多因素问题的科学探究_教学参考-查字典物理网

尽管控制变量法对某些多因素问题失效, 但当前探究教学中几乎压倒性地用控制变量法来研究多因素问题, 此项研究调查了这种做法对中学生探究方案设计所造成的影响, 结果表明: 在具有简单多因素实验设计的意识和能力的学生中, 初一学生的比例大于初二、初三和高一学生的比例, 这说明过度的控制变量法训练, 削弱了多因素实验设计的意识和能力, 窄化了学生探究方案的设计思路.

关键词: 多因素问题; 控制变量法; 多因素实验设计; 科学探究

1 控制变量法的局限性

尽管控制变量法不是研究多因素问题的唯一方法, 但是一种非常重要的方法, 因此我国中学阶段所有理科的课程标准都明确要求会用控制变量法进行科学探究. 然而, 受传统应试教育的过深影响, 很多教师不是让学生通过实际探究学会控制变量法, 而是采用大量习题的反复训练, 这种强化训练给学生留下了简单化甚至异化的控制变量法. 在笔者的一次问题测试中, 来自19 个学校的962 个初三学生, 竟有98% 的认为多因素问题都可以用控制变量法来研究, 70% 的认为控制变量就是“改变一个因素, 同时保持其他相关因素不变”, 但也有25% 的认为控制变量就是“改变一个因素, 同时保持其他所有因素不变”.

然而,这种“保持其他所有因素不变”范式经常碰到问题. 例如,探究“空心管子作为承重横梁时其承受力与管子直径的关系”时,根据“保持其他所有因素不变”范式,除了控制管子长度不变外,还应控制什么不变呢? 一些学生可能意识到,

应该控制管子质量不变. 但是, 如果控制质量不变, 管壁厚度就要发生变化; 反之, 控制管壁厚度不变, 质量就要发生变化. 而且, 管壁厚度指的是相对厚度或是绝对厚度呢? 如图所示,B 管子与A管子有相同的绝对厚度, C 管子与A 管子有相同

的相对厚度, 这可能会让学生陷入困境, 不可能同时控制质量和厚度不变. 其实, 类似例子还很多,它们让我们看到了一个一般性问题: 在改变一个因素时, 不可能控制其他所有因素不变.

解决“保持其他所有因素不变”范式问题的办法是把它改成“保持其他相关因素”范式. 新范式一般是让学生先猜想可能的相关因素, 把无关因素排除, 然后“改变一个因素, 同时控制其他相关因素不变”. 这种新范式在中学物理运用很多, 如滑动摩擦力的大小与哪些因素有关? 液体压强与哪些因素有关?压力的作用效果与哪些因素有关?导体的电阻与哪些因素有关? 电磁铁的磁性强弱跟哪些因素有关系? 等等.

但新范式同样也有问题. 例如, 在探究“淀粉的消化率跟唾液的温度、pH 值等的关系”时, 掌握了新范式的学生就会知道: 在改变温度时, 要保持pH 值不变; 在改变pH 值时, 要保持温度不变.但是, 学生在改变温度时, 究竟把pH 值控制在什么数值呢? 有些学生可能会控制pH 值在中性, 有些学生可能控制在酸性, 有些学生可能控制在碱性, 等等. 而实际上, 淀粉的消化率在不同pH 值时, 受温度的影响是不一样的, 但学生并未知道哪个pH 值是合适的. 然而, 不管学生把pH 值控制在哪个数值, 都不违反控制变量法. 这样, 进行真实探究的学生就会得到不同的结论, 这些结论是真实的, 但却可能是错误的.

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