971.淺談初中科學(xué)探究中的思維方法

1、淺談初中科學(xué)探究中的思維方法 摘要：科學(xué)探究的過(guò)程充滿了理性思維的火花，許多的思維方法凝聚著科學(xué)家的智慧和創(chuàng)造。在初中科學(xué)教學(xué)過(guò)程中，展示探究過(guò)程中的思維方法，能增進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)探究的理解，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。 關(guān)鍵詞：思維方法 探究 當(dāng)今社會(huì)是學(xué)習(xí)化的社會(huì)，人們要在社會(huì)上立足就必須更多的學(xué)習(xí)必備的科學(xué)知識(shí)，以順應(yīng)時(shí)代的要求。學(xué)校教育應(yīng)重視學(xué)生的終身能力的培養(yǎng)，在諸多的能力培養(yǎng)中，創(chuàng)造能力是核心，而創(chuàng)造能力的關(guān)鍵是突出科學(xué)探究。 在科學(xué)課程中，學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究的過(guò)程，學(xué)會(huì)一定的科學(xué)思維方法，以解決自身學(xué)習(xí)、生活、工作和社會(huì)決策中遇到的問(wèn)題，為學(xué)生的終身發(fā)展奠定基礎(chǔ)。 科學(xué)探究中的思維方法有許多，

2、常見(jiàn)的有模擬法、轉(zhuǎn)換法、變量控制法、比較法、累積法、守恒法、放大法、極限法、替代法等。下面就幾種重要的思維方法進(jìn)行一下分析。 一、模擬法 模擬法是通過(guò)設(shè)計(jì)與原型（自然現(xiàn)象或過(guò)程）相似的模型，并利用該模型來(lái)間接的研究原型規(guī)律的方法。此法可使事過(guò)境遷或稍縱即逝的自然現(xiàn)象或過(guò)程在實(shí)驗(yàn)室重現(xiàn)，可使不能直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的對(duì)象在模擬的條件下“實(shí)在化”。 例如，晝夜的成因一節(jié)里的活動(dòng)“晝夜交替的演示”：用一個(gè)臺(tái)燈代表太陽(yáng)，用一個(gè)乒乓球代表地球，用一個(gè)長(zhǎng)而粗的針沿乒乓球的一條直徑穿過(guò)乒乓球代表地球自轉(zhuǎn)軸。在乒乓球上畫(huà)一紅點(diǎn)并在離臺(tái)燈稍遠(yuǎn)處對(duì)準(zhǔn)燈泡，將粗針與水平線傾斜成66.5，緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)乒乓球，每當(dāng)乒乓球轉(zhuǎn)過(guò)一

3、周，就形成紅點(diǎn)的明暗交替一次。這個(gè)現(xiàn)象就模擬了晝夜交替的成因。 又比如，在研究磁體周?chē)拇鸥芯€分布時(shí)，因?yàn)榇鸥芯€實(shí)際不存在，在磁體周?chē)鶆虻厣⒉技?xì)鐵屑，通過(guò)細(xì)鐵屑的規(guī)則排列形象地模擬磁體周?chē)拇鸥芯€。 二、轉(zhuǎn)換法 2000多年前，希臘學(xué)者阿基米德在思考如何鑒別王冠的含金量時(shí)，從洗澡時(shí)浴缸向外溢水的現(xiàn)象中受到啟發(fā)，歸納液體中物體受到浮力的規(guī)律時(shí)，把物體受到的浮力轉(zhuǎn)換為物體排開(kāi)水的重力。（阿基米德原理活動(dòng)：“探究浮力的大小”） 從阿基米德的思維方法中，我們可以領(lǐng)悟出一個(gè)解決問(wèn)題的方法，如果直接處理或解決某一問(wèn)題而感到困難時(shí)，可以將問(wèn)題等價(jià)地變換為我們熟悉的另一個(gè)問(wèn)題去解決，我們把這種方法叫轉(zhuǎn)換法。

4、 例如，hcl和naoh溶液反應(yīng)時(shí)，沒(méi)有明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，如何用實(shí)驗(yàn)證明確實(shí)反應(yīng)了？可以根據(jù)反應(yīng)物與生成物的不同化學(xué)性質(zhì)，借助酸堿指示劑來(lái)顯示反應(yīng)的進(jìn)行。可將酚酞滴入naoh溶液中（溶液變成紅色），再滴入hcl至紅色褪去。 又例如，分子的熱運(yùn)動(dòng)肉眼看不見(jiàn)，摸不著，不便于研究，但我們可以通過(guò)研究墨水的擴(kuò)散現(xiàn)象來(lái)認(rèn)識(shí)它。（物體的內(nèi)能活動(dòng)：“觀察墨水滴在清水中的擴(kuò)散”） 再如，測(cè)不規(guī)則小石塊的體積我們轉(zhuǎn)換成測(cè)排開(kāi)水的體積，測(cè)曲線的長(zhǎng)短時(shí)轉(zhuǎn)換成細(xì)棉線的長(zhǎng)度等等，均應(yīng)用了轉(zhuǎn)換法。 三、變量控制法 所謂變量控制法，就是在研究和解決問(wèn)題的過(guò)程中，對(duì)影響事物變化規(guī)律的因素或條件加以人為控制，使其中的一些條件按照

5、特定的要求發(fā)生變化或不發(fā)生變化，最終解決所研究的問(wèn)題。它是科學(xué)探究中常用的思維方法之一。 例如，探究影響壓力作用效果的因素，我們可以保持壓力大小不變，改變受力面積，從而得出壓力的作用效果（壓強(qiáng)）大小與受力面積的大小成反比的關(guān)系。（壓強(qiáng)活動(dòng)：“壓力的作用效果”） 又例如，探究電流和電阻的關(guān)系，我們可以保持電壓不變，控制電阻的大小，再測(cè)出各個(gè)電阻值所對(duì)應(yīng)的電流大小，從而可以得知電壓一定時(shí)，經(jīng)過(guò)導(dǎo)體的電流與導(dǎo)體的電阻成反比。（歐姆定律活動(dòng)：“研究相同電壓下不同導(dǎo)體中電流與它的電阻的關(guān)系”） 再如，探究種子萌發(fā)的條件，假設(shè)種子萌發(fā)的外界條件是水分、氧氣和適宜溫度，在對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以設(shè)置一對(duì)照

6、組和三實(shí)驗(yàn)組，每種處理用3粒種子（種子飽滿，無(wú)病蟲(chóng)害，大小基本一致），增加實(shí)驗(yàn)成功的把握。 四、比較法 比較是人們常用的思維方法，是找出事物之間的差異點(diǎn)和共同點(diǎn)的思維方法，通過(guò)事物間相同特征或相異特征的比較，揭示事物的本質(zhì)和區(qū)別。 例如，電流的形成、電壓的作用通過(guò)以熟悉的水流的形成，水壓使水管中形成了水流進(jìn)行類(lèi)比，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，聯(lián)想到：水壓迫使水沿著一定的方向流動(dòng)，使水管中形成了水流；類(lèi)似的，電壓迫使自由電荷做定向移動(dòng)使電路中形成了電流，從而得出電壓是形成電流的原因的結(jié)論。水泵是提供水壓的裝置；類(lèi)似的，電源是提供電壓的裝置。（電流、電壓思考與討論：“電源電壓”） 又例如，物質(zhì)的變化，就其

7、本質(zhì)而言，分為兩類(lèi)：物理變化和化學(xué)變化。為幫助學(xué)生正確且形象地建立起新概念，教師設(shè)計(jì)兩組實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，并通過(guò)記錄比較變化前后的物質(zhì)得出：有無(wú)新物質(zhì)產(chǎn)生是兩者的本質(zhì)區(qū)別。（物質(zhì)的變化與性質(zhì)活動(dòng)：“探索物理變化與化學(xué)變化”） 五、累積法 科學(xué)探究中，由于偶然因素的影響，對(duì)某些量進(jìn)行一次測(cè)量具有不確定性或不可靠性，則采用累積后求平均值的方法，稱為累積法。該思維方法主要是為了減少測(cè)量的偶然誤差而設(shè)計(jì)的，主要又有時(shí)間累積法、空間累積法、物質(zhì)累積法等幾種方式。 時(shí)間累積法：如何測(cè)量安靜狀態(tài)下，心臟搏動(dòng)一次的時(shí)間？可采用測(cè)量3050次搏動(dòng)的總時(shí)間t，從而求出搏動(dòng)一次的時(shí)間t=t/n（n為搏動(dòng)次數(shù)）。（建立你的健

8、康信息檔案活動(dòng)：“測(cè)量心率”） 物質(zhì)累積法：若被測(cè)物體的質(zhì)量小于托盤(pán)天平標(biāo)尺上的分度值（即天平的感量），該如何測(cè)量？可采用測(cè)多算少法（累積法）進(jìn)行測(cè)量。（如測(cè)大頭針、郵票等）（幾個(gè)重要的科學(xué)概念活動(dòng)：“測(cè)量物體的質(zhì)量”） 空間累積法：沒(méi)有螺旋測(cè)微器時(shí)，可把金屬絲在鉛筆上密繞若干圈，由金屬線圈總長(zhǎng)度來(lái)測(cè)出金屬絲的直徑；在測(cè)量一張薄紙的厚度時(shí)，可測(cè)多張薄紙的厚度后求平均而得到一張紙的厚度等等。（建立你的健康信息檔案活動(dòng)：“用刻度尺測(cè)量物體”） 六、守恒法 用守恒定律及守恒量去分析和解決問(wèn)題的方法，可稱之為守恒法。在各種物理及化學(xué)變化的過(guò)程中，存在著多種量的守恒如能量守恒、機(jī)械能守恒、質(zhì)量守恒、電荷

9、守恒等，利用守恒關(guān)系往往可使問(wèn)題得到較簡(jiǎn)潔的解答。 例如，在某密閉隔熱的房間里內(nèi)有一冰箱，現(xiàn)接通電源使冰箱開(kāi)始工作，并打開(kāi)電冰箱的門(mén)，則過(guò)段時(shí)間后室內(nèi)的溫度將發(fā)生怎樣的變化？電冰箱制冷過(guò)程中，使冰箱內(nèi)的溫度降低的同時(shí)，又使其外部溫度升高（將冰箱內(nèi)部的內(nèi)能轉(zhuǎn)移到外部），此過(guò)程不可能自發(fā)發(fā)生，必須消耗電能，此部分電能最終也轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能，因此從能量守恒的角度看，室內(nèi)的內(nèi)能增加。室內(nèi)溫度上升。 又例如，有銅粉和氧化銅的混合物2g，不斷通入氫氣，并加熱到質(zhì)量不再改變時(shí)，稱得殘留固體的質(zhì)量為1.68g，求原混合物中銅有多少克？根據(jù)氫氣還原氧化銅的反應(yīng)，前后質(zhì)量減少為o的質(zhì)量，mo=2g -1.68g =0.

10、32g，從而求得反應(yīng)物氧化銅的質(zhì)量mcuo=1.6g。 值得一提的是，守恒往往是在一定條件下才成立，因此要注意對(duì)問(wèn)題條件的分析，只有在滿足守恒條件時(shí)，才可用對(duì)應(yīng)的守恒規(guī)律來(lái)解問(wèn)題。 七、放大法 在科學(xué)探究中，有些現(xiàn)象或待測(cè)量十分微小，把之按一定的規(guī)律放大后在進(jìn)行觀察和測(cè)量，這種思維方法稱為放大法。 例如，音叉的振動(dòng)很不容易觀察，所以我們把發(fā)聲的音叉迅速觸及水面，使得水面濺起小水花而將其現(xiàn)象放大，也可用振動(dòng)的音叉觸擊懸掛的乒乓球，從而使乒乓球彈起。（聲音的產(chǎn)生和傳播活動(dòng)：“音叉發(fā)聲”） 又例如，在研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，靈敏電流計(jì)的使用，對(duì)微小的電流信號(hào)進(jìn)行放大。（電磁感應(yīng)活動(dòng)：“觀察靈敏電流計(jì)”）

11、 再如，觀察壓力對(duì)玻璃瓶的作用效果時(shí)，我們將玻璃瓶密閉，裝水，插上一個(gè)小玻璃管，將玻璃瓶的形變引起的液面變化放大成小玻璃管液面的變化等等。 八、極限法 極限思維是根據(jù)有關(guān)規(guī)律，在不超出該規(guī)律適用的環(huán)境條件下，對(duì)其所涉及的變量作合理延伸，并通過(guò)對(duì)變量取特殊值（一般為極限值）進(jìn)行比較，作出相關(guān)的判斷。例如，某溫度時(shí)cuso4的溶解度是25g，若溫度不變，將32g無(wú)水cuso4粉末撒入m g水中，形成飽和溶液并有cuso45h2o晶體析出時(shí)，則m的取值范圍是 (c)a. 18gm128g b. 36gm180gc. 18gm128g d. 36gm180g 分析：用極限法。假設(shè)cuso4全部溶于水形

12、成飽和溶液，可得100g =25g，m =128g；假設(shè)cuso4全部與水形成結(jié)晶水合物，可得，m =18g。 又例如，家庭電路的引線均有一定的電阻(約幾歐)，因此，當(dāng)家中空調(diào)、電爐等大功率用電器工作時(shí)，家中原來(lái)開(kāi)著的電燈會(huì)變暗某同學(xué)在“創(chuàng)新素質(zhì)實(shí)踐行”活動(dòng)中，通過(guò)測(cè)試就可以估算出家庭電路引線部分的電阻如右圖所示，用r表示家庭電路引線部分的總電阻，l為一只普通家用白熾燈泡，m是一臺(tái)空調(diào)在測(cè)試時(shí)，先斷開(kāi)開(kāi)關(guān)s，接通燈泡l，測(cè)得燈泡兩端的電壓為u1，燈泡的功率為p1；再閉合開(kāi)關(guān)s，測(cè)得燈泡兩端的電壓為u2，空調(diào)的功率為p2(p2p1，即p2遠(yuǎn)大于p1)試寫(xiě)出估算r的表達(dá)式 。(只用u1、u2和p2

13、表示，設(shè)電源電壓恒定) 分析：斷開(kāi)s時(shí)，燈泡與輸電線是串聯(lián)的關(guān)系，由于燈泡電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)在于輸電線電阻，故在粗略計(jì)算中可忽略輸電線的分壓作用，即u電源=u1。當(dāng)閉合開(kāi)關(guān)s時(shí)，空調(diào)與燈泡并聯(lián)后與輸電線串聯(lián)，因空調(diào)的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于燈泡功率，故粗略計(jì)算時(shí)，可忽略燈泡的功率，但必須考慮輸電線的電阻與分壓作用。即 ur =u1-u2 ，ir=i空調(diào) ，又p=ui,i=u/r,則r=(u1-u2)/(p2/u2)= u2(u1-u2)/p2 。 九、替代法 科學(xué)探究中，將直接解決不了的問(wèn)題通過(guò)變通替代的辦法解決而達(dá)到完全相同的效果，這種思維方法稱為替代法。它是科學(xué)探究中常用的一種方法。 例如，在平面鏡成像的實(shí)驗(yàn)中

14、，我們利用兩個(gè)完全相同的棋子，驗(yàn)證物與像的大小相同，因?yàn)槲覀儫o(wú)法真正的測(cè)出物與像的大小關(guān)系，所以我們利用了一個(gè)完全相同的另一個(gè)棋子來(lái)等效替代物體的大小。（視覺(jué)的延伸活動(dòng)：“探究平面鏡成像規(guī)律”） 又例如，現(xiàn)在需要一個(gè)阻值是30的電阻，但只有阻值為20的電阻若干個(gè)，該怎樣利用這幾個(gè)電阻？根據(jù)串、并聯(lián)電路的電阻的規(guī)律特點(diǎn)，可以采用等效替代的方法，將2個(gè)20的電阻并聯(lián)，再與1個(gè)20的電阻串聯(lián)。 值得注意的是，在科學(xué)探究中，常常是多種思維方法的綜合。如在研究決定導(dǎo)體電阻大小的有關(guān)因素時(shí)，我們同時(shí)用到了轉(zhuǎn)換法（把電阻的大小轉(zhuǎn)換成小燈泡的亮度、通過(guò)研究小燈泡亮度的變化來(lái)得到導(dǎo)體電阻變化的原因）、歸納法（將分別得出的導(dǎo)體電阻與材料、長(zhǎng)度、橫截面積、溫度有關(guān)的信息歸納在一起）、變量控制法（在研究導(dǎo)體電阻與長(zhǎng)度有關(guān)時(shí)控制了材料、橫截面積）等思維方法。教師應(yīng)當(dāng)通過(guò)知識(shí)教學(xué)滲透科學(xué)思維方法的教育，通過(guò)結(jié)合科學(xué)史介紹科學(xué)家所運(yùn)用的科學(xué)研究方法和精美絕倫的實(shí)驗(yàn)構(gòu)思，通過(guò)解決實(shí)際問(wèn)題訓(xùn)練學(xué)生靈活而準(zhǔn)確地應(yīng)用科學(xué)方法。 總之，學(xué)生一旦掌握了科學(xué)思維方法，就能更深刻地理解和更牢固地掌握科學(xué)知識(shí)，提高學(xué)習(xí)效率，科學(xué)方法作為正確的思維和行