太原師范學(xué)院 李葉彤

在科學(xué)探究的過程中，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過理論分析得出的科學(xué)論點(diǎn)需經(jīng)過事實(shí)檢驗(yàn)才能稱之為科學(xué)結(jié)論。無論是通過實(shí)驗(yàn)歸納途徑還是通過理論分析途徑得到的結(jié)論，都需要經(jīng)過與之匹配的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)檢驗(yàn)，才能確證其正確性。2017年頒布的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》提出物理學(xué)科核心素養(yǎng)，其中“科學(xué)思維”和“科學(xué)探究”都強(qiáng)調(diào)“科學(xué)論證”和“證據(jù)”的重要性?？梢?，新課改對學(xué)生的科學(xué)論證能力要求逐漸提升。因此，在物理課程的學(xué)習(xí)中，驗(yàn)證環(huán)節(jié)是不可或缺的。

一、驗(yàn)證的方法

驗(yàn)證方法的本質(zhì)是間接證明的過程，理論分析途徑由已經(jīng)確證的公理或通過思想自由創(chuàng)造形成假設(shè)公理，經(jīng)過嚴(yán)密的邏輯演繹，獲得新的一般原理，原理的正確性由其匹配人們經(jīng)驗(yàn)事實(shí)的可靠性來檢驗(yàn)。

在科學(xué)研究的過程中，驗(yàn)證的步驟如下：（1）假定待研究的物理性質(zhì)為真；（2）運(yùn)用已有原理、經(jīng)驗(yàn)事實(shí)，通過邏輯推理，合理演繹出可以被經(jīng)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)事實(shí)證實(shí)的、新的物理事實(shí)和性質(zhì)（即間接證明）；（3）通過一定的經(jīng)驗(yàn)或事實(shí)證實(shí)上述推出的事實(shí)或性質(zhì)是否真實(shí)存在。如果新推出的結(jié)論尋求到與之匹配的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)，則原結(jié)論得以驗(yàn)證；若沒有，則原結(jié)論的真實(shí)性還有待考量。

將科學(xué)探究的驗(yàn)證過程對應(yīng)到物理學(xué)習(xí)的過程中，學(xué)習(xí)者往往需要經(jīng)歷一定的邏輯推理和演繹來推出新的事實(shí)，還可能要經(jīng)歷問題解決的過程。其中推理過程一般運(yùn)用穆勒五法以及演繹推理來尋求物理量間的因果關(guān)系。

以演繹推理為例，演繹推理策略是由反映一般性知識的前提得出有關(guān)特殊性知識的結(jié)論的一種推理，其最基本的形式是三段論。在物理概念規(guī)律的學(xué)習(xí)中，這種形式最常用到，即遵循大前提、小前提、結(jié)論這樣的結(jié)構(gòu)推出結(jié)論，結(jié)構(gòu)為：（1）P→q（大前提）；（2）P（小前提）；（3）則q（結(jié)論）。

對于問題解決，需要遵循問題解決的過程：（1）明確要解決的問題，即問題表征；（2）選取適當(dāng)?shù)牟呗?，即制訂方案；?）運(yùn)用相關(guān)技能，即執(zhí)行方案；（4）評估。

二、超重與失重驗(yàn)證環(huán)節(jié)的分析

超重和失重是人教版必修1第四章第6節(jié)的內(nèi)容，舊教材的超重與失重的內(nèi)容包含于用牛頓運(yùn)動定律解決問題（二）中，更加強(qiáng)調(diào)牛頓定律的運(yùn)用，而新教材將超重和失重獨(dú)立為單獨(dú)一節(jié)內(nèi)容，更加聚焦運(yùn)動與力的關(guān)系。其中“在什么條件下發(fā)生失重現(xiàn)象？在什么條件下發(fā)生超重現(xiàn)象？”是這節(jié)的難點(diǎn)。學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)以前已經(jīng)學(xué)習(xí)了牛頓運(yùn)動定律的有關(guān)內(nèi)容，在本節(jié)學(xué)習(xí)了超重和失重的概念后，通過理論分析得出超重和失重產(chǎn)生的條件。根據(jù)驗(yàn)證環(huán)節(jié)的方法，假設(shè)上述結(jié)論為真，可進(jìn)一步進(jìn)行邏輯推理，推出新的論斷，并通過一定的事實(shí)證實(shí)，進(jìn)而驗(yàn)證結(jié)論。

（一）確定待研究的物理性質(zhì)為真

運(yùn)用牛頓定律的有關(guān)內(nèi)容進(jìn)行理論分析，得出超重和失重的產(chǎn)生條件，具體分析過程如下。待研究問題：發(fā)生超重和失重現(xiàn)象的條件是什么？該問題可以分為子問題1與子問題2。子問題1：發(fā)生超重現(xiàn)象的條件是什么？子問題2：發(fā)生失重現(xiàn)象的條件是什么？分別解決如下。

子問題1解決：可通過物體的受力與運(yùn)動間的關(guān)系來分析。選取發(fā)生超重現(xiàn)象的物體，根據(jù)超重的概念，該物體受到豎直向下的重力G和向上的力F向上，且F向上＞G?？筛鶕?jù)牛頓第二定律進(jìn)一步推出物體的加速度a=（F向上-G）/m＞0（根據(jù)牛頓第二定律），以向上為正方向，加速度方向向上?？傻茫寒?dāng)物體具有向上的加速度時，發(fā)生超重現(xiàn)象。

子問題2的解決與子問題1相同，通過類比的方式可推出結(jié)論。

結(jié)論：當(dāng)物體具有向上的加速度時，發(fā)生超重現(xiàn)象；當(dāng)物體具有向下的加速度時，發(fā)生失重現(xiàn)象。可見，上述分析經(jīng)歷了問題解決的過程，將一個問題分解成兩個子問題，子問題1運(yùn)用相關(guān)技能——受力分析的技能和牛頓第二定律，問題得到解決，子問題2可類比子問題1得到解決。

（二）推出新的論斷

要驗(yàn)證以上結(jié)論，需要遵循驗(yàn)證的方法進(jìn)行第一步——推理出新的論斷，在上述結(jié)論的前提下，選定特定條件下的情境進(jìn)行推斷，得出新的結(jié)論，如果新的結(jié)論得以檢驗(yàn)，則驗(yàn)證完成。此過程主要遵循演繹推理的學(xué)習(xí)機(jī)制。

1.確定要研究的情境

根據(jù)上述結(jié)論，需要選取具有一定加速度的物體作為研究對象，并判斷其發(fā)生超重和失重的現(xiàn)象，形成兩個問題。問題1：選擇什么作為研究對象？解決：根據(jù)上述結(jié)論，需要選擇具有一定加速度的物體進(jìn)行研究，生活中比較常見的就是電梯，可選取電梯中的人為研究對象。問題2：超重和失重現(xiàn)象如何觀察到？解決：通過分析物體的受力情況，放在電梯中的物體受到重力和支持力。

子問題1：物體所受到的重力如何獲得？解決：利用電子秤，物體所受到的重力與電子秤對物體的支持力大小相等（靜止?fàn)顟B(tài)下物體受力平衡），秤對物體的支持力與物體對秤的壓力相等（牛頓第三定律，作用力和反作用力的大小關(guān)系），而電子秤顯示的是物體對電子秤的壓力，因此，靜止?fàn)顟B(tài)下，電子秤的示數(shù)即為物體所受到的重力。子問題2：物體所受到的支持力如何獲得？解決：秤對物體的支持力與物體對秤的壓力相等（牛頓第三定律，作用力和反作用力的大小關(guān)系），而電子秤顯示的是物體對電子秤的壓力，即可通過電子秤的示數(shù)看出物體所受到的支持力。

確定研究情境：以電梯中的人為研究對象，通過電子秤上示數(shù)的變化分析該物體的超重和失重現(xiàn)象。

2.推理分析得出新論斷

首先分析電梯的運(yùn)動，當(dāng)電梯靜止從一樓上升到四樓的過程中，可以分為三個階段，分別是加速上升（加速度向上）、勻速上升（加速度為零）、減速上升（加速度向下）。當(dāng)電梯靜止從四樓下降到一樓的過程中，可以分為三個階段，分別是加速下降（加速度向下）、勻速下降（加速度為零）、減速下降（加速度向上）。

結(jié)合超重和失重的概念以及上述結(jié)論，可做以下演繹推理。

演繹推理1：（1）當(dāng)物體具有向上的加速度時，發(fā)生超重現(xiàn)象（大前提）；（2）電梯的加速度向上，即電梯加速上升或者減速下降（小前提）；（3）電梯加速上升或者減速下降時，發(fā)生超重現(xiàn)象，電子秤示數(shù)大于物體所受重力（結(jié)論）。

演繹推理2：（1）當(dāng)物體具有向下的加速度時，發(fā)生失重現(xiàn)象（大前提）；（2）電梯的加速度向下，電梯減速上升或者加速下降（小前提）；（3）電梯減速上升或者加速下降時，發(fā)生失重現(xiàn)象，電子秤示數(shù)小于物體所受重力（結(jié)論）。

因此，經(jīng)過以上過程推出新的論斷：當(dāng)電梯的加速度向上時，發(fā)生超重現(xiàn)象，電子秤的示數(shù)大于人體的重力（F示＞G人）；當(dāng)電梯加速度為零時，無失重、無超重現(xiàn)象，電子秤的示數(shù)等于人體的重力（F示=G人）；當(dāng)電梯的加速度向下時，發(fā)生失重現(xiàn)象，電子秤的示數(shù)小于物體的重力（F示＜G人）。由以上推理過程，可看出主要運(yùn)動演繹推理的推理方式。

（三）驗(yàn)證新的論斷

演示人站在體重秤上隨電梯運(yùn)動的視頻，將在視頻中所觀察到的數(shù)據(jù)記錄在相應(yīng)表格中，主要記錄在電梯運(yùn)動的不同階段電子秤示數(shù)F示與人的重力G的大小關(guān)系以及對應(yīng)的現(xiàn)象，進(jìn)而與上述分析推出的結(jié)果相比較。實(shí)際的現(xiàn)象與上述推論結(jié)果吻合，從而驗(yàn)證了發(fā)生超重和失重現(xiàn)象的條件。

本文強(qiáng)調(diào)在物理課程學(xué)習(xí)中驗(yàn)證環(huán)節(jié)的重要性，明確驗(yàn)證的方法，并以超重和失重的產(chǎn)生條件為例，遵循驗(yàn)證的方法進(jìn)行驗(yàn)證環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)過程的分析。通過驗(yàn)證環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，可以增強(qiáng)學(xué)生在物理學(xué)習(xí)過程對證據(jù)的重視程度，對學(xué)生科學(xué)論證能力的培養(yǎng)也有一定效果。有效的教學(xué)必須建立在明晰學(xué)生學(xué)習(xí)過程的基礎(chǔ)上，因此，驗(yàn)證環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)過程分析，對教師驗(yàn)證環(huán)節(jié)的教學(xué)也有指導(dǎo)意義。