科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)報(bào)告的論文
摘要:科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)是新課程著重介紹的知識點(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)。本文對科學(xué)探究的六大要素逐一加以解釋,并以實(shí)例說明如何做好科學(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、樂于探究、勇于實(shí)驗(yàn)、勤于思考。通過多樣化的教學(xué)方式,幫助學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識與技能,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!币话銇碇v,我們進(jìn)行科學(xué)探究都要遵循以下步驟或流程:
一、提出問題
“現(xiàn)代科學(xué)之父”愛因斯坦曾指出:“提出一個(gè)問題往往比解決一個(gè)問題更重要,因?yàn)榻鉀Q一個(gè)問題也許僅僅是一個(gè)數(shù)學(xué)上的或?qū)嶒?yàn)上的技能而已,而提出新的問題,新的可能性,從新的角度去看舊的問題,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”。
問題是創(chuàng)造的先導(dǎo),是思維的起點(diǎn),具有問題意識是一個(gè)人有所創(chuàng)新的前提與基礎(chǔ),是否具有問題意識,能否提出有價(jià)值的問題,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,我們所能提出的問題應(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,加上部分未知的物理知識,利用科學(xué)的方法與思想,或獨(dú)立或協(xié)作地予以解決。
提出問題后我們還必須明確問題,明確問題是為提出假設(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)已有的物理知識和實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),對解決問題的方式和問題的答案提出猜想與假設(shè),對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測。
愛因斯坦說過:“想象比知識更重要,因?yàn)橹R是有限的,而想象力卻概括世上的一切,推動著科技的進(jìn)步,并且是知識進(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!臂ねヨ壬J(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:
、賹W(xué)生可以通過假設(shè)進(jìn)行思維。按照提出問題、明確問題、提出假設(shè)、驗(yàn)證假設(shè)的途徑,經(jīng)過一系列的抽象邏輯過程,達(dá)到目的。
、趯W(xué)生思維業(yè)已具備預(yù)設(shè)性,在解決問題之前,學(xué)生已采取了一定的方式和手段。
、蹖W(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)勢發(fā)展為形式思維占優(yōu)勢,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)去獲得具體知識的完整過程。
、芨咧猩季S活動中自我意識或監(jiān)控能力的明顯化。
、輰W(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,形成了自己對事物的獨(dú)特見解。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的羈索,打破時(shí)空的限制,對自己提出的問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,無意中的直覺往往可以打開解決問題的大門,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:
、俜桨钢械膬x器應(yīng)選材合理,便于準(zhǔn)備,不能要求過高。在確定實(shí)驗(yàn)方案之前,應(yīng)首先學(xué)會正確操作和熟練操作,特別要注意應(yīng)該注意的事項(xiàng)。
、谔骄窟^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,并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果予以解釋和描述”,通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理,能得到哪些反饋呢?
用自己的語言去總結(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:
、贄l件相當(dāng)嚴(yán)格,不能任意擴(kuò)大或縮小;
、趯(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;
、郾硎龊啙嵍鴩(yán)明,應(yīng)盡量用嚴(yán)密且準(zhǔn)確的科學(xué)術(shù)語來描述,且具有相當(dāng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嫛?/p>
六、心得體會
通過實(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、過程、方法和結(jié)論。踢過足球比賽的大都知道“我們在比賽中,既要注重自己的積極突破,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,也要能夠積極聽取他人的建議,尊重他人的意見和成果。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,養(yǎng)育一種能力,這對我們今后無論是學(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)動狀態(tài)的原因,而是改變物體運(yùn)動狀態(tài)的原因。簡而言之,物體運(yùn)動狀態(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)量兩個(gè)因素統(tǒng)一于影響物體運(yùn)動狀態(tài)的改變過程當(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圖線上就是一條過原點(diǎn)的傾斜的直線。但加速度是不易測量的,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)角度也說明無須求解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,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,試探著移動墊木,使放置在斜面上的小車近似做勻速直線運(yùn)動,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。
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