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例談科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)報(bào)告
例談科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)報(bào)告
山東菏澤曹縣第二中學(xué) 陳燾
摘要：科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)是新課程著重介紹的知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)又是當(dāng)前基礎(chǔ)教育課程改革的熱點(diǎn)、亮點(diǎn)和難點(diǎn)。本文對(duì)科學(xué)探究的六大要素逐一加以解釋，并以實(shí)例說(shuō)明如何做好科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)及如何做實(shí)驗(yàn)報(bào)告。
關(guān)鍵詞：科學(xué)探究 科學(xué)探究實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)報(bào)告 提出問(wèn)題 猜想和假設(shè) 實(shí)驗(yàn)方案 數(shù)據(jù)處理
作為當(dāng)前基礎(chǔ)教育課程改革的熱點(diǎn)、亮點(diǎn)和難點(diǎn)，《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)科學(xué)探究提出了明確要求，并指出：“高中物理課程應(yīng)促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，讓學(xué)生積極參與、樂(lè)于探究、勇于實(shí)驗(yàn)、勤于思考。通過(guò)多樣化的教學(xué)方式，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識(shí)與技能，培養(yǎng)其科學(xué)探究能力，使其逐步形成科學(xué)態(tài)度與科學(xué)精神。”一般來(lái)講，我們進(jìn)行科學(xué)探究都要遵循以下步驟或流程：
一、提出問(wèn)題
“現(xiàn)代科學(xué)之父”愛(ài)因斯坦曾指出：“提出一個(gè)問(wèn)題往往比解決一個(gè)問(wèn)題更重要，因?yàn)榻鉀Q一個(gè)問(wèn)題也許僅僅是一個(gè)數(shù)學(xué)上的或?qū)嶒?yàn)上的技能而已，而提出新的問(wèn)題，新的可能性，從新的角度去看舊的問(wèn)題，卻需要有創(chuàng)造性的想象力，而且標(biāo)志著科學(xué)的進(jìn)步”。
問(wèn)題是創(chuàng)造的先導(dǎo)，是思維的起點(diǎn)，具有問(wèn)題意識(shí)是一個(gè)人有所創(chuàng)新的前提與基礎(chǔ)，是否具有問(wèn)題意識(shí)，能否提出有價(jià)值的問(wèn)題，是因循守舊之人與開拓創(chuàng)新之人的分水嶺。
我們提出的問(wèn)題首先應(yīng)該是科學(xué)的，不能反科學(xué)或偽科學(xué)，而且還必須是有價(jià)值的、有意義的、可以探究的、值得探究的。依據(jù)學(xué)生現(xiàn)有的知識(shí)，我們所能提出的問(wèn)題應(yīng)根源于生活，但又高于生活，卻不能脫離生活和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，提出的問(wèn)題應(yīng)在其力所能及范圍之內(nèi)，即有能力應(yīng)用已有的物理知識(shí)，加上部分未知的物理知識(shí)，利用科學(xué)的方法與思想，或獨(dú)立或協(xié)作地予以解決。
提出問(wèn)題后我們還必須明確問(wèn)題，明確問(wèn)題是為提出假設(shè)或大膽猜想奠定基礎(chǔ)。從物理學(xué)的角度較為明確地闡述該問(wèn)題。
二、猜想和假設(shè)
讓學(xué)生做假設(shè)和猜想，就是根據(jù)已有的物理知識(shí)和實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)解決問(wèn)題的方式和問(wèn)題的答案提出猜想與假設(shè)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)。
愛(ài)因斯坦說(shuō)過(guò)：“想象比知識(shí)更重要，因?yàn)橹R(shí)是有限的，而想象力卻概括世上的一切，推動(dòng)著科技的進(jìn)步，并且是知識(shí)進(jìn)化的源泉，嚴(yán)格地講，想象力是科學(xué)研究中的實(shí)在因素。”郅庭瑾先生認(rèn)為，高中生業(yè)已具備以理論型為主的抽象邏輯思維能力，具體體現(xiàn)在：①學(xué)生可以通過(guò)假設(shè)進(jìn)行思維。按照提出問(wèn)題、明確問(wèn)題、提出假設(shè)、驗(yàn)證假設(shè)的途徑，經(jīng)過(guò)一系列的抽象邏輯過(guò)程，達(dá)到目的。②學(xué)生思維業(yè)已具備預(yù)設(shè)性，在解決問(wèn)題之前，學(xué)生已采取了一定的方式和手段。③學(xué)生思維已漸進(jìn)形式化。中學(xué)生開始逐步地由具體運(yùn)算思維占優(yōu)勢(shì)發(fā)展為形式思維占優(yōu)勢(shì)，不僅能夠進(jìn)行從特殊到一般的歸納，而且能進(jìn)行從一般到特殊的演繹。高中生在他們的實(shí)踐與學(xué)習(xí)中，已能夠完成從具體上升到理論，再由理論指導(dǎo)去獲得具體知識(shí)的完整過(guò)程。④高中生思維活動(dòng)中自我意識(shí)或監(jiān)控能力的明顯化。⑤學(xué)生思維能跳出舊框框，創(chuàng)造性思維已獲得迅速發(fā)展，開始追求新穎、獨(dú)特的東西，形成了自己對(duì)事物的獨(dú)特見(jiàn)解。為此，教師要鼓勵(lì)學(xué)生們大膽猜想，只有想象，才能盡可能多地突破舊有知識(shí)的羈索，打破時(shí)空的限制，對(duì)自己提出的問(wèn)題盡可能地全方位思考。合理的或大膽的猜想往往閃爍著智慧的火花，無(wú)意中的直覺(jué)往往可以打開解決問(wèn)題的大門，激發(fā)創(chuàng)造的靈感，發(fā)揮自己的想象能力，一種大膽而有根有據(jù)的判斷往往也可以突破層層迷團(tuán)，實(shí)現(xiàn)探究的目的。
三、制定實(shí)驗(yàn)方案
方案是種思想，是個(gè)預(yù)設(shè)，只有經(jīng)過(guò)多次嘗試才能完善;方案是盞街燈，是座燈塔，指引著我們有目的有步驟地完成實(shí)驗(yàn)或既定目標(biāo)。方案設(shè)計(jì)的好壞，直接關(guān)系到實(shí)驗(yàn)步驟是否井然有序，關(guān)系到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否真實(shí)可靠、是否切實(shí)可信，關(guān)系到實(shí)驗(yàn)結(jié)論是否有代表性、是否具有普遍性。伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)好就好在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的巧妙，設(shè)計(jì)的合理，設(shè)計(jì)的渾然天成。為此：①方案中的儀器應(yīng)選材合理，便于準(zhǔn)備，不能要求過(guò)高。在確定實(shí)驗(yàn)方案之前，應(yīng)首先學(xué)會(huì)正確操作和熟練操作，特別要注意應(yīng)該注意的事項(xiàng)。②探究過(guò)程應(yīng)盡量清晰，各步驟間銜接流暢，表格設(shè)計(jì)合理，應(yīng)盡可能多地確定實(shí)驗(yàn)方案，盡可能多地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并由此比較各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，確定最佳方案，同時(shí)若其中某個(gè)實(shí)驗(yàn)被確認(rèn)失敗的話，也可以盡快選擇其他實(shí)驗(yàn)方案。
四、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)
根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，按照說(shuō)明書正規(guī)操作，操作時(shí)應(yīng)注意安全(包括儀器安全和人身安全)，實(shí)驗(yàn)中要如實(shí)記錄數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等，利用觀察、實(shí)驗(yàn)或其他方式方法，多渠道多形式地收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和信息。
盡可能地收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與信息，目的是盡量減少偶然誤差的干擾。收集到的信息越多，越有利于我們做定性分析;數(shù)據(jù)越多，越有利于我們做定量的計(jì)算。當(dāng)然，為了更好地逼近實(shí)驗(yàn)結(jié)論，我們除了實(shí)驗(yàn)手段外，還可以從多種信息源上采集和獲取信息，以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)手段的不足。
五、數(shù)據(jù)處理
整理完所收集到的數(shù)據(jù)與信息后，就要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，“應(yīng)用科學(xué)的思維方法，通過(guò)分析和歸納，找出規(guī)律，嘗試根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)處理得出結(jié)論，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果予以解釋和描述”，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，能得到哪些反饋呢?
用自己的語(yǔ)言去總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論時(shí)，需要注意的是實(shí)驗(yàn)結(jié)論一般應(yīng)具有以下特征：①條件相當(dāng)嚴(yán)格，不能任意擴(kuò)大或縮小;②實(shí)驗(yàn)方法相當(dāng)完善，當(dāng)然也有需要進(jìn)一步完善的地方;③表述簡(jiǎn)潔而嚴(yán)明，應(yīng)盡量用嚴(yán)密且準(zhǔn)確的科學(xué)術(shù)語(yǔ)來(lái)描述，且具有相當(dāng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嫛?/p>
六、心得體會(huì)
通過(guò)實(shí)驗(yàn)，汲取失敗的教訓(xùn)，積累成功的經(jīng)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)后要提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，報(bào)告中要科學(xué)地表述自己的探究思路、過(guò)程、方法和結(jié)論。踢過(guò)足球比賽的大都知道“我們?cè)诒荣愔校纫⒅刈约旱姆e極突破，又要注重團(tuán)隊(duì)的團(tuán)結(jié)合作”的道理，同樣在科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)中，自我自主探究與交流協(xié)作也一樣重要。在合作中注意既要堅(jiān)持自己的原則，有自己的思考、有自己的觀點(diǎn)、有自己的實(shí)驗(yàn)方案，也要能夠積極聽(tīng)取他人的建議，尊重他人的意見(jiàn)和成果。只有我們親身親歷科學(xué)探究，才能收獲一種習(xí)慣，養(yǎng)成一種意識(shí)，養(yǎng)育一種能力，這對(duì)我們今后無(wú)論是學(xué)業(yè)還是事業(yè)都是極其重要的。
下面以“探究加速度與質(zhì)量、力之間的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)為例，簡(jiǎn)要探討如何進(jìn)行科學(xué)探究和書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。
實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)方案：牛頓第一定律告訴我們，力并不是維持物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，而是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因。簡(jiǎn)而言之，物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變體現(xiàn)在速度的改變上，而速度發(fā)生變化就表明物體具有加速度，因此可以說(shuō)力是使物體產(chǎn)生(或具有)加速度的原因。同是一輛靜止的汽車，施加的牽引力越大，至某一速度所需要的時(shí)間越短。由此我們不妨假設(shè)加速度與力成一次函數(shù)a=kf+b，同時(shí)假設(shè)b=0。假設(shè)成立與否，還需要用實(shí)驗(yàn)探究和驗(yàn)證。同時(shí)，物體的質(zhì)量越大即慣性越大，物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就越難以發(fā)生改變，即加速度越小，由此我們不妨假設(shè)a=b+1/km，同時(shí)假設(shè)b=0。由此，我們現(xiàn)在所要探究的加速度是同時(shí)與力、質(zhì)量有關(guān)的，那么又有怎樣的關(guān)系呢?按照哲學(xué)上的觀點(diǎn)，物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化情況是由合外力(外因)和質(zhì)量(內(nèi)因)共同決定的，合外力和質(zhì)量?jī)蓚�(gè)因素統(tǒng)一于影響物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變過(guò)程當(dāng)中，同時(shí)又是矛盾的。合外力促使加速度的產(chǎn)生，質(zhì)量則維持原有狀態(tài)不變，阻礙加速度的產(chǎn)生。在物理學(xué)中我們研究一個(gè)物理量同時(shí)與兩個(gè)或多個(gè)物理量(或因素)有關(guān)的多元問(wèn)題的基本方法就是控制變量法，即先保持其他物理量(或因素)不變，逐步分析所求物理量與其中某一物理量的關(guān)系，而后總結(jié)出這幾個(gè)量之間的關(guān)系。因此，我們可以首先固定質(zhì)量，探究加速度與力之間的關(guān)系;而后固定合外力，探究加速度與質(zhì)量間的關(guān)系;最后總結(jié)出加速度與合外力、質(zhì)量的關(guān)系。
如果a=k1f成立，反映在a-f圖線上就應(yīng)該是條過(guò)原點(diǎn)的傾斜的直線;如果a=k2m成立，反映在a-m圖線上就應(yīng)該是條雙曲線，然而真實(shí)地判斷該圖線是否是雙曲線是比較復(fù)雜的，不過(guò)我們可以變換角度，將a與m成反比轉(zhuǎn)化為a與1/m成正比，即反映在a-1/m圖線上就是一條過(guò)原點(diǎn)的傾斜的直線。但加速度是不易測(cè)量的，因此我們需將其轉(zhuǎn)化為位移，而且我們所探求的主要是a與f、m間的關(guān)系，從另一個(gè)角度也說(shuō)明無(wú)須求解a的實(shí)際值。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)使小車做初速度為0的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將小車放在相同的位置，并同時(shí)打開和關(guān)閉文件夾使兩小車運(yùn)動(dòng)的時(shí)間相等，由s=at2/2便可得出a1/a2=s1/s2。這樣就將加速度轉(zhuǎn)化為位移，以后做就好的多了。
教材給出了實(shí)驗(yàn)裝置，但不甚好。一方面嚴(yán)格的光滑水平木板是沒(méi)有的，普通實(shí)驗(yàn)室中的木板大都相當(dāng)粗糙，不符合實(shí)驗(yàn)要求;另一方面，若往小盤中放砝碼，好多同學(xué)放置的大都不是比較均勻，然而這樣做很容易帶來(lái)相當(dāng)大的誤差。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置如下圖：
實(shí)驗(yàn)器材：上部有凹槽的小車兩個(gè)，一端帶有定滑輪的長(zhǎng)直木板兩個(gè)，大型文件夾一個(gè)，砝碼若干，勾碼若干，細(xì)線若干，刻度尺一把。
為記錄小車的加速度，我們可以采用打點(diǎn)紙帶，同時(shí)為避免小車與定滑輪的碰撞，可以在小車后拴兩條較長(zhǎng)的細(xì)線，細(xì)線的另一端加以固定。本實(shí)驗(yàn)方案舍棄砝碼盤，而采用勾碼，可以保證拉力在一條直線上，增減勾碼即改變了小車受到的拉力。在小車上增減砝碼的質(zhì)量，即改變了小車的質(zhì)量。
為得到近似光滑的長(zhǎng)直木板，我們通常采用平衡摩擦力的方法：不加砝碼，不系細(xì)線，試探著移動(dòng)墊木，使放置在斜面上的小車近似做勻速直線運(yùn)動(dòng)，此時(shí)物體受g、n、f三個(gè)力的作用而處于平衡，合力為0，得gx=f，兩力的作用效果相互抵消，就相當(dāng)于f不存在。而當(dāng)小車受到細(xì)線的拉力后，就相當(dāng)于僅受該
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