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1、浅谈初中科学探究中的思维方法 摘要：科学探究的过程充满了理性思维的火花，许多的思维方法凝聚着科学家的智慧和创造。在初中科学教学过程中，展示探究过程中的思维方法，能增进学生对科学探究的理解，提高学生的科学素养。 关键词：思维方法 探究 当今社会是学习化的社会，人们要在社会上立足就必须更多的学习必备的科学知识，以顺应时代的要求。学校教育应重视学生的终身能力的培养，在诸多的能力培养中，创造能力是核心，而创造能力的关键是突出科学探究。 在科学课程中，学生体验科学探究的过程，学会一定的科学思维方法，以解决自身学习、生活、工作和社会决策中遇到的问题，为学生的终身发展奠定基础。 科学探究中的思维方法有许多，
2、常见的有模拟法、转换法、变量控制法、比较法、累积法、守恒法、放大法、极限法、替代法等。下面就几种重要的思维方法进行一下分析。 一、模拟法 模拟法是通过设计与原型（自然现象或过程）相似的模型，并利用该模型来间接的研究原型规律的方法。此法可使事过境迁或稍纵即逝的自然现象或过程在实验室重现，可使不能直接进行实验观测的对象在模拟的条件下“实在化”。 例如，昼夜的成因一节里的活动“昼夜交替的演示”：用一个台灯代表太阳，用一个乒乓球代表地球，用一个长而粗的针沿乒乓球的一条直径穿过乒乓球代表地球自转轴。在乒乓球上画一红点并在离台灯稍远处对准灯泡，将粗针与水平线倾斜成66.5，缓慢转动乒乓球，每当乒乓球转过一
3、周，就形成红点的明暗交替一次。这个现象就模拟了昼夜交替的成因。 又比如，在研究磁体周围的磁感线分布时，因为磁感线实际不存在，在磁体周围均匀地散布细铁屑，通过细铁屑的规则排列形象地模拟磁体周围的磁感线。 二、转换法 2000多年前，希腊学者阿基米德在思考如何鉴别王冠的含金量时，从洗澡时浴缸向外溢水的现象中受到启发，归纳液体中物体受到浮力的规律时，把物体受到的浮力转换为物体排开水的重力。（阿基米德原理活动：“探究浮力的大小”） 从阿基米德的思维方法中，我们可以领悟出一个解决问题的方法，如果直接处理或解决某一问题而感到困难时，可以将问题等价地变换为我们熟悉的另一个问题去解决，我们把这种方法叫转换法。
4、 例如，HCl和NaOH溶液反应时，没有明显的实验现象，如何用实验证明确实反应了？可以根据反应物与生成物的不同化学性质，借助酸碱指示剂来显示反应的进行。可将酚酞滴入NaOH溶液中（溶液变成红色），再滴入HCl至红色褪去。 又例如，分子的热运动肉眼看不见，摸不着，不便于研究，但我们可以通过研究墨水的扩散现象来认识它。（物体的内能活动：“观察墨水滴在清水中的扩散”） 再如，测不规则小石块的体积我们转换成测排开水的体积，测曲线的长短时转换成细棉线的长度等等，均应用了转换法。 三、变量控制法 所谓变量控制法，就是在研究和解决问题的过程中，对影响事物变化规律的因素或条件加以人为控制，使其中的一些条件按照
5、特定的要求发生变化或不发生变化，最终解决所研究的问题。它是科学探究中常用的思维方法之一。 例如，探究影响压力作用效果的因素，我们可以保持压力大小不变，改变受力面积，从而得出压力的作用效果（压强）大小与受力面积的大小成反比的关系。（压强活动：“压力的作用效果”） 又例如，探究电流和电阻的关系，我们可以保持电压不变，控制电阻的大小，再测出各个电阻值所对应的电流大小，从而可以得知电压一定时，经过导体的电流与导体的电阻成反比。（欧姆定律活动：“研究相同电压下不同导体中电流与它的电阻的关系”） 再如，探究种子萌发的条件，假设种子萌发的外界条件是水分、氧气和适宜温度，在对实验方案进行设计时，可以设置一对照
6、组和三实验组，每种处理用3粒种子（种子饱满，无病虫害，大小基本一致），增加实验成功的把握。 四、比较法 比较是人们常用的思维方法，是找出事物之间的差异点和共同点的思维方法，通过事物间相同特征或相异特征的比较，揭示事物的本质和区别。 例如，电流的形成、电压的作用通过以熟悉的水流的形成，水压使水管中形成了水流进行类比，学生在教师的引导下，联想到：水压迫使水沿着一定的方向流动，使水管中形成了水流；类似的，电压迫使自由电荷做定向移动使电路中形成了电流，从而得出电压是形成电流的原因的结论。水泵是提供水压的装置；类似的，电源是提供电压的装置。（电流、电压思考与讨论：“电源电压”） 又例如，物质的变化，就其
7、本质而言，分为两类：物理变化和化学变化。为帮助学生正确且形象地建立起新概念，教师设计两组实验活动，并通过记录比较变化前后的物质得出：有无新物质产生是两者的本质区别。（物质的变化与性质活动：“探索物理变化与化学变化”） 五、累积法 科学探究中，由于偶然因素的影响，对某些量进行一次测量具有不确定性或不可靠性，则采用累积后求平均值的方法，称为累积法。该思维方法主要是为了减少测量的偶然误差而设计的，主要又有时间累积法、空间累积法、物质累积法等几种方式。 时间累积法：如何测量安静状态下，心脏搏动一次的时间？可采用测量3050次搏动的总时间t，从而求出搏动一次的时间T=t/n（n为搏动次数）。（建立你的健
8、康信息档案活动：“测量心率”） 物质累积法：若被测物体的质量小于托盘天平标尺上的分度值（即天平的感量），该如何测量？可采用测多算少法（累积法）进行测量。（如测大头针、邮票等）（几个重要的科学概念活动：“测量物体的质量”） 空间累积法：没有螺旋测微器时，可把金属丝在铅笔上密绕若干圈，由金属线圈总长度来测出金属丝的直径；在测量一张薄纸的厚度时，可测多张薄纸的厚度后求平均而得到一张纸的厚度等等。（建立你的健康信息档案活动：“用刻度尺测量物体”） 六、守恒法 用守恒定律及守恒量去分析和解决问题的方法，可称之为守恒法。在各种物理及化学变化的过程中，存在着多种量的守恒如能量守恒、机械能守恒、质量守恒、电荷
9、守恒等，利用守恒关系往往可使问题得到较简洁的解答。 例如，在某密闭隔热的房间里内有一冰箱，现接通电源使冰箱开始工作，并打开电冰箱的门，则过段时间后室内的温度将发生怎样的变化？电冰箱制冷过程中，使冰箱内的温度降低的同时，又使其外部温度升高（将冰箱内部的内能转移到外部），此过程不可能自发发生，必须消耗电能，此部分电能最终也转变为内能，因此从能量守恒的角度看，室内的内能增加。室内温度上升。 又例如，有铜粉和氧化铜的混合物2g，不断通入氢气，并加热到质量不再改变时，称得残留固体的质量为1.68g，求原混合物中铜有多少克？根据氢气还原氧化铜的反应，前后质量减少为O的质量，mo=2g -1.68g =0.
10、32g，从而求得反应物氧化铜的质量mCuO=1.6g。 值得一提的是，守恒往往是在一定条件下才成立，因此要注意对问题条件的分析，只有在满足守恒条件时，才可用对应的守恒规律来解问题。 七、放大法 在科学探究中，有些现象或待测量十分微小，把之按一定的规律放大后在进行观察和测量，这种思维方法称为放大法。 例如，音叉的振动很不容易观察，所以我们把发声的音叉迅速触及水面，使得水面溅起小水花而将其现象放大，也可用振动的音叉触击悬挂的乒乓球，从而使乒乓球弹起。（声音的产生和传播活动：“音叉发声”） 又例如，在研究电磁感应现象中，灵敏电流计的使用，对微小的电流信号进行放大。（电磁感应活动：“观察灵敏电流计”）
11、 再如，观察压力对玻璃瓶的作用效果时，我们将玻璃瓶密闭，装水，插上一个小玻璃管，将玻璃瓶的形变引起的液面变化放大成小玻璃管液面的变化等等。 八、极限法 极限思维是根据有关规律，在不超出该规律适用的环境条件下，对其所涉及的变量作合理延伸，并通过对变量取特殊值（一般为极限值）进行比较，作出相关的判断。例如，某温度时CuSO4的溶解度是25g，若温度不变，将32g无水CuSO4粉末撒入m g水中，形成饱和溶液并有CuSO45H2O晶体析出时，则m的取值范围是 (C)A. 18gm128g B. 36gm180gC. 18gm128g D. 36gm180g 分析：用极限法。假设CuSO4全部溶于水形
12、成饱和溶液，可得100g =25g，m =128g；假设CuSO4全部与水形成结晶水合物，可得，m =18g。 又例如，家庭电路的引线均有一定的电阻(约几欧)，因此，当家中空调、电炉等大功率用电器工作时，家中原来开着的电灯会变暗某同学在“创新素质实践行”活动中，通过测试就可以估算出家庭电路引线部分的电阻如右图所示，用r表示家庭电路引线部分的总电阻，L为一只普通家用白炽灯泡，M是一台空调在测试时，先断开开关S，接通灯泡L，测得灯泡两端的电压为U1，灯泡的功率为P1；再闭合开关S，测得灯泡两端的电压为U2，空调的功率为P2(P2P1，即P2远大于P1)试写出估算r的表达式 。(只用U1、U2和P2
13、表示，设电源电压恒定) 分析：断开S时，灯泡与输电线是串联的关系，由于灯泡电阻远远在于输电线电阻，故在粗略计算中可忽略输电线的分压作用，即U电源=U1。当闭合开关S时，空调与灯泡并联后与输电线串联，因空调的功率远远大于灯泡功率，故粗略计算时，可忽略灯泡的功率，但必须考虑输电线的电阻与分压作用。即 Ur =U1-U2 ，Ir=I空调 ，又P=UI,I=U/R,则r=(U1-U2)/(P2/U2)= U2(U1-U2)/P2 。 九、替代法 科学探究中，将直接解决不了的问题通过变通替代的办法解决而达到完全相同的效果，这种思维方法称为替代法。它是科学探究中常用的一种方法。 例如，在平面镜成像的实验中
14、，我们利用两个完全相同的棋子，验证物与像的大小相同，因为我们无法真正的测出物与像的大小关系，所以我们利用了一个完全相同的另一个棋子来等效替代物体的大小。（视觉的延伸活动：“探究平面镜成像规律”） 又例如，现在需要一个阻值是30的电阻，但只有阻值为20的电阻若干个，该怎样利用这几个电阻？根据串、并联电路的电阻的规律特点，可以采用等效替代的方法，将2个20的电阻并联，再与1个20的电阻串联。 值得注意的是，在科学探究中，常常是多种思维方法的综合。如在研究决定导体电阻大小的有关因素时，我们同时用到了转换法（把电阻的大小转换成小灯泡的亮度、通过研究小灯泡亮度的变化来得到导体电阻变化的原因）、归纳法（将
15、分别得出的导体电阻与材料、长度、横截面积、温度有关的信息归纳在一起）、变量控制法（在研究导体电阻与长度有关时控制了材料、横截面积）等思维方法。教师应当通过知识教学渗透科学思维方法的教育，通过结合科学史介绍科学家所运用的科学研究方法和精美绝伦的实验构思，通过解决实际问题训练学生灵活而准确地应用科学方法。 总之，学生一旦掌握了科学思维方法，就能更深刻地理解和更牢固地掌握科学知识，提高学习效率，科学方法作为正确的思维和行为方式，蕴含有极大的知识价值，它能够将科学知识转化为能力，形成科学的情感、态度和价值观。参考文献：1 蔡铁权.物理教学丛论基础教育课程改革视野下的中学物理教学.北 京:科学出版社.20052 陈清梅,邢红军.物理教学中主要科学方法教育内容的研究.中学物理教 学参考,2006(7)3 袁运开.义务教育课程标准实验教科书科学(7-9年级).上海:华东师范 大学出版社.20034 中华人民共和国教育部.科学(7-9年级)课程标准.北京:北京师范大学 出版社.2001
