验误差等理由敷衍了事。其实，为得出有关变压器原理的正反比关系，需要我们进一步探究。可分析实验中已得到的实验数据，表明由于铁损、铜损、磁漏等原因，变压器的输出功率与输入功率并不相等。再如图1所示演示：当将可拆变压器的铁芯向右移时，变压器的输出功率将变得更小。然后再用外推的思想方法归纳得：在理想条件有。这一探究活动，无疑会使学生对理想变压器的工作原理、有关公式的适应条件等有更深刻的理解。更重要的是，这是对学生一种实事求是的严谨科学态度的教育。

对物理现象的描述，其描述标准前后要统一，并尽可能地用定量或半定量的方法描述出物理现象的特征，这是由物理学科的精确性和高度定量化特征所决定的。如在探究光的折射规律时，人们很早就发现了折射角r随着入射角i的增大而增大这一现象，但这种仅是定性的描述，不能上升为折射定律。大约经历了1000多年的时间，荷兰物理学家斯涅尔通过定量的分析研究，才发现了与之比是一个常数。

实验数据的描述可以采用文字表述的方法，也可以采用数学表示的方法，《标准》明确要求学生“能用语言、文字或图像表述常见物质的物理特征”，通过在有关坐标系中描点来描述实验数据，可以形象地表现出信息特征。

2．能对收集的信息进行简单的比较

对收集信息的简单比较，是指判断所比较的信息是相同还是不同，如果不同，其不同点是什么。

如用图2所示的装置研究平抛运动，改变整个装置的高度做同样的实验，比较A、B两球，发现A、B两球总是同时落地，比较1、2两球，发现1、2两球总是相碰，则由任意性可推理出普遍性结论。又如研究闭合电路内、外电压关系时，发现它们其中之一增大时，另一个量减小，进一步的比较还可发现，两者之和接近于某一定值。再如比较放在通电螺线管周围的各个小磁针静止时的指向，发现它们是不同的，进一步比较相邻磁针的指向关系，发现它们是有联系的。

尽管以上所比较的量是不同的，如时间、水平位移、电压、磁针指向等，但它们共同的特点是由于通过比较耳获得了发现。如果对所获得的发现再做进一步的分析、归纳和概括，就有可能得出科学的结论。因此，对信息进行比较是进一步分析、解释信息的基础。随着学生探究能力的提高，对信息的比较要求的内涵也应逐渐丰富发展，如要求确定数据的大致范围，寻找异常数据，确定对照组，识别不产生影响的变量、影响较小的变量、对结果有负面影响的变量等。

3．能进行简单的因果推理

要使学生进行因果推理，首先应该使学生认识到，作为原因和结果的两个事件是具有必然联系的：一个事件A的发生，将会造成另一个事件B的发生；另一事件B的发生，将意味着事件A在起着作用。这样，A就是原因，B就是结果。

发展学生的因果推理能力是物理教学中重要的任务。简单的因果推理能力的培养，有的可以从两个关联事件发生的时间先后分析入手，时间在先的是原因，时间在后的是结果。还可以让学生从控制不同物理条件所发生现象的变化中寻找因果关系。

4．经历从物理现象和实验中归纳科学规律的过程

在经历了对数据的准确记录、对数据的比较和对可能的因果关系进行分析之后，离科学探究的结果仅有一步之遥，这一步就是归纳科学规律。

要归纳科学规律，就要寻找数据之间相互关系的特征。在中学物理中，这种特征通常表现为相等、之和、之差、乘积、比值等数学关系。因此在归纳时，就要通过对数据的比较，发现这些特征并归纳出结论。要归纳科学规律，还要关注物理条件改变与物理现象变化之间的联系，能尝试用不同的方式分析和解读数据，考虑对同一现象做不同的解释，并通过不同思想的撞击、沟通和补充，学生可以重审调整自己的解释，从而完成对事物的认识。

5．尝试对探究结果进行描述和解释

通过探究活动，应让学生尝试用自己的语言对探究结果进行描述，描述应为求客观、准确地反映探究的结论，以发展他们运用科学、简洁、准确的语言来表达探究结果的能力。解释是借助于推理说明现象或结果产生的原因。解释实验结果，也是描述物理规律的一种方式。解释要将所观察到的与已有知识联系起来，并超越现有知识，更新现有的理解。

三、如何指导学生进行分析论证

1．指导学生以科学的方法进行分析论证

学生探究得到某一论断一般都是有根据的，只是证据的程度不同而已。为保证分析论证的结果客观可靠，有必要让学生理解一些科学研究中的基本原则。例如：（A）对照性（可比性）原则，即通过变量的选择与控制，由一组不含实验处理因素的对照组以鉴定引入处理因素的效果。（B）随机性原则，随机抽取样本，以抵消心理预期等非处理因素影响。（C）可重复性原则，即在相同的实验条件下，重复此项实验，应能得出相同的结果。样本愈大，重复次数愈多，愈为可靠真实，等等。

如在研究楞次定律时，两次向线圈中插磁铁，结果线圈中感生电流的磁场总是使线圈上端的极性与磁铁下端的极性相同，如果据此我们总结规律：“感生电流的磁场方向总是与原来磁场的方向相反”（这是学生在应用楞次定律时常出现的错误），这显然不对的，因此，分析论证中缺少了对照组（磁场向上运动）的鉴定。

2．重视克服“定向”作用的影响

由于探究教学中的情景呈现往往有如下特征：一是在呈现前有明确的问题引导，暗示情景将起的作用；二是情景的结果往往具有验证性。由此，学生在分析论证物理规律和现象之间的因果关系时，思维过程往往并不完备，甚至会削弱对直观感觉的材料的理性分析，从而导致错误。

如在分子间的相互作用力教学中，教师经常会做这样一个演示实验：两块平板玻璃间的空气用水排出后，会牢牢地粘合在一起，很难把它们分开。如何解释这个现象？由于实验目的本身“定向”作用，学生探究思维的方向会明显的迎合实验目的──“分子间存在相互吸引力”这一结论，但这样的思维过程并不完备。其实，从实验原理上分析，“分子间存在相互吸引力”仅是两块玻璃粘合在一起的推测之一，推测之二是外面的大气就把两块玻璃紧紧地压在一起了，就像马德堡半球实验。需引导学生对实验现象的本质做进一步探究，可设计如下验证方案：把玻璃片A、B用水粘好，较大的一块A在上，用木块架起来，B悬空，用玻璃罩罩住，而后用抽气机抽出罩内空气。实现现象是，玻璃罩内空气抽出后，B仍与A粘在一起。由此才可得结论：大气压把两块玻璃压在一起的推测错误。

探究目的定向性，也会抑制实验过程中的“意外”的关注。如在做“验证机械能守恒定律”实验中，实验结果是重力势能的减少量总是大于动能的增加量，由于实验的目的“定向”作用，许多学生往往不能以科学的态度对待这一实验中的“意外”，根本不分析其中原因，即得出守恒的结论，甚至有的不惜偷梁换柱，拼凑数据，以迎合实验目的──“守恒”这一结论。教育学生以科学的态度实事求是地对待实验中的“意外”，这也许并不比让学生掌握实验内容本身次要。事实上，许多重大的科学发现，正是意外之中产生的，如X射线的发现、α粒子散射实验等。

3．强调分析论证并不就是证实猜想

通过对证据的解释，证实或修正或否定假设是科学研究的一个基本环节。假设向理论转化有以下几种情况：一是证实假设，科学事实证明了假设的正确性，假设便转化为理论；或者修正假设：原假设与新的科学事实不甚吻合，需要对原假设进行修正；也可能否定假设：假设与新发现的科学事实产生矛盾，因而原假设被否定。实际上，在真实的科学探究中，大多数人的大多数时间是耗费在那些最终没能得到实验证据支持的假说上，但没有任何一位科学家会否定这种探索的价值。然而，教科书本身的局限性决定了它与科学发现的真实背景有距离，很少能反映科学家所走的弯路和所犯的错误。如果我们在教学中再照本宣科，结果很容易使学生认为，科学研究就是观察实验、收集材料以及对材料进行概括和推理等方法，只要正确地运用它们就能保证研究成功，一定取得预期结果。

当然，我们也不可能、也不必要在探究教学中完全重复科学家的研究过程，但我们至少要鼓励学生在分析论证中思考：现有的信息是否支持你的假设？是否需要收集更多的数据？是否需要指出实验中存在的缺陷？为什么某一种证据比其他的更有力？能积极地为不同的解释寻找证据；判断哪一种解释得到更多的支持。在这种反思中，减少论证的盲目性，进而产生新的猜想并发现新的论证。如在“水和酒精混合演示分子间有间隙”的实验，用普通试管来做实验，体积变化并不明显（缩小3％左右），该证据是支持分子间有空隙的，但证据是否足够？有否不同的解释？如此微小的体积变化，有否可能是因为木塞吸附液体所致？或者是因为手指沾去了呢？应该说，分析论证进行至此并未完成，但我们不可否认学生对该实验质疑的可贵价值。

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