吴 良

（苏州市吴中区迎春中学，江苏 苏州 215128）

物理学科有效教学的核心工程是激活实验教学.通常实验的科学程序包括：提出问题；猜想与假设；制定计划与设计实验；选择器材与制定实验步骤；进行实验与收集数据；分析与论证；得出结论.对于一些量化的实验，物理规律除了用文字和语言表述以外，还可用最简洁的数学形式表达，那就是物理公式.本文针对通过分析处理实验数据得出公式这一核心工程的压轴程序，阐明应采用多元思维指导实验教学，让学生在学习初步的物理知识与技能的同时，经历基本的科学探究过程，从中受到科学态度和科学精神的熏陶，逐步实现提高全体学生的科学素质，促进学生科学思维的发展.

1 归纳初中物理中若干典型公式导出的多元思维

义务教育苏科版物理4册教材共出现速度公式、密度公式、重力与质量的关系式、压强公式、浮力计算公式、杠杆原理表达式、欧姆定律表达式等17个公式.这些公式均出自实验的源头、包括猜想影响物理现象的因素，编排实验步骤，设计表格采集实验数据，对有效信息判断和分析数据提取规律性的内核等等.各实验数据的处理方法既有共性，更具独特的思维方式，现择要做一讨论.

（1）用比值法处理数据——重力与质量的关系式“G＝mg”.

质量是物体的一种物理属性，重力是由于地球的吸引而使物体受到的力，质量概念出现在重力之前.地球上的任何物体都具有质量，都受到重力，两者之间有没有关系，可先让学生进行猜想.这种猜想应该是以一定经验事实为依据的推断性猜想.得出定性结论后，再转化为探究两者之间的量化关系.而后组织学生讨论实验器材的选用和设计实验数据表（表1）.

表1

分析数据要注意：一是表1中“重力与质量的比值”一列，应放在学生测出前两列的3次数据并作充分讨论以后再给出.其二，根据比值的特点，得出的结论，要求学生用自己的语言表述.其三，得出G＝mg之前，应先用G／m＝g作为过渡.

（2）用比值定义法配合比较法处理数据——密度公式“ρ＝m／V”.

安排这一单元的教学时，应稍作微调.介绍质量概念之后，首先简单介绍物体体积及测量工具——量筒（量杯），然后进行“密度”教学.这样便于得出密度公式的多元处理，且将密度概念的引入和密度的测量合而为一.

具体教学时，可按教材中的思路引入课题：你能区分表面被涂成相同颜色的铁块和塑料块吗？教师放手鼓励学生设计多种方案：相同体积比质量；相同质量比体积；不同体积不同质量的，可比较质量与体积的比值.讨论3种方法的繁易，鼓励学生自己设计表2，并进行测量.

表2

实验后，指导学生讨论表2中的数据.其一，同种物质的不同物体质量与体积的比值有什么特点？不同物质质量与体积的比值有什么差别？其二，某种物质的物体，其质量与体积的比值大小跟什么因素有关？用它能否解决开始提出的问题？其三，给比值命名后，列出密度公式ρ＝m／V，再从密度的视角解读表2；其四，用表2中的数据作出m－V图像，用图像再次解读表2.

表1和表2的数据处理都用比值法，但应思考两者比值的不同之处.同时，教师还可以引导学生回忆匀速运动的速度公式v＝s／t，并为今后压强公式p＝F／S、热值公式q＝Q／m、比热容公式功率公式P＝W／t等的导出作好铺垫.后5式均非从采集的数据中导出，均有定性研究后转定量定义得出公式，且多数结合其他思维方法.

（3）用等效转换法处理数据——浮力计算公式“F浮＝G排液”.

对于浮力的探究，教材中设计了两个实验.一个是“探究影响浮力大小的因素”，它是用控制变量法定性得到了“浸在液体中的物体受到的浮力，其大小与物体排开液体的体积和液体的密度有关”.由公式G＝mg进行推理，表明浮力的大小跟排开的液体重有关.另一个是探究浮力大小的实验，它是定量研究.因为有了前一个实验的基础，就可以一步到位地得出公式.实验数据表的设计见表3.

表3

表格应指导学生自行设计，特别应聚焦在F浮和G排液两者的比较，由等效转换导出F浮＝G排液＝m排液g＝ρ液V排液g.教师可以组织学生讨论两个实验之间的联系，探究如何实现从定性研究到定量研究的转变.

（4）用调节变量法结合比较法处理数据——杠杆原理表达式“F1L1＝F2L2”.

杠杆原理就是杠杆的平衡条件，它是探究杠杆的4个物理量（动力、动力臂、阻力、阻力臂）满足什么条件时，杠杆处于平衡状态.因为探究前已通过实例说明了4个变量中，只要改变1个或多个都可以改变影响杠杆的平衡状态，所以笔者认为实验前无须作猜想假设，实验过程中应取有代表性的4组数据，如表4所示.

表4

实验1中，阻力给定（用“√”示之），变化另3个量，如用撬棒撬动重物；实验2中，阻力臂和动力给定，变化另2个量，如用杠秤称量物体的质量；实验3中，阻力、阻力臂、动力臂给定，变化的是动力，如锅炉上的保险阀门；实验4中，4个量都不加控制.这样处理，探究既可避免偶然性，又可便于找出共同特征.在表格设计中，关键的“动力×动力臂”、“阻力×阻力臂”事先不能和盘列出.可以指导学生先比较各组数据中动力、阻力的大小，再比较动力臂和阻力臂的大小，看看两者之间有没有关系，逐步引导关键性的比较“动力×动力臂”、“阻力×阻力臂”两者乘积的大小，然后找出杠杆的平衡条件.

（5）用控制变量法处理数据——欧姆定律公式“I＝U／R”.

控制变量法在中学物理中有广泛的应用，该方法适用于某一物理量受几个不同物理量影响的物理问题.一般初中物理教材涉及此法的，绝大部分是定性探究.欧姆定律公式是唯一的定量探究内容.它是研究电流跟电压、电阻之间的关系，属于最简单的一对二的控制变量法运用，具体教学中应注意下列4点.

① 定量探究前，不能疏忽回顾一下电流跟电压、电阻之间的定性关系.苏科版物理教材上是有伏笔的，该章第1节“电阻”安排了“尝试改变电路中电流的大小”的活动，通过这一活动得到了影响电流大小的两个因素.我们要及时地做好承前启后、温故知新的工作.

② 定量探究时，要明确3个物理量中，哪个是应变量，哪些是自变量，后者应如何调控.同时，应指导学生设计表5.

表5

③ 从数据得出公式.按理应先得出I＝KU／R，统一国际单位后，再简化为I＝U／R.这里有一个数学运算规范的问题，又有物理量单位制的问题.

④ 可以多采集几组数据，作出I－U图像和I－R图像.两种图像既可用作探究规律，也可用于理解、运用规律.

此外，还有沿用控制变量法导出电功公式和焦耳定律公式.不过主要是通过定性分析，最后再用一句“进一步的研究证明”过渡出公式.

17个公式中，功的公式W＝FS的导出较为特殊.其教学的实施建议如下：先组织学生回顾讨论，使用机械可以省力但费距离；可以省距离但费力.那么，是否有既省力又省距离的机构呢？也就是说有没有能使力和力的方向上通过的距离的乘积变小的机械呢？然后组织学生探究斜面的实验.在完成实验的基础上，指令比较FS与Gh的大小，发现FS＞Gh，表明没有既省力又省距离的机械，这样就为机械功公式的建立奠定了基础.与此相仿的是，有关机械效率的两个公式100%的导出.

2 多元思维的创新，需要做好“六个重视”

由数据导出公式是物理实验的压轴之举，蕴含多元思维.笔者认为，多元思维的创新应体现在整个物理教学之中，尤其应做好以下“六个重视”方面的工作.

（1）重视物理学科的源泉教学.

所谓源泉教学就是指实验教学，物理学由实验和理论两部分组成，前者是源头，后者是从源头流出的清泉，作为实验教学就是从源头引出活水.激活源泉教学是物理教学的灵魂工程，它的驱动力就是多元思维.在当今信息化时代，要恰当选用现代技术与数字化信息系统，改变传统的实验教学的模式.但同时应清醒地看到当前存在的问题：一是把实验看成知识的“接生婆”；二是视学生为会做实验的“木偶”；三是实验操作考试走过场；四是以动画、视频替代具体的实验.纠偏归正是目前中学物理实验教学多元创新的一个主攻方向.

（2）重视过程方法、目标的落实.

分析处理实验现象和数据，得出的结论和公式固然重要，但是得出这些结论和公式的“过程与方法”是重中之重，因为科学的“过程与方法”就是实现多元思维创新的必要途径，它是衔接知识和能力的纽带，是激发学生的求知欲，是培育实事求是的精神的载体.这个教学目标落实了，在拓展学生视野，使物理实验教学向科学本质回归的同时，能更好地激励学生学习的动机，培育学生的创新品质，养成学生终身探究的兴趣.

（3）重视实验的起跑线指导.

“不输在起跑线上”已变成当今的时尚语.实验伊始要想方设法创设物理情境，让学生知道这个实验探究什么？为什么要作探究？怎样探究？因为猜想是多元思维形成的催化剂，所以“各就各位”之前，就要指导学生做出合理的假设与猜想，鼓励大胆设想，积极参与探究.一方面对学生的猜想和假设不要简单否定，在肯定其积极性的同时，应指出其中合理的成份.更重要的是指导学生掌握依据一定的经验和理论提出科学猜想的方法，使猜想从随机型向有序型，从分散型向会聚型，从推断型向创造型逐步转化、提升.

（4）重视师生互动和以生为本两者关系的理顺.

课堂教学过程是师生互动的过程，而互动的高效则取决于是否突出以生为本，让课堂教学中的主体——学生人人动手、动五官、动脑、动思维.物理教师应善于构建“爱的教育”平台，做学生的贴心人，努力追求课堂教学的“八度”——互动度、参与度、亲和度、自由度、整合度、愉悦度、延展度、均衡度.

（5）重视独立思维和合作学习的辩证统一.

学习活动是遵循“内因是根据，外因是条件”的辩证法原则的.因此物理教学过程中，教师应刻意帮助学生自行进行知识的构建.要做到这一点，一方面要关注学生的直觉兴趣、操作兴趣和理论兴趣的协同增长，养成良好的思维习惯，创造有利于发展个性特长的学习条件；另一方面要重视探究活动中学生之间的合作与交流.教师要根据学生的性格、兴趣、特长、学习基础等多种因素，进行牵线搭桥，组建探究团队，在引导学生学会独立学习和进行探究活动的同时，开展交流和协作，做到取长补短、齐心攻坚.

（6）重视不同学科间知识与研究方法间联系和渗透.

可以说，物理公式本身就是物理学科中的数学，而处理数据得出公式的多元思维过程就交织着学科渗透的过程.事实上经典物理和近代物理的形成就是学科渗透的结晶.随着科学技术的日新月异，学科之间的界限将日益消退.因此，改变学科本位观念，重视学科渗透教学，就是为了学生明天更好的发展.

上述由物理公式导出所引发的思考，正是多元思维的体现.然而，中学物理教学中的多元思维研究是一个值得不断创新的课题，这个课题学无止境，教无止境，而今迈步，还得从头越起.

1 刘炳升.物理实验教学多元创新中的几个关系问题.物理教学，2011（5）.